简易洗衣机控制电路设计--protel课程设计.doc

课 程 设 计2010年7月9日课程设计任务书学生姓名： 刘志雄 专业班级： 通信0806 指导教师： 付琴 工作单位： 武汉理工大学 题 目: 初始条件：电子技术基础知识、电子技术实验室、protel99se软件及以上版本如protel dxp要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1.电路的原理图的设计2.印刷版图的制作3.设计电路的仿真，并给出仿真结果及分析3.设计报告的撰写时间安排：序号阶段内容所需时间1选题，原理方案设计2天2电路原理图、印刷版图的设计、电路的仿真3天3撰写报告1天4答辩1天合计7天指导教师签名： 2010年 7 月 9 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要4abstract51 protel 99se 软件介绍和设计分析51.1 protel 99se软件的介绍61.2 protel99se软件的系统组成61.2.1 电路工程设计部分61.2.2 电路仿真与pld部分62 电路原理设计分析62.1 秒信号产生电路72.2 计时电路82.3 显示电路92.4 状态显示电路92.5 洗衣机电机控制电路113 运用protel 99se绘制原理图123.1启动原理图设计服务器123.2设置原理图设计环境123.3装入所需的元件库133.4放置元件143.5原理图布线153.6编辑和调整153.8生成网络表164 运用protel 99se绘制pcb图174.1 启动印刷电路板设计服务器174.2 规划电路板184.3 设置参数194.4 装入元件封装库194.5 装入网络表204.6 元器件布局204.7 自动布线204.8 手工调整204.9 打印输出印刷电路板图执205 运用protel 99se仿真215.1 仿真的设计流程图215.2 电路仿真215.2.1 生成原理图文件215.2.2仿真器的设置215.2.3仿真器输出的仿真结果225.2.4通过波形了解电路的时序。225.2.5 完善原理图的设计236 心得体会总结247 参考文献25摘要 这次课设是利用protel 99se 这款软件来设计绘制简易洗衣机的控制电路原理图和pcb板，并进行电路仿真。该洗衣机控制电路是基于数字电路定时器的简易控制电路。通过预置洗衣机的洗涤时间来自动的正反转和暂停，并且用不同的指示灯来表示洗衣机的正逆暂停三状态。当到达定时时间后，会自动报警，发出蜂鸣声。同时，用两位数码管来显示预置时间和洗涤剩余时间。具有良好的用户界面。这次设计中，使用了protel 99se绘制原理图、绘制pcb板的图并进行了原理图的仿真，通过电路的原理分析和设计，熟练的掌握了protel 99se的使用技巧，增加对绘制电路板的认识。protel 99se 能够很好的完成电路的原理图绘制，电路的pcb板的制作和电路的仿真，让实验设计能够更好的完成。关键字 protel 99se 简易洗衣机控制电路 原理图 pcb板abstract this lecture is set 99se protel using the software to design drawing simple machine control circuit principle diagram and pcb, and simulation.this washing machine control circuit is based on the summary of digital circuit timer control circuit. the washing machine by preset time to be positive &negative and suspension, and expressed in different light of washing is suspended three state. after the time when we arrived on time, will automatically alarm, beeping. at the same time, with two digital tube to display the presettime and washing time remaining. good user interface.the course is designed to introduce the principle of protel 99se drawing, pcb and schematic diagram of the simulation, through principle