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CAD课程设计
《电子线路CAD训练》
课程设计说明书
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目录
1设计目的及背景1
2设计任务1
3设计要求2
3.1项目分析2
3.2设计要求及步骤2
3.2.1设计要求2
3.2.2设计步骤2
4设计方案3
4.1方案论证3
4.1.1由数字电路及芯片构建3
4.1.2由单片机系统及A/D转换芯片构成3
4.1.3方案选择3
4.2单片机的选择4
4.3总体设计及系统原理4
4.4显示驱动部分4
4.5ADC0832的介绍4
4.5.1.引脚及功能介绍4
4.5.2.内容介绍5
4.5.3.芯片的操作方法5
4.6AT89C52的介绍6
4.6.1引脚及功能介绍6
4.6.2内容介绍7
4.6.3芯片的操作方法8
4.7LCD1602的介绍8
4.7.1引脚及功能介绍8
4.7.2内容介绍9
4.7.3芯片操作方法9
4.8原理图及系统硬件设计9
4.8.1时钟电路9
4.8.2转换电路10
4.8.3显示电路10
4.8.4原理图11
5设计小结11
5.1课程设计遇到的问题11
5.2课程设计的收获11
6参考文献12
附录13
附录1：
用ADC0832设计的一路电压表（用LCD1602显示）的设计原理图13
附录2：
用ADC0832设计的一路电压表（用LCD1602显示）的设计PCB图14
附录3：
用ADC0832设计的一路电压表（用LCD1602显示）的设计元件电气图形符号15
附录4：
用ADC0832设计的一路电压表（用LCD1602显示）的设计元件封装图16
附录5:
电气原理图17
1设计目的及背景
近年来计算机技术及微电子器件在工程技术中应用十分广泛。
在此基础上发展起来的智能仪表，无论是在测量的准确性、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用功能方面还是在解决测量技术与控制技术问题的深度及广度方面都有了很大的发展，以一种崭新的面貌展现在人们的面前。
数字电压表（DigitalVoltmeter）简称DVM，它是智能仪器中最常见的，是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。
这种电子测量的仪表之所以出现，一方面是由于电子计算机的应用逐渐推广到系统的自动控制实验研究的领域，提出了将各种被观测量或被控制量转换为数码的要求，即为了实时控制及数据处理的需要;另一方面，也是电子计算机的发展，带动了脉冲数字电路技术的进步，为数字化仪表的出现提供了条件。
所以，数字化测量仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的;同时，为革新电子测量中的繁琐和陈旧方式也催促了它的飞速发展。
如今，它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁。
数字电压表已绝大部分取代了传统的模拟指针式电压表。
因为传统的指针式电压表功能单一、精度低，不能满足数字化时代的需求。
数字电压迄今已有40多年的发展史。
目前，由各种单片机、A/D转换器构成的数字电压表，己被广泛应用于电子及电子测量、工业自动化仪表、自动测试的系统等领域，显示出强大的生命力。
由于电子技术、大规模集成电路及计算机的发展，人们不久就研制出微处理器数字电压表，实现了DVM数据处理自动化和可编程序。
因为带有存储器并使用软件支持，所以可以进行信息处理，可通过标准接口组成自动测试系统。
除了完成原有DVM的各种功能外，还能够自校、自检，保证了自动测量的高标准确度，实现了仪器、仪表的智能化。
当前，智能化仪表法十分速度，而微处理式DVM在智能仪表中占的比重最大，智能化的DVMI 为实现各种物理量的动态测量提供了可能。
在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量。
其中，电压量的测量最为经常。
随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。
另外，由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小灵敏度高、分辨率高、测量速度快等特点而倍受用户青睐。
数字电压表就是基于这种需求而发展起来的，是一种必不可少的电子仪器仪表。
2设计任务
利用单片机AT89C52与ADC0832设计一个一路电压表,将模拟信号0~5V之间的电压值转换成数字量信号,并在LCD1602显示屏上显示,通过虚拟电压表观察ADC0832模拟量输入信号的电压值,LCD1602实时显示相应的数值量。
（1）按照图2-1正确描绘原理图（附件1）；
（2）根据原理图设计PCB图（附件2）；
（3）绘制元件电气图形符号（附件3）和元件封装（附件4）；
（4）编制设计说明书、设计小结。
图2-1用ADC0832设计的一路电压表（用LCD1602显示）的设计
3设计要求
3.1项目分析
采用单片机系统及A/D转换芯片构成方案来实现此项目。
这种方案是利用单片机系统与模数转换芯片、显示模块等的结合后，组成数字电压表。
由于单片机的发展已经成熟，利用单片机系统的软硬件结合，可以组装出应用电路来。
此方案的原理是模数（A/D）转换芯片的基准电压端，被测量电压输入端分别输入基准电压和被测电压。
模数（A/D）转换芯片将被测量电压输入端所采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号，然后通过对单片机系统进行软件编程，使单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号，通过一定的算法计算出被测量电压的值，最后单片机系统将计算好了的被测电压值按一定的时序送入显示电路模块加以显示。
以单片机AT89C52芯片为核心的简单电压测量电路，它由5V直流电源供电。
在硬件方面，通过可变电阻调节输入电压的变化来反映检测到的电压变化。
通过A/D转换后数字量在单片机AT89C52处理在转换成相应的实际电压，通过LCD1602显示器进行显示。
3.2设计要求及步骤
3.2.1设计要求
按系统要实现功能，设计必须达到以下的几个步骤的要求：
（1）主电路系统是由ADC0832，单片机AT89C52和LCD显示屏组成。
（2）ADC0832是模拟数字转换芯片，是将外侧电压信号转换成数字信号，再通过AT89C52处理，再通过LCD显示出来。
3.2.2设计步骤
（1）根据设计要求绘制原理图，根据原理图正确绘制PCB图。
根据资料了解所涉及到的元器件，掌握其性能指标。
包括ADC0832，AT89C52原理图绘制。
（2）绘制元件电气符号，进行元件封装。
具体掌握其封装元器件的步骤并熟练其具体操作。
（3）查找所涉及到的元件，根据线路正确连接。
（4）PCB图完成以后对照原理图检查线路是否连接正确，及时纠正更改错误。
并将其电气图形符号，元件封装整理好。
4设计方案
4.1方案论证
4.1.1由数字电路及芯片构建
