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【可编辑】武汉理工通信Protel课程设计.doc

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可编辑 编辑 武汉理工 通信 Protel 课程设计
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武汉理工大学《Protel 应用课程设计》 课程设计任务书 学生姓名: 专业班级: 指导教师: 刘新华 工作单位: 信息工程学院 题 目: Protel 应用课程设计—51 单片机外围电路设计 初始条件: (1)可选元件:二极管、三极管、电阻、电位器、电容若干;51 单片机、+5V 直流 电源 (2)可用仪器:示波器,万用表 (3)仿真软件:Protel DXP 2004 要求完成的主要任务: (1)使用 protel 制作 51 单片机外围电路的电路原理图 (2)使用 protel 制作 51 单片机外围电路的 PCB 图 (3)使用 protel 进行电路仿真设计 时间安排: (1)第 1-3 周:选题及任务安排。 (2)第 4-10 周:方案选择及设计。 (3)第 11-16 周:仿真及 PCB 制作(鉴主 13 楼计算机实验室) 。 (4)第 17-18 周:撰写报告及答辩。 指导教师签名: 年 月 日 系主任(或责任教师)签名: 年 月 日 武汉理工大学《Protel 应用课程设计》 目录 摘 要 I ABSTRACT.II 1.设计任务与要求 .1 1.1 设计任务 1 1.2 设计要求 1 1.3 各模块实现方案 1 1.3.1 数码管选择 .1 1.3.2 温度测量模块的选择 1 1.3.3 串口通信模块的选择 2 1.3.4 系统总体设计框图 2 2.系统硬件设计与参数计算 3 2.1 单片机最小系统 3 2.2 矩阵键盘 4 2.3 数码管显示电路设计 5 2.4 串口通信电路设计 5 2.5 DS18B20 模块电路设计 6 3 电路原理图绘制 7 3.1 DXP 绘制电路原理图 .7 3.2 DXP 绘制 PCB 图 10 3.2.1 加载网络表 .10 3.2.2 PCB 板的排版 .11 3.2.3 PCB 板的布线 .12 4.系统电路仿真 13 4.1 数据输入和双机通信仿真 13 4.2 温度检测模块仿真 13 5.心得体会 14 参考文献 14 附录 15 武汉理工大学《Protel 应用课程设计》 摘 要 51 单片机是目前应用最广泛的 8 位单片机之一,其代表型号是 ATMEL 公司 的 AT89 系列,它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有 51 系列的 兼容机型推出,在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51 单片机 是基础入门的一个单片机,还是应用最广泛的一种。因此,作为新世纪的大学 生,在信息产业高速发展的今天,掌握单片机的基本结构、原理和使用是非常 重要的。 本作品采用 STC89C52 芯片作为单片机主芯片,具有矩阵键盘、温度计、串 口通信等功能模块,各功能模块之间可有按键控制相互切换。数据输入可通过 矩阵键盘依次输入数据显示于数码管;串口通信模块可实现双机通信;温度计 可实时显示当前环境温度。 Protel DXP 2004 将项目管理方式、原理图和 PCB 图的双向同步技术、多 通道技术、自动布线技术以及强大的电路仿真的技术完美的融合在一起。Protel DXP 提供了丰富的元件库,包括原理图符号。PCB 封装、SI 模型及仿真模型, 可以方便地进行同步修改。这次课程设计主要要求掌握原理电路图设计、PCB 设计和仿真。 关键字:STC89C52,数据输入,温度,Protel DXP,PCB 设计工具,原理图设 计 武汉理工大学《Protel 应用课程设计》 Abstract 51 SCM is currently the most widely used one of the 8-bit microcontroller, and its representative model is the ATMEL AT89 series, it is widely used in industrial control systems. At present, many companies have 51 series compatible launch, will occupy a lot of the market at present and the future for a long period of time. 51 SCM is one of the fundamentals of SCM is still the most widely used one. Therefore, as the college students of the new