analysis and design of the circuit, 99se protel of mastering the skill of drawing board, increase the understanding.protel 99se can very good complete circuit principle diagram, circuit pcb and circuit simulation experimental design, make better able to finish.key words 99se protel simple machine control circuit principle diagram pcb1 protel 99se 软件介绍和设计分析1.1 protel 99se软件的介绍protel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，而是一个具有开放式集成化的设计管理体系、超强的修改于编辑功能、强大的设计自动化系统工具，覆盖了以pcb为核心的整个物理设计。protel99se是应用于windows9x/2000/nt操作系统下的eda设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3d模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层protel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。本次课程设计主要是原理图设计、pcb设计和电路仿真。1.2 protel99se软件的系统组成按照系统功能来划分，protel99se主要包含以下俩大部分和6个功能模块。1.2.1 电路工程设计部分(1)电路原理设计部分（advanced schematic 99）：电路原理图设计部分包括电路图编辑器（简称sch编辑器）、电路图零件库编辑器（简称schlib编辑器）和各种文本编辑器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。 （2）印刷电路板设计系统（advanced pcb 99）：印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器（简称pcb编辑器）、零件封装编辑器（简称pcblib编辑器）和电路板组件管理器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。 （3）自动布线系统（advanced route 99）：本系统包含一个基于形状（shape-based）的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现pcb设计的自动化。 1.2.2 电路仿真与pld部分（1）电路模拟仿真系统（advanced sim 99）：电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。 （2）可编程逻辑设计系统（advanced pld 99）：可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器（waveform）。本系统的主要功能是；对逻辑电路进行分析、综合；观察信号的波形。利用pld系统可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。 （3）高级信号完整性分析系统（advanced integrity 99）：信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析pcb设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。2 电路原理设计分析 路主要分为显示电路、秒脉冲发生电路、计时电路和洗衣机正反转控制电路。显示电路使用的是两个单位的共阴极八段数码管，使用两片74ls48作为数码管译码芯片。秒脉冲发生电路采用了使用成熟广泛的555定时器芯片，通过电脑usb插口供电，产生秒信号，作为各芯片的时钟信号。计时电路使用的是四片十进制可逆计数器74ls192芯片，分别设计为十进制和六进制电路，用于完成时间的定时、计时功能。报警电路和状态显示电路使用的是简单的非门和与非门74ls04、74ls00组成的逻辑组合电路，分别控制蜂鸣器和发光二极管，来实现报警和状态显示。电机控制电路采用了3-8译码器74ls138和与非门电路的组合，实现电机正反暂停状态。