武汉理工通信Protel课程设计.docx
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武汉理工通信Protel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：
ProtelDXP2004
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
目录
摘要I
AbstractII
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
2.5DS18B20模块电路设计6
3电路原理图绘制7
3.1DXP绘制电路原理图7
3.2DXP绘制PCB图10
3.2.1加载网络表10
3.2.2PCB板的排版11
3.2.3PCB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
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。
ProtelDXP2004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。
ProtelDXP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，ProtelDXP，PCB设计工具，原理图设计
Abstract
51SCMiscurrentlythemostwidelyusedoneofthe8-bitmicrocontroller,anditsrepresentativemodelistheATMELAT89series,itiswidelyusedinindustrialcontrolsystems.Atpresent,manycompanieshave51seriescompatiblelaunch,willoccupyalotofthemarketatpresentandthefutureforalongperiodoftime.51SCMisoneofthefundamentalsofSCMisstillthemostwidelyusedone.Therefore,asthecollegestudentsofthenewcentury,therapiddevelopmentofinformationindustry,tograspthebasicstructure,principlesanduseofthemicrocontrollerisveryimportant.
ThisworkisSTC89C52chipasthemainmicrocontrollerchip,matrixkeyboard,double-machinecommunications,thermometer,functionmodules,betweenthebuttoncontrolforswitchingbetweenthevariousfunctionalmodules.Datainputthroughthekeyboardmatrixofinputdataisdisplayedonthedigitaltube;serialcommunicationmodulecanachievedouble-machinecommunicationsthermometercanbereal-timedisplayofthecurrentambienttemperature.
ProtelDXP2004combineProjectmanagement,thePCBandschematicmapofthetwo-waysynchronizationtechnology,multi-channeltechnology,automaticroutingtechnologyandastrongcircuitsimulationtechnologytogetherperfectly.ProtelDXPprovidesarichlibrary,includingtheprincipleofsymbols.PCBpackage,SImodelandsimulationmodelcaneasilysynchronizeedits.Themaindemandsofthecurriculumdesignmasterprinciplecircuitdesign,PCBdesignandsimulation.
KeyWords:
STC89C52,DatainputThermometer,ProtelDXP，PCBdesigntools，schematicdesign
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。
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。
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）。
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。
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
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UniversalSerialBus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。
2.5DS18B20模块电路设计
图2.5DS18B20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“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
3.1DXP绘制电路原理图
进入ProtelDXP2004后，依次点击工具栏上的File/New/PCBProject，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，ProtelDXP2004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ProtelDXP2004默认提供的元件库MiscellaneousDevices.lntLib中直接浏览。
ProtelDXP2004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Protel99SE中不知道元件封装号的问题。
如果需要修改，可以在ModelName框中自行修改。
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/SearchLibraries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placewire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。
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/ProjectOptions命令设置工程检查参数，在执行Project/CompileDocument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/NetlistForDocument/Protel命令生成网络表。
图3.651单片机外设模块电路原理图
3.2DXP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PcbDoc的文件。
PCB板分为很多层，主要有Top-Layer、Bottom-Layer、Mechanical、TopOverlay、Keep-Out-layer和Multi-Layer。
按步骤设置PCB板的Mechanical物理边界以及Keep-OutLayer电气边界。
先执行Design/BoardSharp/RedefineBoardSharp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-OutLayer）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/ImportChangesFrom命令加载网络表（或者在SchDoc文件下选择Design/UpdatePCBDocument命令），屏幕上显示详细的网络连接信息。
点击ValidateChanges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ExecuteChanges按钮完成元件网络表的加载。
图3.7加载网络表
3.2.2PCB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3.8PCB手动排版
3.2.3PCB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。
图3.9手动布线后的PCB板
4．系统电路仿真
Proteus软件是英国LabcenterElectronics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
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AltiumDesigner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《ProtelDXP基础教程》毛潮土、王茂飞清华大学出版社2005
2《Protel2004完全学习手册》刘文涛电子工业出版社2005
3《ProtelDXP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
附录
表7-1元件清单
元件名称
具体型号
封装号
数量
电容
100nF
0805
2
104
0805
51
电阻
1K
0805
1
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
原理图：
PCB图：
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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