century, the rapid development of information industry, to grasp the basic structure, principles and use of the microcontroller is very important. This work is STC89C52 chip as the main microcontroller chip, matrix keyboard, double-machine communications ,thermometer, function modules, between the button control for switching between the various functional modules. Data input through the keyboard matrix of input data is displayed on the digital tube; serial communication module can achieve double-machine communications thermometer can be real-time display of the current ambient temperature. Protel DXP 2004 combine Project management, the PCB and schematic map of the two-way synchronization technology, multi-channel technology, automatic routing technology and a strong circuit simulation technology together perfectly. Protel DXP provides a rich library, including the principle of symbols. PCB package, SI model and simulation model can easily synchronize edits. The main demands of the curriculum design master principle circuit design, PCB design and simulation. KeyWords:STC89C52 ,Data input Thermometer ,Protel DXP,PCB design tools, schematic design 武汉理工大学 Protel 课程设计 1.设计任务与要求 1.1 设计任务 1.一个 4X4 的矩阵键盘,其中,10 个按键是 0~9 数字键;另外 6 个是功能键,用于功能 选择和控制。要求通过功能选择键,使得单片机处于不同的工作状态并通过 LED 显示相 应的内容。 2.由 6 个 7 段 LED 数码管组成的显示电路。 3.利用 DS18B20 可编程 1-Wire 数字温度传感器芯片,或利用 AD590 温度传感器芯片和 A/D 转换器芯片采集温度温度信号。要求通过功能选择键选择温度检测、显示后, LED 显示温度值。 1.2 设计要求 1. 使用 Protel 制作该 51 单片机外围电路的电路原理图 2. 使用 Protel 制作该 51 单片机外围电路的 PCB 图 3.使用 Protel 对该 51 单片机外围电路进行仿真 1.3 各模块实现方案 1.3.1 数码管选择 本作品选用共阴数码管作为数码管显示的载体,51 单片机 I/O 口不需要提供电流,可用 两片 74HC573 来驱动数码管显示。由于市面上购买不到 6 位数码管,所以六位数码管由 一个四位数码管和一个二位数码管组合使用。 1.3.2 温度测量模块的选择 本作品选用 DS18B20 可编程 1-Wire 数字温度传感器芯片,集成度高,单总线模式与相 比系统电路相对简单。 武汉理工大学 Protel 课程设计 1.3.3 串口通信模块的选择 本作品选用 MAX232 电平转换芯片与 9 针串口插座构成串口通信模块。 1.3.4 系统总体设计框图 图 1.1 系统框图 本作品采用 STC89C52 芯片作为单片机主芯片,具有矩阵键盘、温度计、数据输入、串 口通信等功能模块,各功能模块之间可有按键控制相互切换。六位数码管显示模块经由按 键控制,在数据输入和温度计示数显示功能之间切换。 STC8952单 片 机 串 口 通 信 模 块六 位 数 码 管显 示 模 块DS18B20温 度 测 量 模 块矩 阵 键 盘 武汉理工大学 Protel 课程设计 2.系统硬件设计与参数计算 2.1 单片机最小系统 图 2.1 单片机最小系统 单片机最小系统由 STC89C52、复位电路、晶振组成,P0 口接上拉电阻(10K 排阻) 。 武汉理工大学 Protel 课程设计 2.2 矩阵键盘 图 2.2 矩阵键盘电路图 本作品矩阵键盘采用 4×4 矩阵键盘设计,由四行四列 16 个按键组成。