数字电压表pcb.doc

梧 州 学 院 课 程 论 文(2013 -2014学年第2学期)数字电压表提交日期：2014年 6月 17 日 学生签名：学 号1101904030班级11电科课程编号BS1901002专业电子科学与技术课程名称Protel课程设计任课教师李琛 原理图设计成绩 分（40分）PCB设计成绩 分（20分）设计报告 分（30分）答辩环节 分（10分）成绩评定： 分 目录一、Protel软件简介3二、设计任务和要求3三、电路工作原理43.1总体电路分析43.2单元电路设计53.2.1 单片机芯片和晶振模块设计53.2.2 ADC转换器模块设计53.2.3 LED显示模块73.2.4电源电路模块设计8四、Protel设计84.1电路原理图设计84.2 绘制母图84.3 创建及绘制子图114.4 PCB版图设计13五、打印输出及制作18六、总结及心得20七、 附录20 1.主要程序202.元器件明细表223.附图23八、参考文献24数字电压表1、 Protel软件简介 Protel是一种EDA软件，早期版本主要解决电路原理图及PCB图的计算机辅助设计，而利用最新版本则几乎可以完成整个现代电路系统设计过程。PROTEL工作在WINDOWS环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。 2005年年底，Protel软件的原厂商Altium公司推出了Protel系列的最新高端版本Altium Designer 6.0。Altium Designer 6.0，它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。Altium Designer 是业界首例将设计流程、集成化PCB 设计、可编程器件（如FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。 现在我们学习的也是 Altium Designer 6系列，从最早的Protel99SE到后续的Protel DXP,再到最新版本的 Altium Designer 14，Protel已变得越来越强大，功能越来越完善，使得设计者们完全从枯燥无味的点与线的体力劳动中解放出来。2、 设计任务和要求使用单片机AT89C51和ADC0809设计一个数字电压表，能够测量05V之间的直流电压值，四位数码显示数码显示。在单片机的作用下，能监测两路的输入电压值，用8位串行A/D转换器，8位分辨率，逐次逼近型，基准电压为 5V；测量最小分辨率为0.019V,测最误差约为 0.02V。三、电路工作原理3.1总体电路分析实现数字电压表的方案较多，目前广泛采用的是基于74系列逻辑器件方案，本设计将介绍基于单片机实现的方案。74系列逻辑器件方案采用双积分电路+液晶显示器+逻辑电路+定时采样电路+数据处理实现，被测电压信号由信号输入端加到测量系统，进行预处理后送到后级电路。单片机系统方案此方案采用输入处理电路+ADC0809+AT89C51+液晶显示实现，被测信号由ADC0809模拟输入端输入，单片机采集转换数据，将转换数据送出显示。系统除能确保实现要求的功能外，还可以方便地进行8路其它A/D转换量的测量、远程测量结果传送等扩展功能。详细的说,本次数字电压表的设计，是通过给两端电压输入端输入0-5V的电压，经过ADC0809转换器转化成电信号传入AT89C51中，在经过AT89C51处理下，通过4个连体7段共阴极数码管显示出两路电压的大小，第一个数码管显示电压大小的第一位，其他三个数码管显示小数点后面的三位，且设计经过S1按键来控制此电路的复位。其具体的总体电路原理框图如图3.1所示。 图3.1其中单片机的I/O口P1.0到P1.7、I/O口P3.0到P3.3直接和4个连体的数码管连接，P0.0到P0.7以及P2.4到P2.7连接ADC0809。在单片机芯片模块中给P0.0到P0.7接入上拉电阻，X1和X2接入晶振时钟电路，RST引脚接复位电路。3.2单元电路设计3.2.1 单片机芯片和晶振模块设计AT89C51单片机的I/O口P0.0到P0.7连接上拉电阻和ADC0809，P2.4到P2.7接ADC0809，以及P3.,0到P3.3和P1.0到P1.7连接4个连体数码管。XTAL1和XTAL2连接晶振时钟电路，RST引脚接复位电路。单片机的 EA 脚控制程序从内部存储器还是从外部存储器读取程序。由于现在单片机内部的flash 容量都很大，因此基本都是从内部的存储器读取程序，即不需要外接 ROM来存储程序，因此，EA脚必须接高电平。本设计中复位方式采用上电 按键手动复位方式，时钟采用内部时钟。CPU模块原理图如下图3.2所示。图3.23.2.2 ADC转换器模块设计 该设计中ADC0809与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。当ADC0809未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1 个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2 位数据用于选择通道功能。