其整体电路图如图2所示：图2 电路总原理图2.1 秒信号产生电路秒信号发生器采用555定时器，555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。其成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器。555定时器包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 rs 触发器，一个放电管 t 及功率输出级。它提供两个基准电压vcc /3 和 2vcc /3 。其秒信号发生电路如图2.1.1所示：图2.1.1 秒信号产生电路2.2 计时电路计时电路采用的是74ls192可预置同步可逆bcd码计数器。使用74ls192十进制可逆计数器来实现一百进制分计数器和六十秒计数器的原理是一样的，不同的只是它们的输入脉冲和进制不同而已。我们用四片74ls192来实现分计数和秒计数功能，对于秒信号，我们要的只是减计数，所以我们把两片秒计数的74ls192芯片的up端接到高电平上去,down端接到秒脉冲上；十分秒位上的输入端b、c端接到高电平上，即从输入端置入0110（十进制的6），秒十位的ld端和借位端bo联在一起，再把秒位的bo端和十秒位的down联在一起。由真值表可知，ld低电平有效，产生借位信号时，bo也是低电平有效。当秒脉冲从秒位的down端输入的时候秒计数的74ls192开始从9减到0；这时，它的借位端bo 会发出一个低电平到秒十位的输入端down，秒十位的计数从6变到5，一直到变为0；当高低位全为零的时候，秒十位的bo发出一个低电平信号，down为零时，置数端ld等于零，秒十位完成并行置数，下一个down脉冲来到时，计数器进入下一个循环减计数工作中。 对于分计数来说，道理也是一样的；只是要求，当秒计数完成了，分可以自动减少，需要把秒十位的借位端bo端接到分计数的down端作为分计数的输入信号来实现秒从分计数上的借位。当然，这些计数器工作，其中的清零端cr要处于低电平，置数端不置数时要处于高电平。这是一个独立工作的最高可以显示99分钟的计时器。把四个74ls192的qa/qb/qc/qd都接到外部的显示电路上就可以看到时间的显示了。作为洗衣机控制器的一个模块，它还得有一定的接口来和其他的模块连接在一起协调工作，我们可以利用分计数的up端来进行外部置数，当把它们各接到一个与非门的输出上，与非门的输入一端接脉冲信号，一端接低电平，当要置数时，将与非门的输入端从低变为高，打开与非门，另一输入端的的脉冲上就可以实现从09的数字输入。如图2.2.1所示，为计时电路电路原理图。图2.2.1 四片74ls192组成的计时电路2.3 显示电路显示电路采用了两片一位的共阴极七段数码管（如图3.3.2所示），来分别显示分钟计时的十位和各位，完成预置和显示功能。数码管的驱动电路采用的共阴极的七段译码器74ls48，它内部有上拉电阻，可以直接与共阴极的数码管相连接。 由于数码管只用显示09的数字，则lt、lbi、bi/rbo三个脚都接高电平，a b c d 四个输入端连接74ls192的输出，就能显示出预置的时间和定时的剩余时间。其连接电路图如图2.3.1所示：图2.3.1 数码管显示电路连接2.4 状态显示电路洗衣机洗涤共有三个状态，分别为暂停，正转，反转，用三个不同的颜色的led灯来表示。在三个状态中，4060秒为正转、3040秒钟为暂停、1030秒为反转、0-10秒为暂停。分别有红绿黄来表示正转反转和暂停三个状态。三个状态区分的标志位为秒信号的十分位，当74ls192输出为00000001 为暂停；输出为00010011 为反转；输出为00110100 为暂停；输出为01000110为正转。有效区分状态为三位，然而直接区分，难度很大，门电路会使用大很多。根据这些，因而采用3-8译码器芯片74ls138，经过译码后有八位，容易进行区分。其区分框图如图所示：00000101001110010100110正转红灯亮反转绿灯亮暂停黄灯亮0123456译码图2.4.1 状态电路译码显示框图在此处74ls138作为译码器，g1 接高电平，g2接低电平。a b c译码输入端分别接到74ls192的输出的低三位。y0y7作为输出，低电平有效，则通过门电路，将y4 y5 与非后作为红灯输入，表示为正转状态；将y3 y0与非后作为黄灯输入，表示暂停状态、将y1 y2与非后作为绿灯输入，表示反转。其总体电路图如图2.4.2所示：图2.4.2 状态显示电路2.5 洗衣机电机控制电路洗衣机控制电路要完成功能有时间预置，定时报警，正反暂停状态控制，定时时间到后停止洗衣机运行。 因此使用三个按键，分别实现时间的分个位、分十位和开始工作功能。按键接到门电路的输入，经过上拉电阻，未按下时，是高电平状态，当按下时，为低电平，按键两边并联一个0.1uf的磁片电容消除尖脉冲。