武汉理工通信Proel课程设计.docx
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武汉理工通信Proel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
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
升级会员 