八人抢答器设计报告.docx

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八人抢答器设计报告

八人抢答器设计报告

1Protel应用软件介绍1

1.1protel软件介绍1

1.2绘制简单电路图1

1.3Protel的仿真9

1.4PCB板的制作12

2个人设计（电子琴）19

2.1电子琴简介19

2.2设计图20

2.3PCB22

2.43D图23

3小组设计23

3.1八人抢答器（原理图）23

3.3元件数目见附录A25

3.4各元件的识别及测量25

3.5各元件的作用33

3.6生成PCB板34

3.73D图34

3.8手工焊接设备35

3.9设计过程中的问题41

实训总结43

谢辞45

参考文献46

附录A47

1Protel应用软件介绍

Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。

因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。

最新版本的Protel软件可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel（PCAD）等知名EDA公司设计文件，以便用户顺利过渡到新的EDA平台。

　Protel99SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。

1.1protel软件介绍

1.1.1电路原理图的设计

电路原理图的设计主要是PROTEL099的原理图设计系统（AdvancedSchematic）来绘制一张电路原理图。

在这一过程中，要充分利用PROTEL99所提供的各种原理图绘图工具、各种编辑功能，来实现我们的目的，即得到一张正确、精美的电路原理图。

1.1.2产生网络表

网络表是电路原理图设计（SCH）与印制电路板设计（PCB）之间的一座桥梁，它是电路板自动的灵魂。

网络表可以从电路原理图中获得，也可从印制电路板中提取出来。

1.1.3印制电路板的设计

印制电路板的设计主要是针对PROTEL99的另外一个重要的部分PCB而言的，在这个过程中，我们借助PROTEL99提供的强大功能实现电路板的版面设计，完成高难度的等工作。

1.2绘制简单电路图

打开桌面Protel的图标（

），点击File中的New，出现以下对话框如图1.1：

图1.1进入protel

在DatabaseFileNa后可以改变新建的文件名，例如：

要以人名命名可以更改为xxx.ddb（xxx为人名）.

图中默认的保存地址是桌面，如果想改变保存地址可以点击Browes，然后可以选择自己需要的保存地址，最后点击OK键。

打开新建文件

，点击File中的New，出现下图1.2：

图1.2选择作图类型

选择对话框中的

。

将新建文件重新命名例如：

要以人名命名可以更改为XXX.ddb（XXX为人名）。

打开文件，出现图1.3：

图1.3画图页面

可以用

，对图按照自己的需求进行放大或缩小

选取画图所需的元件如图1.4：

图1.4放大画图页面

在设计管理器中选择BrowseSch页面，对话框如图1.5：

图1.5加库

双击Sim.ddb将其加入selected　Ｆiles中按OK键可以进行画图。

在Browse中元件管理库中可以根据与自己需要选择在SinalationSymblos.lib库中可以选择电阻，电容，电源等元件，可以在OPAmp.Lib库，选择运算放大器，可以在BJT.Lib库中选择任意型号的三极管。

