基于51的频率计和温度计测量系统大学课程设计毕业论文.docx

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基于51的频率计和温度计测量系统大学课程设计毕业论文

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

通信1104班

指导教师：

艾青松工作单位：

信息工程学院

题目：

基于51的频率计和温度计测量系统

初始条件

1.一台装有PROTEL软件或以上版本的电脑及使用PROTEL软件绘制电路原理图和印刷电路板的基本技能；

2.模拟、数字、高频、单片机、或者一个具有完备功能的电子电路系统。

要求完成的主要任务：

1.绘制具有一定规模、一定复杂程度的电路原理图*.sch（自选）。

可以涉及模拟、数字、高频、单片机、或者一个具有完备功能的电子电路系统。

2.绘制相应电路原理图的双面印刷版图*.pcb，对电路原理图进行仿真，给出仿真结果（如波形*.sdf、数据）并说明是否达到设计意图。

时间安排

（1）6月23号：

选题及任务安排。

（2）6月24号：

方案选择及设计。

（3）6月25-28号：

仿真及PCB制作（鉴主13楼计算机实验室）。

（4）6月29-30号：

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

AltiumDesigner是业界第一款一体化电子产品设计解决方案，它将设计流程、集成化PCB设计、可编程器件（如FPGA）设计和基于处理器的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，是一种能同时进行原理图、PCB和FPGA设计及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终产品所需的全部功能。

作为电子专业的学生，掌握EDA软件是十分重要的，熟练使用各种EDA软件对以后的学习研究、工作都很有帮助。

本次课程设计主要是设计一个基于51的频率计和温度计测量系统。

通过课程设计，掌握AltiumDesigner的基本使用方法，学会画原理图，进行PCB制作，并给予必要的仿真。

关键词：

AltiumDesigner；原理图；PCB制作；单片机；频率计和温度计

Abstract

AltiumDesigneristheindustry'sfirstunifiedelectronicsdesignsolutionsthatwilldesignflow,integratedPCBdesign,programmabledevices（egFPGA）designandprocessor-basedembeddedsoftwaredevelopmentcapabilitiesintegratedproducts,istheonekindcansimultaneouslyschematic,PCBandFPGAdesignandembeddeddesignsolutionswiththedesignfromconcepttofinalproductallthenecessaryfunctions.

Aselectronicsmajors,masterEDAsoftwareisveryimportant,skilleduseofavarietyofEDAsoftwareforfuturestudyandresearchworkareveryhelpful.

Thiscoursedesignmainlyistodesignameasurementsystembasedon51frequencymeterandthermometer.Throughthecurriculumdesign,graspstheAltiumDesigner,thebasicwayofusingthelearntodrawaschematicdiagram,PCBproduction,andgivethenecessarysimulation.

Keywords:

AltiumDesigner.;Schematicdiagram;Singlechipmicrocomputer;PCBproduction;Thefrequencymeterandthermometer

目录

摘要I

AbstractII

1AltiumDesigner简介1

1.1AltiumDesigner特性1

1.2AltiumDesigner的组成1

1.3AltiumDesigner改进方面2

2系统原理分析3

2电路功能简介及原理分析4

2.1矩阵键盘电路4

2.2DS18B20电路6

2.3最小系统IO口功能及分配6

3PCB设计8

3.1原理图设计8

3.1.1完善原理图11

3.1.2检查电路原理图11

3.2完整的硬件电路图11

3.3PCB设计12

3.3.1PCB板设计工程建立12

3.3.2PCB网络布线13

3.3.3设计规则DRC检查14

3.3.4覆铜编辑及补泪滴处理14

3.4经处理后的PCB板14

4仿真分析16

4.1温度电路仿真16

4.2频率计电路仿真17

4.3频率计前级仿真17

5小结19

参考文献21

附录一22

原件清单列表22

1AltiumDesigner简介

1.1AltiumDesigner特性

AltiumDesigner是美国Altium公司开发的设计电路板软件Protel的升级版本，其沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与ProtelDXP大体相同，为了适应目前高密度和信号高速度的要求新增加了一些功能模块。

在元件库中，整合了以前ProtelDXP版本和Protel99版本等各个版本的库文件，使得用户尤其是初学者使用起来更加方便和容易。

AltiumDesigner6.0是业界首例将设计流程、集成化PCB设计、可编程逻辑器件（如FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终产品所需的全部功能。