这种设计方案是由模拟电路与数字电路两大部分组成，模拟部分包括输入放大器、A/D转换器和基准电压源;数字部分包括计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。
其中，A/D转换器是它的核心器件，它将输入的模拟量转换成数字量。
模拟电路和数字电路是相互联系的，由逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将A/D转换器逐个组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行。
A/D转换结果由计数译码电路变成段码，最后驱动显示器显示出相应的数值。
此方案设计其优点是:
设计成本低，能够满足一般的电压测量。
但设计不灵活，都是采用纯硬件电路，很难将其在原有的基础上进行扩展。
4.1.2由单片机系统及A/D转换芯片构成
这种方案是利用单片机系统与模数转换芯片、显示模块等的结合后，组成数字电压表。
由于单片机的发展已经成熟，利用单片机系统的软硬件结合，可以组装出应用电路来。
此方案的原理是模数（A/D）转换芯片的基准电压端，被测量电压输入端分别输入基准电压和被测电压。
模数（A/D）转换芯片将被测量电压输入端所采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号,然后通过对单片机系统进行软件编程，使单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号，通过一定的算法计算出被测量电压的值,最后单片机系统将计算好了的被测电压值按一定的时序送入显示电路模块加以显示。
此方案不仅能够继承上一种方案的各种优点，还能改进上一种设计方案设计不灵活，难以在原基础上的进行扩展。
4.1.3方案选择
方案2不仅能够继承方案1的各种优点，还能改进方案1设计方案设计不灵活，难于在原基础上进行功能扩展等不足。
经过以上方案设计，决定采用如图4-1所示方案。
图4-1由单片机系统及A/D转换芯片构成的方案图
4.2单片机的选择
本设计选用单片机AT89C52它是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，足够本设计之用，高性能CMOS8位微处理器该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容,功能强大、使用方便的AT80C52单片机适用于许多较为复杂的应用场合。
4.3总体设计及系统原理
数字电压表的整体设计比较简单，包括单片机,ADC0832的芯片和LCD的显示电路组成。
先通过ADC0832芯片将外侧电压信号转换成数字信号，再通过由AT89C52组成的电路处理转换成相应的实际电压，再通过LCD显示电路显示出来。
4.4显示驱动部分
本设计是选用LCD1602显示器进行显示，用来显示电压的数值。
LCD1602显示器成本低，配置灵活与单片机接口简单，在单片机应用系统中广泛应用。
本设计采用LCD1602，它是一种专门用来显示字母，数字和符号等的点阵型的液晶模块。
它由若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔。
LCD1602显示器与AT89C52相连。
4.5ADC0832的介绍
4.5.1引脚及功能介绍
CS：
片选使能，低电平有效
CH0：
模拟输入通道0，或作为IN+/-使用
CH1：
模拟输入通道1，或作为IN+/-使用
GND：
芯片参考0电位（地）DI:
数据信号输入，选择通道控制
DO:
数据信号输出，转换数据输出
CLK:
芯片时钟输入
VCC：
电源输入
图4-2芯片ADC0832引脚图
4.5.2内容介绍
ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0～5V之间。
芯片转换时间仅为32μS，具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。
通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。
4.5.3芯片的操作方法
CS作为选通信号，从CS置为低电平开始，一直到置为高电平结束。
CLK提供时钟信号。
当ADC0832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（SGL、Odd）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。
在完成输入启动位、通道选择之后，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DATA0。
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。
最后将CS置高电平禁用芯片，此时就可以开始读出数据，转换得到的数据会被送出二次，一次高位在前传送，一次低位在前传送，连续送出。
被测信号由ADC0832模拟输入端输入，完成A/D转换后送入单片机，经相应处理后送出显示。
图4-3ADC0832时序图
4.6AT89C52的介绍
4.6.1引脚及功能介绍
图4-4芯片AT89C52引脚图
XTAL1（19脚）：
为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
XTAL2（18脚）：
为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
XTAL1（19脚）：
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2（18脚）：
振荡器反相放大器的输出端。
RST（9脚）：
为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
当振荡器时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
VCC（40脚）和VSS（20脚）：
为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义。
P0：
口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写"1"时，可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1：
是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写"1"，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
与AT89C51 不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
P2：
是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写"1"，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或16位地数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。