矩阵键盘的 工作原理是:从 0 行开始,顺序行扫描,即该行输出为 0。每扫描一行,读入列线数据, 从 0 开始,列检查,找该行输出为 0 的列,若无,则顺序扫描下一行,并检查其各列;若 找到某列线为 0,则该列与检查行交叉的按键为被按下的键。从 0 行 0 列开始,顺序将按 键编号,就可以按扫描的值得到按键的值。本设计使用的是 4 个独立按键,其功能设置为 时间的显示、时间的设置、温度的显示和数字频率的显示。 此外还要消除按键在闭合或断开时的抖动。消除抖动的方法可采用消抖电路(RS 触发 器闩锁电路硬件消除抖动) ,也克采用延时方式软件消除抖动(延时后再重读,以跳过抖 动期) 。在矩阵键盘中,通常采用软件消除抖动。 武汉理工大学 Protel 课程设计 2.3 数码管显示电路设计 图 2.3 数码管显示电路图 根据设计需要,本次选用共阴极数码管。由于一个数码管不能实现多位数显示,同时 从节省 I/O 端口考虑,结合数电知识,利用两片 74HC573 扩展单片机的 IO 口,两片 74HC573 的输出分别接 6 位 7 段共阴数码管的段选端和公共端。 74HC573 是 8 数据锁存器。主要用于数码管、按键等等的控制,其输出受输出允许端 OE 和锁存允 许端 LE 的控制,当 LE 为高时锁存器输出为高阻态,当 OE 为低,LE 也为低时,输入端的信号输出 到输出端。在这里,使用两片 74HC573 的目的是为了扩展 IO,达到时分复用单片机 P0 口的目的。输 出端与 6 位 7 段阴数码管相连,共同组成数码管显示电路。 2.4 串口通信电路设计 图 2.4 串口通信电路 武汉理工大学 Protel 课程设计 串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议(不要与通用串行总线 Universal Serial Bus 或者 USB 混淆) 。大多数计算机包含两个基于 RS232 的串口。串口同时也是仪 器仪表设备通用的通信协议;很多 GPIB 兼容的设备也带有 RS-232 口。同时,串口通信协 议也可以用于获取远程采集设备的数据。 串口通信的概念非常简单,串口按位(bit)发送和接收字节。尽管比按字节 (byte)的并行通信慢,但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。 它很简单并且能够实现远距离通信。比如 IEEE488 定义并行通行状态时,规定设备线总常 不得超过 20 米,并且任意两个设备间的长度不得超过 2 米;而对于串口而言,长度可达 1200 米。 典型地,串口用于 ASCII 码字符的传输。通信使用 3 根线完成:(1)地线, (2)发 送, (3)接收。由于串口通信是异步的,端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上 接收数据。其他线用于握手,但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、 停止位和奇偶校验。 MAX232 是电平转换芯片。1970 年,美国电气学会规定“RS232 ”串口通信协议。规 定逻辑“1” ,-5— -15V;逻辑“0” ,+5 — +15V 。噪声容限为 2V。要实现利用串口与单 片机进行通信,就要进行电平转换,把标准转化成单片机可以识别的。MAX220– MAX249 都是电平转换芯片,在单片机最小系统中,使用 MAX232。 2.5 DS18B20 模块电路设计 图 2.5 DS18B20 温度测量模块电路 DALLAS 最新单线数字温度传感器 DS18B20 简介新的“ 一线器件”体积更小、适用电 压更宽、更经济 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS1820 是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建传感 器网络,为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20、 DS1822 “一线总线”数字化温度传 感器 同 DS1820 一样,DS18B20 也 支持“ 一线总线 ”接口,测量温度范围为 -55°C~+125° C,在 -10~+85°C 范围内,精度为±0.5°C。DS1822 的精度较差为± 2°C 。现场温度直接以 武汉理工大学 Protel 课程设计 “一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测 量,如:环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同,新的 产品支持 3V~5.5V 的电压范围,使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜,体 积更小。 