AltiumDesigner6.0除了全面继承包括Protel2004在内的先前一系列版本的功能和优点以外，还增加了许多高端功能。

AltiumDesigner6.0拓宽了板级设计的传统界限，全面继承了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程师能将系统设计中的FPGA与PCB设计以及嵌入式设计集成在一起。

AltiumDesigner6.0以强大的设计输入功能为特点，在FPGA的板级设计中，同时支持原理图输入和VHDL硬件描述输入模式；同时支持基于VHDL的设计仿真、混合信号电路仿真、布局前后信号完整性分析；AltiumDesigner6.0的布局布线采用完全规则驱动模式，并且在PCB布线中采用了无网络的SitusTM拓扑逻辑自动布线功能；同时，将完整的CAM输出功能编辑结合在一起。

1.2AltiumDesigner的组成

AltiumDesigner6.0提供了一套完全集成的设计，这些工具让开发者很容易地将设计从概念形成最终的板设计。

AltiumDesigner6.0主要是由以下四大部分组成。

1）原理图设计系统（schematics）：

它主要用于电路原理图的设计，为印制电路板的制作进行前期的准备工作，主要表现了电路的原理链接，相对比较直观。

2）印制电路板设计系统（PCB）：

这部分系统则主要用于印制电路板的设计，印制电路板的生产车间就是根据由它生成的PCB文件进行PCB板的生产的。

3）FPGA系统：

用户可以用它进行可编程逻辑器件的设计，将设计完成后生成的熔丝文件烧录到逻辑器件中，就可以制作具备特定功能的元器件了。

4）VHDL系统：

主要用来进行硬件的编程工作。

1.3AltiumDesigner改进方面

AltiumDesigner6.0解决了大量历史遗留的工具问题。

新版本中更关注于改进测试点的分配和管理、精简嵌入式开发、软设计中智能化调试和流畅的License管理功能。

增强了图形化ERC违规显示。

改进了DirectX图形重建速度。

PCB板机械层设定增加到32层。

可以为FPGA仪器编写脚本等等。

2系统原理分析

本系统电路以STC89C52为控制内核，利用系统内部的定时器、计数器；设计频率计，测试频率的范围1Hz~500kHz，信号幅度范围为0.1V~10V，程序内部自动调节门限时间。

频率显示采用可以数码管显示，另外系统还设计了温度的测量显示。

频率系统先将小信号放大处理后转化成方波信号，进而测量输入信号的频率。

温度模块利用温度传感器将环境温度测量，温度传感器的采用单总线模式，软件方面应该注意时序方面的问题。

矩阵键盘对功能进行切换，以此来达到切换功能。

同时数码管对用户测得的数据进行显示，其系统图如图1所示：

图1系统框图

2电路功能简介及原理分析

由于单片机P0口内部的特殊，为了增加P0口的驱动能力，给单片机P0口添加上拉电阻，最小系统电路如图2所示，STC89C52内部集成ROM，所以EA管脚始终拉高，使能单片机的内部ROM。

图2最小系统电路

有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位。

所以本次设计选用手动复位。

高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。

但是告诉对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。

考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。

合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，本次设计选取12.000M无源晶振接入XTAL1和XTAL2引脚。

并联2个30pF陶瓷电容帮助起振。

2.1矩阵键盘电路

键盘的工作原理：

按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端，矩阵键盘连接方式如图3所示，行线通过上拉电阻接到+5V电源上。

无按键按

下时，行线处于高电平的状态，而当有按键按下时，行线电平与此行线相连的列线电平决定。

图3矩阵键盘电路图

行列扫描法原理：

第一步，使行线为编程的输入线，列线是输出线，拉低所有的列线,判断行线的变化，如果有按键按下，按键按下的对应行线被拉低，否则所有的行线都为高电平。

第二步，在第一步判断有键按下后，延时10ms消除机械抖动，再次读取行值，如果此行线还处于低电平状态则进入下一步，否则返回第一步重新判断。

第三步，开始扫描按键位置，采用逐行扫描，每间隔1ms的时间，分别拉低第一列，第二列，第三列，第四列，无论拉低哪一列其他三列都为高电平，读取行值找到按键的位置,分别把行值和列值储存在寄存器里。

