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1、目录摘要IAbstractII1.整体设计原理分析11.1设计目的11.2设计思路12.模块功能介绍及其型号选择22.1数码管模块22.2串口通信模块23.电路设计23.1单片机最小系统模块设计23.2矩阵键盘模块设计43.3数码管显示模块设计44.Protel原理图设计54.1新建原理图文件54.2设置画图环境54.3设置元件库64.4画图步骤75.印制版图的设计85.1准备电路原理图与网络表85.2创建PCB文件85.3规划电路板95.4 网络表与元件的装入105.5 PCB布板布局105.6手工布局115.7电路整体效果图136.Multisim & AD电路仿真146.1放置电源及信号
2、源146.2放置网络标号156.3设置仿真参数156.4查看仿真波形156.5仿真结果158.结束语18参考文献19附录一 完整原理图及PCB20摘要51系列单片机是国内目前应用最广泛的一种8位单片机之一，随着嵌入式系统、片上系统等概念的提出和普遍接受及应用。51系列及其衍生单片机还会在继后很长一段时间占据嵌入式系统产品的低端市场，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。而Altium Designer是当前最为流行的PCB制版，模拟电路仿真软件。本作品中采用该软件进行硬件电路原理图及PCB设计制作，最后由proteus进行电路仿真证实
3、了作品原理的可行性。关键字：STC89C51 Altium Designer proteus Abstract51 series is currently the most widely used one of an 8-bit microcontroller with embedded systems, on-chip system concept proposed and universally accepted and applied. 51 single-chip families and derivatives will be in for a long period of time
4、 subsequent occupy the low-end market of embedded system products, therefore, as the new century students, the rapid development in the information industry today, the master microcontroller basic structure, principles and use is very important.The Altium Designer is the current most popular PCB pla
5、te, analog circuit simulation software. The software used in this work for hardware circuit schematic and PCB design, and finally by Proteus for circuit simulation confirmed the feasibility of the principle works.Keywords: STC89C51 Altium Designer Proteus 1.整体设计原理分析1.1设计目的设计一个基于51单片机的计算器系统。并使用Altium
6、 Designer软件进行原理图设计和PCB设计制作。最后对于系统的原理用Proteus进行仿真验证原理的正确性。1.2设计思路首先设计好STC51单片机的最小系统，外接4*4矩阵键盘，分别为数字0-9及各种功能键。由数码管实时显示当前输入或计算结果。整个系统由5V稳压电源供电。如下图1-1为整体系统原理框图：图1-1 系统框图2.模块功能介绍及其型号选择2.1数码管模块功能：数码管在本系统中主要是实时显示输入数据或计算结果。选型： 方案一 ：数码管有共阴、共阳数码管两种；若选用共阴数码管，51单片机I/O不能直接驱动数码管显示，因为电流太小，需要加74LS04/74HC04反相器，提供驱动电