DS18B20、 DS1822 的特性 DS18B20 可以程序设定 9~12 位的分辨率,精度为 ±0.5°C。可选更小的封装方式,更宽的电压适用范围。分辨率设定,及用户设定的报警温 度存储在 EEPROM 中,掉电后依然保存。 DS18B20 的性能是新一代产品中最好的!性能 价格比也非常出色! DS1822 与 DS18B20 软件兼容,是 DS18B20 的简化版本。省略了 存储用户定义报警温度、分辨率参数的 EEPROM,精度降低为±2°C ,适用于对性能要求 不高,成本控制严格的应用,是经济型产品。 继“一线总线” 的早期产品后,DS1820 开辟 了温度传感器技术的新概念。DS18B20 和 DS1822 使电压、特性及封装有更多的选择,让 我们可以构建适合自己的经济的测温系统。 3 电路原理图绘制 3.1 DXP 绘制电路原理图 进入 Protel DXP 2004 后,依次点击工具栏上的 File/New/PCB Project,新建一个 后缀名为 prjPCB 的工程文件。 图 3.1 新建 prjPCB 工程文件 接下来在刚建立的 prjPCB 的工程文件下点击 File/New/Schematic 新建一个后缀名为 武汉理工大学 Protel 课程设计 SchDoc 的原理图,建立原理图与工程的关联。 图 3.2 新建原理图 在绘制原理图时,Protel DXP 2004 在工具栏上提供了常用元件的快捷方式,例如电 阻、电解电容、瓷片电容以及常用的与、或、非等组合逻辑门,使用起来很方便。如果要 使用其他元件则可以使用 Place/Part 命令打开元件选择窗口。 若使用的是比较基本的元件可以在 Protel DXP 2004 默认提供的元件库 Miscellaneous Devices.lntLib 中直接浏览。Protel DXP 2004 将元件的原理图符号,元 件描述、封装号以及 SI 仿真模型都集中在一起显示,使用起来很方便,也在一定程度上 避免了 Protel 99 SE 中不知道元件封装号的问题。如果需要修改,可以在 Model Name 框 中自行修改。 武汉理工大学 Protel 课程设计 图 3.3 添加元件 如果是寻找不那么常用的元件可以在元件库管理器中选择 Libraries/Search/Search Libraries 命令,再输入元件名称查找。根据电路要求可以在 DXP 中加载相应的元件库, DXP 中带有非常丰富的元件库,并且按照芯片的生产公司的名称分开放置,便于查找。如 果没有相应的元件,还可以通过 PCB 库文件编辑器来自己编辑。 图 3.4 加载元件库 在依照电路安放好所有元件之后再开始连线。点击工具栏上的 place wire 图标进行 连线操作,将各元件的引脚连接起来。在连线时需要注意导线交叉时是否导通的问题。如 图 3.5 所示,第一条水平导线与竖直导线导通,但在绘图时经常忽略这一点,处理成第二 条水平线。所以在画图时应该在连接处用 Place 菜单下的 ManualJunction 工具添加一个 电气结点。 武汉理工大学 Protel 课程设计 图 3.5 连线时的结点处理 完成所有连线之后,选择 File/New/TextDocument 命令,开启一个数据库文本;再选 择 Project/Project Options 命令设置工程检查参数,在执行 Project/Compile Document 检查系统错误。如果提示错误则返回修改原理图,如果没有错误,则选择 Design/Netlist For Document/Protel 命令生成网络表。 图 3.6 51 单片机外设模块电路原理图 3.2 DXP 绘制 PCB 图 3.2.1 加载网络表 生成网络表之后,就进入了 PCB 板绘制的阶段。选择 File/New/PCB 生成一个后缀为 武汉理工大学 Protel 课程设计 PcbDoc 的文件。PCB 板分为很多层,主要有 Top-Layer、Bottom- Layer、Mechanical、Top Overlay、Keep-Out-layer 和 Multi-Layer。 按步骤设置 PCB 板的 Mechanical 物理边界以及 Keep-Out Layer 电气边界。先执行 Design/Board Sharp/Redefine Board Sharp 命令,此时光变变成十字形。然后在 Mechanical 层面上划定 PCB 板的物理边界,最后在禁止布线层(Keep-Out Layer)上面 划定电器边界。 在正确设置完成 PCB 板之后,在 PcbDoc 文件下选择 Design/Import Changes From 命 令加载网络表(或者在 SchDoc 文件下选择 Design/Update PCB Document 命令) ,屏幕上 显示详细的网络连接信息。点击 Validate Changes 按钮可以检查装入的元件封装、电器 规则以及元件的网络连接是否正确,如果正确,屏幕上将显示绿色打勾标记。再点击 Execute Changes 按钮完成元件网络表的加载。 