第四步，从寄存器中找到行值和列值并把其合并，得到按键值，对此按键值进行编码，按照从第一行第一个一直到第四行第四个逐行进行编码，编码值从“0000”至“1111”，再进行译码,最后显示按键号码。

2.2DS18B20电路

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域，其电源供电方式如图4所示：

图4DS18B20寄生电源供电方式电路图

DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意：

在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号,程序进入死循环。

这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。

测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。

2.3最小系统IO口功能及分配

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

P3口亦作为AT89C52特殊功能（第二功能）使用。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

RST:

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

根据系统设计及各模块的分析得出，单片机的引脚分配如表1所示。

表1单片机端口分配表

端口

功能

P0.0-P0.7

数码管显示

P1.0-P1.7

矩阵键盘

P2.0-P2.5

数码管通道选择

P3.7

温度测量

P3.5

频率测量

3PCB设计

AltiumDesigner电路原理图的设计流程如图5所示

图5AltiumDesigner电路原理图的设计流程

3.1原理图设计

1点击File/New/Project/PCBProiect出来的结果为：

图6工程新建

2点击PCB_ProjectPrjPCB右键，点击saveproject会弹出一个对话框:

图7保存工程

把工程保存在指定的地方。

在文件名里面可以更改工程的名称。

3File/New/Schematic然后保存，同样的方式，点右键，save,指定保存路径。

4对于设计原理图而言，加库非常关键的。

点击右侧那一栏的libraries，会出来如下对话框：

图8库文件预览

然后点击该对话框的libraries即可出现：

图9安装库

选择Installed选项就可看到系统目前装载了哪些公司的库文件。

选择安装的路径，找到library文件夹即可找到该MiscellaneousConnectors.IntLib和MiscellaneousDevices.IntLib两个集成库，然后选中打开即可添加。

在右侧栏的library里面，找到所需的元器件，双击或者点击第三个按键place+元器件，

即可在放置元器件。

双击原理图里面的元器件即可查看或修改其属性，包括名称，封装，值的大小等等。

也可以在放置元器件时按Tab键进行属性设置，同时在放置原件时按空格

键可反转原件，每次可反转90度。

图10属性设置

最后可点击执行菜单命令【Reports】→【BillsofMaterials】出现“BillsofMaterials”对话框，点击“Export”可以将材料清单输出成*.xls文件。

图11材料清单列表

电气的连接点击place/ware或者点上栏的快捷键，即可出现叉形的标志，当连接到元器件时，会变成米字形，这时可谓连接。

原件自动标识给原理图的中的原件添加标识符是绘制原理图的一个重要步骤，添加标识符有两种方法，一种是手工添加，另一种是自动添加。

手工添加需要一个个编辑，比较繁琐，自动添加比较好，建议用这种方法。

3.1.1完善原理图

依次执行菜单命令【Tools】、【AnnotateSchematics…】、【Schematic】，在弹出的对话框中点击“UpdateChangesList”按钮，弹出“Information”对话框，单击“OK”确认后，再单击“AcceptChanges（CreatECO）”创建ECO文件，关闭对话框，所有元件标号完成。