时间预置是通过按键经过一个非门，在接入二输入与非门电路的一个输入，另一个接与非门输入端接入秒脉冲信号，当按键按下时，们电路打开，秒信号能够进入74ls192的up端进行计数。起到时间预置功能。状态的控制可以使用上面的状态led灯的输入作为继电器的输入，当红灯亮时，信号同时到达继电器，是电机接正的5v电源，当绿灯亮的时候，信号到达另一个继电器，电机接到-5v,电机反转。当为黄灯的时候，亮电平都为低电平，继电器不工作，电机暂停。电路的启动与停止时本设计的独特点，当定时时间到了之后，高位74ls192的bo输出端会产生一个低电平信号，把这个信号送给rs触发器的r端，并把rs触发器的q输出作为一个二输入与非门的输入端，另一个输入一个秒信号，与非门的输出接入到低位的74ls192的down端作为信号输入。这时，rs触发器会置0，封锁了与非门，是秒信号不能进入74ls192，电路停止。同时，用一个按键来控制rs触发器的s端，在设置时间过程中，bo信号会消失，但是rs此时输入为1 1 ，为保持状态，即rs输出为低电平，电路仍然不能计时。当时设置好时间后，按下按键，rs置1，与非门打开，秒信号进去。报警电路采用蜂鸣器，蜂鸣器的正极接到rs触发器的反相输出端,在到达定时的时间后，方向输出为高电平，蜂鸣器报警。整体电路图如图2.5.1所示：图2.5.1 控制电路图 3 运用protel 99se绘制原理图电路原理图设计最基本的要求是正确性，其次是布局合理，最后在是正确性和布局合理的前提下力求美观。在绘制简易洗衣机控制电路过程如下：3.1启动原理图设计服务器进入protel 99 se，创建一个数据库，执行菜单file/new命令，从框中选择原理图服务器（schematic document）图标，双击该图标，建立原理图设计文档。双击文档图标，进入原理图设计服务器界面。界面如图3.1.1所示：图3.1.1 protel99se的工作界面3.2设置原理图设计环境执行菜单design/options和tool/preferences，设置图纸大小、捕捉栅格、电气栅格等。图3.2.1 设置原理图工作环境图3.2.2 设置原理图工作环境3.3装入所需的元件库在设计管理器中选择browse sch页面，在browse区域中的下拉框中选择library，然后单击add/remove按钮，在弹出的窗口中寻找protel 99 se子目录，在该目录中选择librarysch路径，在元件库列表中选择所需的元件库，比如miscellaneous devices.ddb，ti databook库等，单击add按钮，即可把元件库增加到元件库管理器中。本次设计中，只需要装入devices.ddb、sim.ddb就能够完成本次试验，如图3.3.1所示：图3.3.1 添加元器件3.4放置元件 根据实际电路的需要，到元件库中找出所需的元件，然后用元件管理器的place按钮将元件放置在工作平面上，再根据元件之间的走线把元件调整好。如图3.4.1：图3.4.1 放置元件3.5原理图布线 利用protel 99 se提供的各种工具、指令进行布线，将工作平面上的器件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一个完整的电路原理图。如图3.5.1：图3.5.1 原理图布线完成3.6编辑和调整 利用protel 99 se 所提供的各种强大的功能对原理图进一步调整和修改，以保证原理图的美观和正确。同时对元件的编号、封装进行定义和设定等。3.7检查原理图 使用protel 99 se 的电气规则，即执行菜单命令tool/rec对画好的电路原理图进行电气规则检查。若有错误，根据错误情况进行改正。3.8生成网络表 网络表是电路原理图设计和印刷电路板设计之间的桥梁，执行菜单命令design/create netlist可以生成具有元件名、元件封装、参数及元件之间连接关系的网络表。（部分略） c1rad0.10.1ufc2rad0.10.1ufc3rad0.10.1ufc4rad0.10.1ufc5rad0.110uf4 运用protel 99se绘制pcb图电路设计的最终目的是为了设计出电子产品，而电子产品的物理结构是通过印刷电路板来实现的。protel 99 se为设计者提供了一个完整的电路板设计环境，使电路设计更加方便有效。应用protel 99 se设计印刷电路板过程如下，结果图如图4：图4 pcb效果图4.1 启动印刷电路板设计服务器执行菜单file/new命令，从框中选择pcb设计服务器（pcb document）图标，双击该图标，建立pcb设计文档。双击文档图标，进入pcb设计服务器界面。界面图如图4.1.1：图4.1.1 pcb设计界面4.2 规划电路板根据要设计的电路确定电路板的尺寸。