当此2 位数据为“1”、“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2 位数据为“0”、 “0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2 位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入。到第3 个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATD0。随后输出8位数据，到第19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。此模块电路中ADD A、B、C全部接地，P5接入大小为5V电压正极端，RV1控制电压在0到5V之间变动，改变测量值，P2作为万用表测量该数字电压表是否正常运行的正极端。ADC转换器模块电路图如图3.3图3.33.2.3 LED显示模块 此模块中比较简单，只有一个数码管元件，但也是极其重要的，测量的结果是通过这个数码管显示出测量结果。在A到G端口连接P1.7到P1.0，P1到P4端口连接P3.3到P3.0，一一对应连接，本模块所用显示屏为4位数码管显示器。本数码管显示器为7段（DP为小数点段），每一段为一个发光二极管。发光二极管有共阳极和共阴极两种。本数码管显示器的发光二极管为共阴极数码管。发光二极管的阴极连接在一起，通常在此共阴极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。通过给数码管显示器提供不同的代码，是这些不同的数码管显示器相应的段发光显示不同的字型，这些代码称为段码。本模块所用段码值如下 （表 1） 所示：显示字符0123456789共阴极段码0xfc0x600xda0xf20x660xb60xbe0xe00xfe0xf6 表1在这个4连体的7段数码管的A一G端口连接P1.7一P1.0 ，P1一P4端口连接P3.3一P3.0，一一对应连接。LED显示模块电路图如图3.4图2.43.2.4电源电路模块设计此模块中，主要设计总电源的输入，还有复位控制的设计。P1排针接入电源，提供该数字电压表的电源，在该电路中放置一个发光二极管，主要监控该电源是否正常通电，二极管发光表示正常通电，S1按键用来控制AT89C51的复位，当S1按下一次，给RST通入高电平，执行芯片复位命令。电源电路模块设计电路图如图3.5图3.54、 Protel设计4.1电路原理图设计 新建工程项目文件 1）单击菜单File/New/PCB Project ，新建工程项目文件。 2）单击菜单File/Save Project保存工程文件，并命名为“数字电压表.PrjPCB”。4.2 绘制母图 1）在数字电压表.PrjPCB工程文件中，单击菜单File/New/Schematic，新建原理图文件。 2）单击菜单File/Save As，将新建的原理图文件保存为“工程原理图母图.SchDoc” 3) 单击菜单Place/Sheet Symbol，或单击Wring工具栏中的按钮，如图4.1所示，修改其属性，依次放置复位晶振模块，CPU模块，LED显示模块，按键控制模块四个方块电路，放置如图4.2所示 图4.1 图4.24）单击菜单Wring工具栏的按钮，放置方块电路端口，并修改其属性，如图4.3设置P1.0端口，图4.4设置P0.0端口，依次设置，完成后效果如图4.5所示。 图4.3 图4.4图4.5 5）连线。根据各方块电路电气连接关系，用导线或总线将端口连接起来，如图4.6所示，并添加网络标号，网络标号属性修改如图4.7所示。完成后的母图效果如图4.8所示。 图4.6 图4.7 图4.84.3 创建及绘制子图1)在母图中，单击菜单Design/Create Sheet From Symbol，此时鼠标变为十字形。2)将十字光标移到LED显示模块方块电路内，如图4.9所示。3）单击鼠标左键，生成子图，且自动布置与该方块电路相对应的I/0端口，如图4.10所示。图4.9 图4.104）绘制LED显示屏模块电路子图。其用到的元件如下表1所示。绘制完成后的效果如图3.11所示。表1 复位晶振模块电路元件列表元件在图中标号元件图形样本名所在元件库元件类型或标示值元件封装Led-4Led-4我的元器件库.SCHLIBstandardsmg 图4.115） 用类似的方法创建其它模块电路子图各模块电路绘制完成后效果如图4.12、图4.13、图4.14所示。图4.12图4.13图4.146）一张完整的层次原理图绘制完毕4.4 PCB版图设计1 新建PCB板 左键File /从摸板中建立/PCB Borad Wizard,弹出对话框如图4.15，在PCB板度量单位设置为“公制单位”，选择板剖面选择custom，在选择板详细信息对话框中修改宽度与高度为200mm*100mm如图4.16，在选择板层对话框中选信号层为2、电源平面为0，在选择组件和布线工艺的对话框中通孔元件和两个轨迹选项，其他步骤一致不修改。利用向导工具生成了一块200mm*100mm的PCB板如图4.17。然后保存，左键File/ save As./ 保存在工程文件夹里，命名为“数字电压表.PcbDoc”。图4.15图4.16图4.172 装入网络表和PCB封装在PCB板的工作界面下，单击菜单Design/Import Changes From（交通灯.PrjPCB），装入网络表和元件封装，如图4.18所示，装入后的PCB板效果如图4.19所示。图4.18图4.193 手动布局手动调整元件位置，调整后的PCB板如图4.20所示。 