在图1.6工具栏中可以选择其它元件

图1.6工具栏

通过这些元件选择库，我们就可以完成所画的图

选择元件移至图中：

在元件选择库中单击所需元件然后点击PLACE就可以将所需元件放置图中所需要放置的位置。

旋转元件：

点击元件，然后点击空格键可以改变元件的方位。

删除元件

将元件选中，双击工具栏中的CUT其符号是

，就可以将元件删除。

在Protel99SE中有如下仿真元器件库：

7SEGDISP.Lib：

七段数码管库。

74xx.Lib：

通用74系列数字集成电路库。

BJT.Lib：

双极型三极管。

BUFFER.Lib：

缓冲器库。

CAMP.lib：

电流放大器库。

CMOS.Lib：

CMOS数字集成电路库。

DIODE.Lib：

二极管库。

REGOLATOR.Lib：

稳压电源库。

包括7805，7812，LM317，TL431。

RELAY.Lib：

继电器库。

SCR.Lib：

晶闸管库。

SimulationSymbols.lib：

基本仿真元器件库。

包括电阻，电容，电感，各

电源等。

TIMER.Lib：

时基电路库。

TUBE.Lib：

电子管库。

UJT.lib：

单结晶体管库。

TRIAC.lib：

双向晶闸管库。

SWITCH.lib：

开关元器件库。

OPAMP.lib：

运算放大器库。

JFET.lib：

结型场效应晶体管。

选择SimulationSymbols/.lib，查看基本仿真元器件。

CAP：

电容。

CAP2：

电解电容。

INDUCTOR：

电感。

RES：

电阻。

VSRC：

直流电压源。

VSIN：

正弦电压源。

VPULSE：

脉冲电压源。

原理图的画法

下面将以图1.7为例，叙述其画图过程。

图1.7原理图

先将我所需要的元件移至图中，其中要将

变成

，需要双击符号

，出现以下对话框如图1.8：

图1.8变换GND与VCC页面

将Net后的GND变成VCC,将Stvle后的PowerGround变成Bar。

如需将

变成

，只需要将其改回来即可。

元件已经移好了，需要连线、先点击工具栏中的符号“

”，然后将鼠标指向欲连接端点,使其出现小圆点,按住鼠标左键拖拽出一根导线并指向欲连接另一个端点,使其出现小圆点,放开鼠标键,则完成连线。

通过这种方法，将需要的元件一个一个用线连接起来，图中需要有节点的地方只需要用鼠标在需要节点的地方双击就可以形成节点了，节点的符号是

最后可以形成结点。

接下来我们要设置元件，例如设置元件的大小，名称。

如图我们要设置上图左上角的电阻我们可以双击R？

出现以下对话框见图1.9：

图1.9设置电阻对话框

将Text后的R?

根据要求改成R1，如果要改变其电阻的大小，可以双击RES.出现下列对话框见图1.10：

图1.10改变电阻大小对话框

将Tvbe后的RES根据原图要求变成其规定大小18K。

通过上述方法可以随自己需要改变所需电阻的序号，也可以随自己需要改变其大小，运算放大器的设置与此类似。

通过其方法将其它元件一一设置。

然后通过工具栏中的

将所需要的字母标在图中，先点击

移至图中，后按键盘上的Tab键，会出现以下对话框见图1.11：

图1.11添加标号

在Net后输入自己所需要的字母，将其移到图中正确的位置，经过以上的程序，就可以完成基本的电路原理图了。

当图画完时，需要检查图的对错需要点击TOOLS中的ERC…,出现下列对话框见图1.12：

图1.12校正错误对话框

点击OK键，如果没有错误的话，可以出现图1.13表示无错误。

图1.13没有错误

出现图1.15后就可以进行仿真了。

1.3Protel的仿真

打开将要仿真的图，根据要求对元件进行标识、赋值（或选择模型）：

双击元器键打开其特性对话框见图1.14：

图1.14选择电阻值外形对话框

选择PartFieldsM根据题目要求改变其所需的值。

设置完成后，点击工具栏中的Simulate\setup。

会出现下列对话框如图1.15：

图1.15仿真对话框

将上图对话框中的Showactivesign选定，将AvailableSignals中的BCEINOUTVCC通过

移至ActiveSignals。

设置完成后点击RunAnalyses后，出现仿真后的图1.16：

图1.16仿真

仿真分析

Protel中支持的电路分析类型有：

静态工作点分析，交流小信号分析，瞬态分析，傅立叶分析，噪声分析，直流分析，参数扫描分析，温度扫描分析和蒙特卡罗分析。

可用于仿真的电路，必须满足以下条件：

首先，必须用仿真库中的器件（或用户自己建的器件仿真模型和器件符号）搭成电路，仿真库在\\DesignExplorer99SE\Library\Sch\Sim.ddb文件中。