7、流，需要2片芯片控制6个数码管。 方案二：若选用共阳数码管，51单片机I/O口的其灌电流也不能很大，只需一片74HC573锁存器就可以驱动六个数码管显示。综合上述选择方案二。2.2按键模块功能：主要是代表不同数字或功能的输入。选型：直接采用一般使用的按键，构成4*4矩阵键盘，共代表数字0-9及各种功能按键。3.电路设计3.1单片机最小系统模块设计单片机最小系统由STC89C51、复位电路、晶振组成。最小系统在本设计作品中占有重要的地位，一方面提供与外界的交互接口：矩阵键盘。另外通过解码编码形成二进制驱动脉冲，将要显示的数据送到数码管的驱动电路。51单片机含有众多的功能引脚和片外设置，但是根据我
8、们的需求我们只需要使用到51单片机的部分接口，其余的引脚直接悬空处置就行。其中各部分电路的功能如下：1. 晶振电路为51单片机提供脉冲源。2. 复位按键电路为51单片机提供复位功能。3. 其中P1、P0、P2及部分P3口为我们使用到的部分接口。主系统模块在Altium Designer中的设计电路如下图3-1所示：图3-1 单片机最小系统 如图2， 单片机最小系统由STC89C51、复位电路、晶振组成。基于模块化的设计思想，我们根据需要的功能，在最小系统的基础上扩展部分模块即可实现我们所需求的全部功能。但是需要注意的是，在进行模块化设计的时候应该要注意各接口之间的电平兼容性。3.2矩阵键盘模块
9、设计图3-2 矩阵键盘电路图 矩阵键盘由四行四列组成。3.3数码管显示模块设计图3-3 数码管显示电路图数码管显示电路由2个3位的7段数码管和一片锁存器74hc573组成，74hc573为数码管提供足够的电流。数码管的原理部分可能是比较简单的，但是由于数码管本身就是由多段LED组成的因此内部结构较为复杂，在PCB设计制作的时候可能会给布板布线带来很多的麻烦。因此在原理设计的时候部分信号线能够公用就应该尽量共用，这样连线的时候就会比较方便，避免无谓的跳线。4.Protel原理图设计4.1新建原理图文件 (1)在WINDOWS 95/98或NT更高版本界面下双击Altium Designer 图标
10、，点击File(文件)中new项，新建设计数据库。在Browse选项中选取需要存储的文件夹，然后点击OK即可建立自己的设计数据库。（2）使用菜单File/New，在打开的窗口选择Schematic Document图标，建立新原理图文件。（3）将原理图文件打开。4.2设置画图环境（1）使用菜单Design/Option，在如图8所示的窗口中设置图纸尺寸、栅格等内容。Altium Designer中尺寸设置的界面如下图4-1所示： 图4-1 Design/Option菜单显示的Sheet Options页面注意根据原理图的大小，设置图纸尺寸，一般选择A4。同时要选择捕捉栅格（SnapGrid）和
11、电气特性（Electrical Grid）复选框，注意电气栅格的尺寸一定要比捕捉栅格小，而可视栅格可以根据个人的喜好显示或不显示。画图方向一般都是横向。（2）使用菜单Tool/preference中设置图纸移动方式和速度等项内容，见图4-3所示。一般图纸移动方式为Auto Pan Recenter，移动速度为中等。为将原理图中的内容拷贝到文本编辑软件中，应该去掉Add Template to Clipboard前的对号。若是要在标题栏中输入一些内容，就应该在Convert Special Strings前加上对号。光标形状可以根据自己的需要选择。4.3设置元件库必须有元件库才能画图，所以画图前
12、应该在元件库管理器中放置一些元件库。首先进入元件库管理器，然后单击Add/Remove按钮，在出现的窗口选择Design Explorer 99SE/Library/Sch路径，再选择如图9所示窗口下部显示的常用元件库文件。单击OK，就会看到这些选择的元件库已经显示在元件库管理器窗口了。一般常用元件都在miscellaneous Decive.ddb库中。而TTL和CMOS数字集成电路可以在TI Databooks库或NSC Databooks库中查找。运算放大器和稳压电源电路可以在NSC analog.ddb库中查找。如下图4-2所示：图4-2 选择元件库窗口4.4画图步骤画图的简单步骤是（