P3：
是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入"1"时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能。
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN：
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。
在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
将整个存储器的内容清除。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
AT89C52除了有AT89C51所有的定时/计数器0和定时/计数器1外，还增加了一个定时/计数器2。
4.6.2内容介绍
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89C52为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
4.6.3芯片的操作方法
AT89C52有两种可用软件编程的省电模式，它们是闲散模式和掉电工作模式。
这两种方式是控制专用寄存器PCON 中的PD 和IDL 位来实现的。
PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。
IDL是闲散等待方式，当IDL=1,激活闲散工作状态，单片机进入睡眠状态。
如需要同时进入两种工作模式，即PD 和IDL 同时为1,则先激活掉电模式。
在闲散工作模式状态，中央处理器CPU 保持睡眠状态，而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。
此时，片内随机存取数据存储器和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。
闲散模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。
终止闲散工作模式的方法有两种，一是任何- 一条被允许中断的事件被激活，二是通过硬件复位也可将闲散工作模式终止。
4.7LCD1602的介绍
图4-5LCD1602引脚图
4.7.1引脚及功能介绍
GND：
电源地。
VCC：
接5V电源正极。
V0：
为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
RS：
为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄器。
RW：
为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
E：
端为使能端,高电平
（1）时读取信息，负跳变时执行指令。
DB0-DB7：
为8位双向数据端。
GBVCC:
背光正极。
GBGND:
背光负极。
4.7.2内容介绍
LCD1602是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。
LCD1602液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
注：
为了表示的方便，后文皆以1表示高电平，0表示低电平。
市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。
4.7.3芯片操作方法
（1）选择字模编码所在的存储器（CGROM 或CGRAM）。
（2）将所要显示的字符编码在上述存储器中的存储地址传送给DDRAM，以找到此存储单元。
（3）将存储器内存储的字模编码读取到DDRAM中。
（4）将DDRAM中的字模编码显示到屏幕上对应位置。
4.8原理图及系统硬件设计
4.8.1时钟电路
图4-6时钟电路
如原理图，单片机内部每个部件要想协调一致地工作，必须在统一口令一一时钟信号的控制下工作。
单片机工作所需要的时钟信号有两种产生方式，即内部时钟方式和外部时钟方式。
内部时钟方式:
单片机内部有-一个构成振荡器的增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的片外晶振一起构成自激振荡器。
晶体的震荡频率取12Mhz,晶体震荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快。
4.8.2转换电路
集成模数转换芯片ADC0832实现的A/D转换电路如原理图所示。
被测信号由ADC0832模拟输入端输入，完成A/D转换后送入单片机，经相应处理后送出显示。
图4-7转换电路
4.8.3显示电路
图4-8显示电路
现代化科研和生产体系是以自动化为特征，面向自动化的过程控制及结果的显示，主要是借助于数字和符号的显示器件。
数字仪表显示器件，是将信息读数转换为可视信息的期间，最终以数字形式显示读数的期间。
显示方式和显示器件的选择不仅与读数的清晰、美观与否有直接关系,而且关系到仪表的整机构、电源功率、测量速度、显示时间以及操作维护等技术性能。
1602 液晶是工业字符型液晶，能够同时显示16*2即32个字符。
1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号等，每一个字符都有一个固定的代码。
使用时直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。
它的特点是显示字迹清楚价格相对便宜。
4.8.4原理图
图4-9用ADC0832设计的一路电压表（用LCD1602显示）的原理图
5设计小结
5.1课程设计遇到的问题
首先是对AltiumDesigner（13）的操作上，因为是英文版本，所以学习起来比较麻烦，花了很多时间去上网查资料看视频学习。
其次是对单片机的学习上，单片机采用的是AT89C52，此单片机比AT98C51要好使用，而且稳定的多。
但在具体的课程设计的过程中我也遇到了一些问题，因为是第一次接触到课程设计的内容，所以对此项课程还不是足够的了解，所以感到一开始便感到很吃力，无从下手。
后来反复在网上搜索相关的课程设计文章，大概了解完成此项设计的步骤。
然后就是上网查关于ADC0832以及AT89C52的详细资料。
反复研究其原理图，并在软件上具体操作，从一开始的找不到具体的元器件到后来的运用自如。
画完原理图后再次遇到了一些问题，就是如何进行器件的封装。
于是上网查资料，翻资料以及咨询老师。
最后问题一一被攻克，也收获了一些经验，课程设计完成后还是蛮有成就感的。
最后是在PBC的生成与手动布线上，花了很长时间去看视频学习和看PCB布线教程，包括调整元器件的位置，如何去布线，如何分层布线，如何交互手动布线。
我还尝试了下自动布线，发现自动布线和手动布线的区别就在于，自动布线会贴着
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