其次,必须有激励源；对所关心的节点建立网络标号；如需要，设定初始条件。

仿真（Simulation）菜单项

1、Run

运行仿真命令，与工具条上的

按钮，如想终止仿真过程，（

）按钮。

2、Sources

此子菜单罗列出了较常用的激励源。

我们在搭电路时，可以从这里找到常用的直流信号源、正弦信号源、脉冲信号源。

除了这些常用的信号源外，Protel99SE还支持指数源、分段线性源、单频率调频源、多项式源。

下面将分别介绍：

正弦源（Sin）双击正弦源，就可以看到它的属性选项。

如图1.17：

图1.17交流仿真

DCMagnitudeDC幅度（忽略）

ACMagnitudeAC幅度（交流小信号分析时，通常为1V）

ACPhaseAC相位

DCMagnitude

DC幅度（忽略）

ACMagnitude

AC幅度（交流小信号分析时，通常为1V）

ACPhase交流相位

InitialValue初始电压

PulsedValue脉冲电压值

TimeDelay延迟时间

RiseTime上升时间

FallTime下降时间

Phase脉冲相位

Period脉冲周期

在Protel99SE中，脉冲电压源为VPULSE，脉冲电流源为IPULSE。

3、CreateSPICENetlist

建立SPICE网表，Protel99SE在仿真之前要生成网络表文件，然后传递给SPICE去仿真。

4、Setup

仿真设置。

仿真设置是否合理，直接影响到仿真结果。

下面我们将对仿真参数设置加以说明。

1.4PCB板的制作

标识、赋值、封装（或选择模型）元件：

双击元件打开其特性对话框会出现对话框见1.18：

图1.18封装电阻对话框

在Footorint后进行封装，不同元件封装形式也各不相同，下面是几个常用元件的封装：

电阻：

RES1，RES2，RES3，RES4；封装属性为axial系列

无极性电容：

cap;封装属性为RAD-0.1到rad-0.4

电解电容：

electroi;封装属性为rb.2/.4到rb.5/1.0

二极管：

封装属性为diode-0.4（小功率）diode-0.7（大功率）

三极管：

常见的封装属性为to-18（普通三极管）to-22（大功率三极管）to-3（大功率达林顿管）

电源稳压块有78和79系列；78系列如7805，7812，7820等

79系列有7905，7912，7920等常见的封装属性有to126h和to126v

整流桥：

BRIDGE1,BRIDGE2:

封装属性为D系列（D-44，D-37，D-46）

电阻：

AXIAL0.3-AXIAL0.7其中0.4-0.7指电阻的长度，一般用AXIAL0.4

瓷片电容：

RAD0.1-RAD0.3。

其中0.1-0.3指电容大小，一般用RAD0.1

电解电容：

RB.1/.2-RB.4/.8其中.1/.2-.4/.8指电容大小。

一般<100uF用RB.1/.2,100uF-470uF用RB.2/.4,>470uF用RB.3/.6

二极管：

DIODE0.4-DIODE0.7其中0.4-0.7指二极管长短，一般用DIODE0.4

发光二极管：

RB.1/.2

集成块：

DIP8-DIP40,其中8－40指有多少脚,8脚的就是DIP8

贴片电阻0603表示的是封装尺寸与具体阻值没有关系，但封装尺寸与功率有关通常来说如下：

02011/20W

04021/16W

06031/10W

08051/8W

12061/4W

电容电阻外形尺寸与封装的对应关系是：

XIAL0.3元件封装，而功率数大一点的话，可用AXIAL0.4。

0402=1.0mmx0.5mm

0603=1.6mmx0.8mm

0805=2.0mmx1.2mm

1206=3.2mmx1.6mm

1210=3.2mmx2.5mm

1812=4.5mmx3.2mm

2225=5.6mmx6.5mm

零件封装是指实际零件焊接到电路板时所指示的外观和焊点的位置。

是纯粹的空间概念因此不同的元件可共用同一零件封装，同种元件也可有不同的零件封装。

像电阻，有传统的针插式，这种元件体积较大，电路板必须钻孔才能安置元件，完成钻孔后，插入元件，再过锡炉或喷锡（也可手焊），成本较高，较新的设计都是采用体积小的表面贴片式元件（SMD）这种元件不必钻孔，用钢膜将半熔状锡膏倒入电路板，再把SMD元件放上，即可焊接在电路板上了。

关于零件封装我们在前面说过，除了DEVICE。

LIB库中的元件外，其它库的元件都已经有了固定的元件封装，这是因为这个库中的元件都有多种形式：

以晶体管为例说明一下：

晶体管是我们常用的的元件之一，在DEVICE。

LIB库中，简简单单的只有NPN与PNP之分，但实际上，如果它是NPN的2N3055那它有可能是铁壳子的TO—3，如果它是NPN的2N3054，则有可能是铁壳的TO-66或TO-5，而学用的CS9013，有TO-92A，TO-92B，还有TO-5，TO-46，TO-52等等，千变万化。

  还有一个就是电阻，在DEVICE库中，它也是简单地把它们称为RES1和RES2，不管它是100Ω还是470KΩ都一样，对电路板而言，它与欧姆数根本不相关，完全是按该电阻的功率数来决定的我们选用的1/4W和甚至1/2W的电阻，都可以用A

现将常用的元件封装整理如下：

  电阻类及无极性双端元件AXIAL0.3-AXIAL1.0;无极性电容RAD0.1-RAD0.4有极性电容RB.2/.4-RB.5/1.0/

  二极管　DIODE0.4及DIODE0.7/石英晶体振荡器　XTAL1/晶体管、FET、UJT　TO-xxx（TO-3,TO-5）/

  可变电阻（POT1、POT2）　VR1-VR5.