13、1）首先将所有元件都从库中取出来，放置在图纸上，并且调整好位置。（2）使用连线工具将元件连接起来。（3）设置元件属性。（4）使用Tool/Annotate菜单队元件进行编号。（5）进行电气检查（ERC）。（6）使用Edit/Export to Spread菜单建立元件列表。（7）使用Design/Create Netlist菜单建立网络表，为画电路板图做准备。本次设计所绘制的原理图见附录。5.印制版图的设计5.1准备电路原理图与网络表（1）原理图：如果还没有没有绘制利用上述第4部分与那里图的设计方法绘制。（2）网络表：使用菜单命令Design/Create Netlist创建网络表。网络表是原
14、理图与印制电路板之间的一座桥梁，是印制电路板自动布线的依据。网络表提供了电路的元件清单以及元件之间的互联关系。执行如上命令后，在弹出的对话框中，除了Sheet to Netlist选择Active Sheet外，其余选项均使用默认值。单击OK即可生成与原理图同名的网络表文件*.net。5.2创建PCB文件（1）进入设计文件夹：双击图标Documents（2）进入PCB图设计系统：主菜单File/New后出现一个对话框；选择PCB Document图标；单击按钮OK。（3）双击*.PCB文件图标，打开设计系统窗口5.3规划电路板（1）设定工作层面：执行菜单命令Design/Options后，得到
15、图5-1所示对话框。图5-1 Design/Options页面基本工作层面说明： 信号层（Signal Layers）：用来放置元件、导线等与电气信号有关的电气元素。对于制作双面板而言，要选中顶层铜膜布线面（Top Layers）和底层铜膜布线面（Bottom Layers）。丝印层（Silkscreen）：用于绘制元件的外形轮廓，元件序号和标注字符等。一般选中顶层（Top overlay）即可。防护层（Mask）：自动生成，不选。禁止布线层（Keep Out Layer）：用于规定放置元件和布线的区域。多层面（Multi layer）：用于快速把对象（例如，焊盘和过孔）加入到所有的信号层，选
16、中即可。其它的选项使用默认设置即可。（2）规划电气边界：在禁止布线层（Keep Out layer）进行。首先点击相应的层面标签：然后在此层面上绘制一个区域（一般为方形）。5.4 网络表与元件的装入在*.Sch文件界面下，执行菜单命令Design/Update PCB,会出现一个界面。全部使用默认值。然后单击按钮进入Update Design对话框的Changes选项卡，可以发现更新过程是否存在错误。如果没有错误，单击对话框的按钮Execute即可将本次更新的变动反映的PCB文件中。5.5 PCB布板布局在进行PCB布板之前很重要的一步就是根据模块化的思想进行布局，因为只有在好的布局的前提之下
17、才能够尽可能的减少跳线或是没有必要的绕线。同时在对于微弱信号或是比较容易受干扰的高频信号的电路板中这一点尤为重要。如图5-2为原理图导入PCB设计之后的初步布局图：图5-2 PCB设计初步布局图在上图中可以看到，显示用的数码管模块因为与单片机的接口都在右边因此，将其放在右上角，这样看起来也比较方便。扩展调节模块在旋转之后按矩阵的方式排列在单片机的右侧，但是由于飞线还是很多，这样布线的时候依然会很麻烦，考虑到按键里面原本就有两对脚是连接在一起的因此，可以忽略掉横线的飞线，因为器件里面已经连接。而晶振模块因为体积较小，所以直接放在51单片机的下面，给单片机加上座子之后也能够很方便的安装。如下图5-
18、3是布局图的详细说明： 图5-3 PCB布局详细说明5.6手工布局在上一步已经布局好之后，已经打下一个比较好的基础，现在布线依然按照原来模块化的思想来进行。首先比较重要的事电源模块，因为考虑到在本系统中上图为PCB布线完成之后的效果图，我们根据上图来对本次布线的依据进行详细的说明。1) 因为数码的管的驱动芯片直接使用的是74HC573，是属于数电芯片，较难收到其他信号的干扰，因此在芯片下面大量的走线不会影响芯片的稳定性。而且为了在芯片想下面尽量多的布线，这里我们采用的线宽是15mil。在中可以看见有一根跳线，因为第14脚是电源脚，因此跳线不会影响芯片的稳定性。2) 在芯片下面我们可以看到有一个