选取keep out layer复选框，执行菜单命令place/keepout/track，绘制电路板的边框。执行菜单design/options，在“signal lager”中选择bottom lager，把电路板定义为双面板。图4.2.1 电路板规划4.3 设置参数参数设置是电路板设计的非常重要的步骤，执行菜单命令design/rules，左键单击routing按钮，根据设计要求，在规则类（rules classes）中设置参数。选择routing layer，对布线工作层进行设置：左键单击properties，在“布线工作层面设置”对话框的“pule attributes”选项中设置tod layer为“not used”、设置 bottom layer为“any”。选择width constraint，对地线线宽进行设置：左键单击add按钮，进入线宽规则设置界面，首先在rule scope区域的filter kind选择框中选择net，然后在net下拉框中选择gnd，再在rule attributes区域将minimum width、maximum width和preferred三个输入框的线宽设置为 1.27 mm；电源线宽的设置：在net下拉框中选择vcc，其他与地线线宽设置相同；整板线宽设置：在filter kind选择框中选择whole board，然后将minimum width，maximum width和preferred三个输入框的线宽设置为0.635 mm。4.4 装入元件封装库执行菜单命令design/add/remove library，在“添加/删除元件库” 对话框中选取所有元件所对应的元件封装库，例如：pcb footprint，transistor，general ic，international rectifiers等。本次在网上下了一个通用封装库，界面如图所示：图4.4.1 添加封装库4.5 装入网络表执行菜单design/load nets命令，然后在弹出的窗口中单击browse按钮，再在弹出的窗口中选择电路原理图设计生成的网络表文件（扩展名为net），如果没有错误，单击execute。若出现错误提示，必须更改错误。4.6 元器件布局protel 99 se既可以进行自动布局也可以进行手工布局，执行菜单命令tools/auto placement/auto placer可以自动布局。布局是布线关键性的一步，为了使布局更加合理，多数设计者都采用手工布局方式。4.7 自动布线protel 99 se采用世界最先进的无网格、基于形状的对角线自动布线技术。执行菜单命令auto routing/all，并在弹出的窗口中单击route all按钮，程序即对印刷电路板进行自动布线。只要设置有关参数，元件布局合理，自动布线的成功率几乎是100%。4.8 手工调整自动布线结束后，可能存在一些令人不满意的地方，可以手工调整，把电路板设计得尽善尽美。立体图如下：4.9 打印输出印刷电路板图执行菜单命令file/print/preview，形成扩展名为ppc的文件，再执行菜单命令file/print job，就可以打印输出印刷电路板图。5 运用protel 99se仿真protel advanced sim99 是一个功能强大的数/模混合信号电缆仿真器能提供连续的模拟信号和离散的数字信号仿真。它运行在protel的eda/client 集成环境下，与protel advanced schematic原理图输入程序协同工作，作为advanced schematic 的扩展，它为用户提供了一个完整的从设计到验证的仿真设计环境。它具有windows风格的菜单，对话框和工具栏，使得用户可以方便地对仿真器进行设置，仿真工作更加轻松自如。5.1 仿真的设计流程图 仿真原理图要添加对应的元器件库：sim.ddb 才能进行仿真，仿真的流程如图5.1.1所示：设计需要仿真的原理图文件仿真所设计的原理图整理并连接该原理图分析仿真结果添加激励源到原理图中设置sim99仿真环境选择仿真用原理图元件调用仿真用元件库设置节点的网络标号图5.1.1 仿真流程图和原理图设计流程图5.2 电路仿真 对于数字电路仿真，主要关心的是各个数字节点的逻辑状态，即仅与数字电路元器件向来的节点，仿真该电路的结果就是计算电路中各个节点的值，对于数字节点，这些值就是逻辑电平。 洗衣机控制电路的设计是由计时模型和i/o模型共同决定，即他描叙元器件的计时特性和元器件的负载和驱动特性。 5.2.1 生成原理图文件 该洗衣机简易控制电路采用数字电路。该电路通过四个数码管和三个发光二极管来显示电路，完成电路的显示功能，其原理图如图2所示。5.2.2仿真器的设置 仿真器选择瞬态仿真，起始时间为0，终止时间为5.0。步长设置为2us，仿真