  当然，我们也可以打开C:

\Client98\PCB98\library\advpcb.lib库来查找所用零件的对应封装.这些常用的元件封装，大家最好能把它背下来，这些元件封装，大家可以把它拆分成两部分来记如电阻AXIAL0.3可拆成AXIAL和0.3，AXIAL翻译成中文就是轴状的，0.3则是该电阻在印刷电路板上的焊盘间的距离也就是300mil,因为在电机领域里，是以英制单位为主的。

  同样的，对于无极性的电容，RAD0.1-RAD0.4也是一样；对有极性的电容如电解电容，其封装为RB.2/.4，RB.3/.6等，其中“.2”为焊盘间距，“.4”为电容圆筒的外径。

对于晶体管，那就直接看它的外形及功率，大功率的晶体管，就用TO—3，中功率的晶体管，如果是扁平的，就用TO-220，如果是金属壳的，就用TO-66，小功率的晶体管，就用TO-5，TO-46，TO-92A等都可以，反正它的管脚也长，弯一下也可以。

对于常用的集成IC电路，有DIPxx，就是双列直插的元件封装，DIP8就是双排，每排有4个引脚，两排间距离是300mil,焊盘间的距离是100mil。

SIPxx就是单排的封装。

等等。

 我们注意的是晶体管与可变电阻，它们的包装才是最令人头痛的，同样的包装，其管脚可不一定一样。

例如，对于TO-92B之类的包装，通常是1脚为E（发射极），而2脚有可能是B极（基极），也可能是C（集电极）；同样的，3脚有可能是C，也有可能是B，具体是那个，只有拿到了元件才能确定。

因此，电路软件不敢硬性定义焊盘名称（管脚名称），同样的，场效应管，MOS管也可以用跟晶体管一样的封装，它可以通用于三个引脚的元件。

Q1-B，在PCB里，加载这种网络表的时候，就会找不到节点（对不上）。

在可变电阻上也同样会出现类似的问题；在原理图中，可变电阻的管脚分别为1、W、及2，所产生的网络表，就是1、2和W，在PCB电路板中，焊盘就是1，2，3。

当电路中有这两种元件时，就要修改PCB与SCH之间的差异最快的方法是在产生网络表后，直接在网络表中，将晶体管管脚改为1，2，3；将可变电阻的改成与电路板元件外形一样的1，2，3即可。

封装的处理是个没有多大学问但是颇费功夫的“琐事”，举个简单的例子:

DIP8很简单吧，但是有的库用DIP-8,有的就是DIP8.即使对同一封装结构，在各公司的产品Datasheet上描述差异就很大（不同的文件名体系、不同的名字称谓等）；还有同一型号器件，而管脚排序不一样的情况，等等。