图4.204 设置布线规则1）单击菜单Design/Rules，弹出布线规则设置对话框。双击选项Design Rules/Electrical下面的子文件，单击Clearance选项，设置最小安全间距为0.5mm，如图4.21所示。点击“应用”应用设置。图4.212） 选中Width，单击鼠标右键，选择New Rule选项，添加布线宽度，分别添加地网络（Net GND）和电源网络（Net VCC） 设置电源网络布线宽度为30mil如图4.22所示，地网络设置线宽为35mil,信号线宽为20mil，设置完成后效果如图4.23所示。 图4.22图4.235 自动布线单击菜单Auto Route/All,开始自动布线。布线完成后效果如图4.24所示图4.24五、打印输出及制作1 PCB图打印输出1)执行File/Page Setup命令，系统将弹出PCB打印属性对话框。设置各项参数。在这个对话框中需要设置打印机类型、选择目标图形文件类型、设置颜色等。2）打印机设置执行File/Print命令，系统将弹出“打印机配置”对话框。设置打印机的配置，包括打印的页码、份数等，设置完毕后，单击“OK”按钮， 如果用鼠标左键单击“Properties”按钮，会出现对话框，可以设置打印纸张的方向。3) 打印预览单击 “Preview”按钮，则可以对打印的图形进行预览。4) 打印 2 电路板的制作 1)预处理覆铜板用细砂纸把覆铜板表面的氧化层打磨掉，以保证在转印电路板时，热转印纸上的碳粉能牢固的印在覆铜板上，打磨好的标准是板面光亮，没有明显污渍。 2）转印电路板将打印好的电路板裁剪成合适大小，把印有电路板的一面贴在覆铜板上，对齐好后把覆铜板放入热转印机，放入时一定要保证转印纸没有错位。一般来说经过2-3次转印，电路板就能很牢固的转印在覆铜板上。热转印机事先就已经预热，温度设定在160-200摄氏度。 3)腐蚀电路板先检查一下电路板是否转印完整，若有少数没有转印好的地方可以用黑色油性笔修补。然后就可以腐蚀了，等电路板上暴露的铜膜完全被腐蚀掉时，将电路板从腐蚀液中取出清洗干净，这样一块线路板就腐蚀好了。腐蚀液的成分为浓盐酸、浓双氧水、水，比例为1：2：3，在配制腐蚀液时，先放水，再加浓盐酸、浓双氧水，若操作时浓盐酸、浓双氧水或腐蚀液不小心溅到皮肤或衣物上要及时用清水清洗，由于要使用强腐蚀性溶液，操作时注意安全。 4)电路板钻孔电路板上是要插入电子元件的，所以就要对电路板钻孔了。依据电子元件管脚的粗细选择不同的钻针，在使用钻机钻孔时，电路板一定要按稳，钻机速度不能开的过慢。 5)电路板预处理钻孔完后，用细砂纸把覆在线电路板上的墨粉打磨掉，用清水把线路板清洗干净。水干后，用松香水涂在有电路的一面。 6)焊接将要焊接上去的电子元件的管脚先插入电路板的通孔中，用电烙铁配合焊锡焊接。六、总结及心得在此对给予我帮助的老师表示深深地感谢！同时对给予我帮助的同学表示深深地感谢。我想说的是，在指导老师和同学们的帮助下我学到了很多东西，也发现了自己的很多不足之处，促使我在以后的学习中更加努力的学习。我们回顾这过去的两周时，我们会发现自己收获了很多，也成长了很多，懂得了如何去学习以前未曾学过的新思维新方法，懂得了如何去多方位地查找资料，完善和创新一些旧的思维方式，懂得了如何同老师和同学交流和协作，尤其要感谢李琛老师在此过程中对我们悉心的辅导，认真的讲解，帮助我们解决问题，循循善诱，使我门受益匪浅。还有同学们的帮助，互相推荐好的资料。相信这次课程设计的体验将成为今后我们更多更广学习中的奠基石。课程设计的过程，是学习的过程，也是锻炼的过程，更是教会我们同学之间相互帮助，共同克服困难的过程，这将是人生中一笔宝贵的财富，使我受用不尽的同时，我一定将之好好珍惜。 本次课程设计主要是对PROTEL软件的熟练应用，由于平时对PROTEL软件能较好的运用，所以设计过程没有遇到多大问题，人家说学以致用，只有将学习到的东西应用到实际，自己才会得到提高，这次花样流水灯的设计，我由以往单纯的理论知识学习状态转变为与实际相结合，原理图的设计主要运用的是层次式原理图设计，因为其结构清晰，可读性更强因为层次式原理图设计可以看做是逻辑方块图之间的层次设计。在此我运用51单片机的编程知识去完成一个最小单片机系统，无论是从硬件还是软件方面，不懂就要上网查阅文献资料、设计手册、设计规范以及DXP电脑制图的教学视频，程序烧写，keil编程软件的运用也要熟悉。7、 附录 1.主要程序 #include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned long int/tab1 段选；tab2 位选;tab3带小数点的段选 uchar code table=0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6;sbit START=P24;sbit EOC=P25;sbit OE=P26;sbit dot=P10;sbit CLK = P27;void delay(unsigned int z) /延时函数 unsigned int x, y;for(x = z; x 0; x-) for(y = 110; y 0; y-) CLK = CLK; /在延时函数中，给ADC0809送去CLK。void main()uint temp;START=0;OE=0;START=1;START=0;while(1)if(EOC=1