3.1.2检查电路原理图

带电路原理图绘制完成后，需要对整个工程进行电器检查。

电器规则检查ERC，指利用软件对用户设计的电路进行电器检查。

执行菜单命令【Project】、【CompilePCBProject】来进行ERC检测。

当完成编译参数设置后，就可以对项目进行编译了。

编译后系统都会通过信息面板给出一些错误信息或警告。

没有错误信息或者是放置了“NOERC”标志，信息面板是空的。

如果出现了错误信息，可以通过单击错误信息指针，弹出编译错误面板，双击面板上的错误选项，系统会自动定位错误元件。

3.2完整的硬件电路图

图12完整硬件电路图

3.3PCB设计

3.3.1PCB板设计工程建立

当设计好原理图后，点击Design/updatePCBdoctument即可进入PCB板。

注意在把原理图导入PCB图之前一定要先建立PCB项目并且保存才可以。

图13PCB图

在PCB下面有很多层，我们实验室里面一般做单层板，只能在bottom层布线因而要把top层屏蔽，只需右键点击toplayer/hide即可。

点击Keepoutlayer然后用line画一个框，即为电路板的大小。

当布线超出这框时，元器件即变为绿色，表面违法规则。

Report/measuredistance可以测量板子的尺寸，以便进行调整。

点击place/interactivelyrouting或者点击上栏的快捷按钮即可进行布线。

与设计原理图相似，按Ctrl+鼠标滑轮，可对图形进行放大或缩小，按右键可拖动图形进行查看。

实验室的布线规则一般是手动布线，线的宽度至少30mil.焊盘至少80mil，原件放置图如图14所示。

PCB库的设计：

在PCB设计过程中难免会遇到元件封装库中没有的元件封装，这就需要自己创建PCB元件封装，以满足设计需要，创建新的元件封装主要有两种方法。

一种是手工设计，另一种是利用向导设计。

手工设计比较麻烦，一般采用用向导设计。

Tools/componentwizard即可出现对话框，然后按照提示即可画出所需要的封装。

图14原件放置图

3.3.2PCB网络布线

在PCB板上走线的首要任务就是要在PCB板上走通所有的导线，建立起所有需要的电气连接，这在高密度的PCB设计中很具有挑战性。

在能够完成所有走线的前提下，布线的要求有：

走线长度尽量短和直，在这样的走线上电信号完整性较好；走线中尽量少地使用过孔；走线的宽度要尽量宽；输入输出端的边线应避免相邻平行，平行则容易产生耦合。

自动布线是一个优秀的电路设计辅助软件所必需的功能之一。

对于散热、电磁干扰及高频等要求较低的大型电路设计来说，采用自动布线操作可以大大地降低布线的工作量，同时，还能减少布线时的漏洞。

如果自动布线不能够满足实际工程设计的要求，可以通过手动布线进行调整。

完成元件布局后，点击【AutoRoute】，选择自动布线的策略。

对于双层电路板，单击“All”进入自动布线状态，可以看到PCB上自动布线的全过程，同时显示相应的信息框。

3.3.3设计规则DRC检查

点击【Tools】、【DesignRulesCheck…】，单击对话框中的“Electrical”选项，弹出在线检查一并检查对话框。

勾选相应的选项，单击运行，即可进行DRC检查，其结果或反映在信息面板中。

如果选中了生成报告文件，设计检查结束后，会生成一个有关短路检测、断路检测、安全间距检测、一般线宽检测、过孔内径检测等项目情况报表。

3.3.4覆铜编辑及补泪滴处理

为了增强PCB的抗干扰能力，要对各布线层中的底线网络进行覆铜。

在焊盘或过孔与布线的连接处补泪滴，可以有效加大布线和焊盘之间的连接强度。

3.4经处理后的PCB板

图15PCB底部图

图16PCB顶部图

图17PCB3D图

4仿真分析

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温度电路仿真

DS18B20调试过程中遇到了不能正常读取温度的情况，针对这种情况，查阅了相关资料，发现DS18B20的温度转换在读取温度前都要进行，而不是简单的执行一次，修改完程序之后，温度读取正常。

在读数据时序中应注意的是：

一、开始的时候，控制器应把总线拉低至少以确认读时序的开始；二、控制器读取数据应在之内完成；三、如果没有把总线拉低，在之内，电阻会把总线拉高，从而让控制器读取到数据进行温度模式切换，在温度转换未成功时，初次默认显示的是85摄氏度。

图16温度计仿真

4.2频率计电路仿真

进行频率测量模式切换，按下测频按键开始频率测量。

图17频率测量功能仿真

频率测量是利用单片机定时器和计数器来对1秒时间内的电平下降沿进行计数，但由于单片机自身只能对方波进行频率测量，所以必须对信号进行处理，将信号转换成方波进行测量。

4.3频率计前级仿真

如图18所示，频率前级电路，输入信号经过电容的隔直，去除直流分量，在加场效应管做信号的跟随，提高对输入信号的索取能力，再经三极管的放大；小信号放大后经74HC14/74LS14斯密特触发器整形成方波，当电压输入的幅值较小时方波的占空比维持在50.34%，若持续增大输入的电幅值至10V时，方波的占空比达到47.32%，系统会有一定的误差。

图18频率前级电路仿真

图19频率前级电