对老器件，例如你说的电感，是有不同规格（电感量、电流）和不同的设计要求（插装/SMD）。

真个是谁也帮不了谁，想帮也帮不上，大多数情况下还是靠自己的积累。

这对，特别是刚开始使用这类软件的人都是感到很困惑的问题，往往很难有把握地找到（或者说确认）资料中对应的footprint就一定正确--心中没数！

其实很正常。

我觉得现成“全能“的库不多；根据电路设计确定选型、找到产品资料，认真核对封装，必要时自己建库（元件）。

这些都是使用这类软件完成设计的必要的信息积累。

这个过程谁也多不开的。

如果得以坚持，估计只需要一两个产品设计，就会熟练的。

所谓“老手”也大多是这么“熬“过来的，甚至是作为“看家”东西的。

这个“熬”不是很轻松的，但是必要。

电阻类及无极性双端元件　　　　AXIAL0.3-AXIAL1.0

无极性电容　　　　　　　　　　RAD0.1-RAD0.4

有极性电容　　　　　　　　　　RB.2/.4-RB.5/1.0

二极管　　　　　　　　　　　　DIODE0.4及DIODE0.7

石英晶体振荡器　　　　　　　　XTAL1

晶体管、FET、UJT　　　　　　TO-xxx（TO-3,TO-5）

可变电阻（POT1、POT2）　　　　VR1-VR5

元件的封装可以在设计原理图时指定，也可以在引用网络表时指定。

封装完毕后，就开始制作PCB板

点击File中的New，选择对话框中的

，点击OK，就形成了图1.19：

图1.19PCB主页面

在电路板设计窗口，使用菜单View/ToggleUnits改公制为英制（快捷键Q）；

点击Design中的Options，出现对话框见图1.20：

图1.20设置PCB对话框

将

的

也进行标记

设置第一组可视栅格为1mm,第二组为10mm，再点击子目录中的Options,出现对话框如图1.21：

图1.21PCB栅格设置对话框

将X,Y轴都设为1mm，最后点击OK。

点击Edit中Origin中的Set，在电路板图上放置原点。

工具栏的坐标按钮（

）根据自己需要的大小放置坐标。

用线将坐标连接起来，形成图1.22：

图1.22PCB框图

在Design中点击Load.Nets调出文件，若有错查明原因，返回原理图并修改。

一般遇到的问题是无元件的封装或元件引脚和封装焊盘不对应。

常见错误：

Componentnotfound元件找不着，原因是封装名不正确；Nodenotfound结点找不着，原因是元件引脚和封装焊盘不对应。

无错，执行元件和元件之间的连接关系调入电路板图。

然后手工把元件拉入所画板子范围中，将元件人工排列在电路板上，规则是电路输入端在电路板左侧:

输出端在电路板的右侧；元件和元件之间的连线最短；安装元件之间不能互相干涉。

设置布线层,铜膜走线宽度,若为单层板，在Design/Rules中的RoutingLayers设走线层，若为双层板,不用设置，使用默认值就可以。

一般走线宽度为10mil（0.25mm），电路源和地线应该宽一些。

在Design/Rules中的WidthConstraint增加规则。

元件

一切设置结束后，就可以启动AutoRoute/All菜单，进行自动布线，在布线完成对话框中观察布线的布通率，若为100%，就说明全部完成。

若不能100%布通，则使用菜单Tools/Un-Route/All取消布线回到预拉线状态重新布置元件，调整线宽后在布线。

点击View中的Broadin3D,出现图1.23：

图1.23生成的PCB板图1.24

可以通过图1.24观看电路板不同方位的样子。

2个人设计（电子琴）

2.1电子琴简介

电子音调,是现代电子科技与音乐结合的产物,它在现代音乐中扮演着重要的角色。

目前,由于电子音乐的普及,电子音调合成器（合成器实际上是一台声音的频率合成仪,可以制作各种声音,改变各种音色）可以解决相当一部分的歌唱及舞厅的伴奏问题。

本文的主要内容是用AT89C51单片机为核心控制元件,设计一个能发出电子音调的简易电子琴。

2.1.1设计目标

由于本设计主要用于人们娱乐方面，因此在设计上尽量使其安全以及简单易操作。

其次，在这次设计可行性上进行分析如下：

1、经济可行性：

所谓经济可行性，即在这次设计上需要投入资金的多少，由于毕业设计是没有项目资金，没有开发经费，因此在经济上必须能够承受，比较理想化的项目对于我们毕业设计来说是不可行的。

通过分析后，无论是在器件价格或是常见度上均是可行的。

2、技术可行性：

技术可行性主要是分析技术条件上是否能够顺利开展并完成开发工作，硬件、软件能否满足设计者的需要等。

通过分析各种软件环境，硬件仿真环境等均已经具备。

2.1.2设计方案

采用AT89C51单片机进行控制。

单片机工作于12MHZ时钟频率，使用其定时/计数器T0，工作模式为1，改变计数值TH0和TL0可以产生不同频率的脉冲信号。

该设计具有11个音节的键盘，用户可以根据乐谱在键盘上进行演奏，音乐发生器会根据用户的弹奏，通过扬声器将音乐播放出来。

由于本例实现的音乐发生器是由用户通过键盘输入弹奏乐曲的，所以节拍由用户掌握，不由程序控制。

用单片机产生的音频脉冲直接驱动扬声器并不能产生所要实现的音乐，因为它没有足够的驱动能力，这就需要音频功率放大电路。

本例使用国家半导体公司的低压音频功率放大器LM386来实现音频功放电路。

2.1.3主要元件介绍

1、AT89C51:

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

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指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案

AT89C51主要特性：

与MCS-51兼容

4K字节可编程FLASH存储器

寿命：

1000写/擦循环

数据保留时间：

10年

全静态工作：

0Hz-24MHz

三级程序存储器锁定

128×8位内部RAM

32可编程I/O线

两个16位定时器/计数器

5个中断源

可编程串行通道

低功