图 3.7 加载网络表 武汉理工大学 Protel 课程设计 3.2.2 PCB 板的排版 网络表加载完成之后,PCB 根据网络表产生预拉线,在屏幕上会出现排列整齐的所有 元件以及设置过的 PCB 板,然后 PCB 根据预拉线一条一条变为铜膜走线。选定所有的元件 拖至 PCB 板上,然后开始根据符合电气规则和走线最简易化安排元器件的摆放。如下图所 示。 图 3.8 PCB 手动排版 3.2.3 PCB 板的布线 在元件排版完毕之后,就可以进入到最后的布线阶段。本次课设采用了全手动布线方 式,在之前合理的手动布局的基础上,走线会变得更加容易。尽可能加大电源与地平面 的面积,使每个层的走线顺畅,且保证顶层与地层走线相交叉,使干扰减到最小。 武汉理工大学 Protel 课程设计 图 3.9 手动布线后的 PCB 板 4.系统电路仿真 Proteus 软件是英国 Labcenter Electronics 公司出版的 EDA 工具软件(该软件中国总代 理为广州风标电子技术有限公司) 。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能,还能仿真 单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚 起步,但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工 作者的青睐。Proteus 是世界上著名的 EDA 工具(仿真软件 ),从原理图布图、代码调试到 单片机与外围电路协同仿真,一键切换到 PCB 设计,真正实现了从概念到产品的完整设 计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设 计平台,其处理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等,2010 年又增加了 Cortex 和 DSP 系列处理器,并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面, 它也支持 IAR、Keil 和 MPLAB 等多种编译器。 4.1 数据输入和双机通信仿真 武汉理工大学 Protel 课程设计 图 4.1 数据输入仿真图 4.2 温度检测模块仿真 图 4.2 温度计仿真图 如图所示,DS18B20 此时的温度为 38 ,采集测量的温度为 38 。 5.心得体会 Protel 课程设计终于顺利完成了,其中包含着快乐,也有辛酸。本次课程设计有较强 的综合性,不仅要求设计者能灵活使用单片机的各种指令,熟练使用单片计计数器余定时 器,熟练编写结构程序,还要求对电路的原理图绘制及其 PCB 图的绘制达到熟练掌握。 通过不断努力,终于把课程设计要求内容的思路和模型定了下来并开始做 Proteus。通过 一番整理和修改后,仿真成功后准备使用 Altium Designer 对硬件电路进行布局进行 PCB 制板,并且焊接电路板。 在完成课程设计后,我发现自身还有许多不足,所学到的知识还远远不够,以至于还有一 些功能不能被完成。但通过学习这一次实践,增强了我的动手能力,提高和巩固了 Protel 使 用的能力。从中让我认识到把理论应用到实践中去是多么重要。 参考文献 1 《Protel DXP 基础教程》 毛潮土、王茂飞 清华大学出版社 2005 2 《Protel 2004 完全学习手册》 刘文涛 电子工业出版社 2005 3 《Protel DXP 中文版新手上路》 徐建平 上海科学普及出版社 2006 4 《高频电子线路》第四版 张素文 高等教育出版社 2004 5 《通信电子线路》第二版 刘泉 武汉理工大学出版社 2005 武汉理工大学 Protel 课程设计 武汉理工大学 Protel 课程设计 附录 表 7-1 元件清单 元件名称 具体型号 封装号 数量 100nF 0805 2 电容 104 0805 51 1K 0805 1 电阻 10K 0805 1 四脚微动开关 SW-PB SW1 16 发光二极管 LED0 SIP2 1 排针、排母 短脚 SIP2、SIP8、SIP10 若干 9 针串口 DB9 DB9FL 1 温度传感器 DS18B20 TO92A 1 锁存器 74HC573 DIP20 2 电平转换芯片 MAX232 DIP16 1 两位共阴数码管 / CC-2 1 四位共阴数码管 / CC-4 1 武汉理工大学 Protel 课程设计 原理图: 武汉理工大学 Protel 课程设计 PCB 图: 武汉理工大学 Protel 课程设计 仿真电路图: 附件 6: 本科生课程设计成绩评定表 姓 名 性 别 专业、班级 通信 1001 班 课程设计题目:51 单片机外设模块 课程设计答辩或质疑记录: 成绩评定依据: 最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定) 指导教师 签字: 年 月 日
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