19、二脚的直插原件，这里其实并不是原件，而是一根跳线我的想法是直接用一个跳线帽来做跳线就行了。然后为了51单片机安放的时候能够恰好放进去，这里必须要使用弯排针。3) 电源部分因为考虑到数码管以及上面的数字芯片的电流较大，这里对电源部分进行手动铺地处理。在PCB文件中直接使用fill一块一块的拼起来就可以形成一块任意形状的铺地。同时由于电流较大，因此这里所有的电源线的线宽都较大，使用的是35mil的线宽。4) 由上文中已经提到的，在这里虽然现实的是任然有很多的飞线，但是由于按键自身里面已经连接好所以这些线都不需要去管。类似此类的矩阵键盘因为方向性较好，一般来说布局布好之后布线就会变得很容易。5) 像
20、数码管这类原件引脚分布顺序较为混乱，而且引脚本身又较多，因此布线的时候是比较麻烦的，但是依然是有方法可循的。首先是把同一个方向的线布好，而且选择线宽的是有要比较恰当，这里我们使用的依然是15mil的线宽。在把同方向的线布好之后剩下的就是一些可以绕出来的线练好，最后无法直接连接的线，就采用跳线，但是跳线的时候一定要注意方向一致，这样我们在实际制作的时候就不容易漏掉。5.7电路整体效果图如下图5-5为PCB制作完成之后整体效果图（2D）：图5-5 完整PCB效果图如下图5-6为制作完成之后的整体3D效果图：图 5-6 完整设计PCB 3D效果图3D效果图是Altium Designer新增加的功能
21、，跟据3D果图可以更加直观的观察到PCB布板布局存在的问题，方便调整修改。6.Proteus & AD电路仿真6.1放置电源及信号源（1）一般的电源信号源可以从simulate中选择：执行菜单命令Simulate/Soures/。（2）特殊的电源信号源可以从仿真库中sim.ddb中的字库Simulation Symbols.lib中选择。6.2放置网络标号作用：指示信号的测试点或信号输入输出点。方法：利用Place/NetLabel或相应工具条（结合Tab键），放在需要指明节点的附近。6.3设置仿真参数执行菜单命令Simulate/Setup弹出如图十三的对话框。选中工作点分析（Operati
22、on Point Analysis）和暂态分析（Transient Anlysis），其他分析在此不作介绍。然后单击图13标签Transient/Fourier，弹出如图6-1对话框，进行设置。图6-1 参数选择6.4查看仿真波形（1）点击simulate/run，或者单击工具栏按钮。（2）查看*.sdf文件，看是否符合设计意图，决定是否需要修改电路的结构或参数。6.5仿真结果由于Altium Designer仿真效果不是很好 ，而且部分原件的仿真模型不存在，因此在Altium Designer里面的仿真效果并不是很好。以下是我在proteus里面的仿真结果，在下图中可以清楚的看到仿真效果。首
23、先我们仿照我们在Altium Designer中的原理图，在proteus中搭建同样一个基于51单片机的温度检测显示系统。然后将编写的51单片代码生成的hex文件导入到仿真系统的单片机中，进行调试仿真。如下图6-2为我们在proteus中搭建的仿真系统。图6-2 proteus中搭建的仿真系统 在仿真的时候主要的显示部分在输入计算公式，在这里我们只简要的摘取显示系统的数码管显示。 如图6-3所示，演示的是加法运算55+12，得正确的结果67。图6-3 计算器仿真测试效果。8.结束语由于对51单片机比较熟悉，所以当接到protel课程设计任务后我首先就选了个51单片机电路的设计，通过仿真可以看出
24、系统能够实现计算器功能。通过此次课程设计，我即掌握了Protel的一些基本操作，学会了用Protel画原理图、设计印制电路板以及用Protel仿真的方法，也学会了数字电路和模拟电路的分析设计方法。为以后设计更复杂电路奠定了良好的基础。参考文献1查振亚.数字系统设计与开发.湖北：华中理工大学出版社，19992周润景，张丽娜. protel 99 SE原理图与印制电路板设计.北京：电子工业出版社，2008.8 3李东生、张勇、许四毛. Protel 99SE电路设计教程. 北京：电子工业出版社，20074朱定华，黄松，蔡苗. Protel 99 SE原理图和印制板设计.北京：清华大学出版社，2007 5陈汝全电子技术常用器件应用手册2版北京：机械工业出版社，20016余孟尝数字电子技术基础简明教程.2版北京：高等教育出版社，19998谢自美.电子线路设计.实验.测试（第三版）.武汉：华中科技大学出版，2006附录一 完整原理图及PCB完整原理图完整的PCB设计文件