rotel课程设计--基于51单片机的温度计.doc

课程设计任务书学生姓名： 刘果 专业班级： 通信1005班 指导教师： 艾青松 工作单位： 信息工程学院 题 目: 基于51单片机的温度计 初始条件：Altium Designer软件51单片机、DS18B20等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. 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*.pcb3. 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。说明：1、每个同学必须完成以上2个任务（不是任选）2、电路图的规模、复杂度：规模越大、越复杂，分数越高3、制图结果的美观性，可读性：制图越美观、可读性越好，分数越高4、实习报告的质量：报告要写得条理清楚、图文并茂，体现制图和仿真分析（包括必要的计算）的过程5、仿真提倡对所绘制的原理图*.sch进行全面仿真，如果不能做到全面仿真成功，则要说明原因，但要完成局部电路的仿真。6、电路选择不可过分简单，元件种类（包括电源和信号源）少于5种；或者元件个数少于10个将导致不及格。 时间安排： 本课设从1至18周分散进行，答辩时间地点方式、交报告等具体事项与指导老师协商进行。答辩安排答辩时间：从1519周，可以根据指导教师和学生的具体情况灵活决定。答辩要求：1、要求有符合规范的课程设计报告；2、提问至少3个问题3、要求班干部把本班所有学生的设计文件，刻盘上交存档：每位同学一个文件夹，文件夹命名为该生姓名。Protel最小系统的pcb等文件已经上传到csdn，可以下载/detail/vesper305/5739619下载后删除本描红文字！ 指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日武汉理工大学protel应用课程设计说明书目录摘要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12.1数码管模块12.2串口通信模块22.3温度测量模块22.4按键模块23.电路设计33.1单片机最小系统模块设计33.2矩阵键盘模块设计43.3数码管显示模块设计43.4串口通信模块设计53.5 DS18B20模块设计54.Protel原理图设计64.1新建原理图文件64.2设置画图环境64.3设置元件库84.4画图步骤85.印制版图的设计95.1准备电路原理图与网络表95.2创建PCB文件95.3规划电路板95.4 网络表与元件的装入115.5 PCB布板布局115.6手工布局125.7电路整体效果图146.Multisim & AD电路仿真156.1放置电源及信号源156.2放置网络标号156.3设置仿真参数156.4查看仿真波形166.5仿真结果167.根据AD设计的PCB制作的实物展示188.结束语19参考文献20附录一 完整原理图及PCB21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multisim进行电路仿真证实了作品原理的可行性。关键字：STC89C51 Altium Designer multisim 温度计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 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 plate, analog circuit simulation software. The software used in this work for hardware circuit schematic and PCB design, and finally by multisim for circuit simulation confirmed the feasibility of the principle works.Keywords: STC89C51 Altium Designer multisim thermometerII1.整体设计原理分析1.1设计目的设计一个基于51单片机的温度计，自带显示功能。并使用Altium 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multisim进行仿真验证原理的正确性。1.2设计思路首先采用市面上常用的DS18B20温度传感器对环境温度进行采集，然后利用51单片机读取DS18B20采集回来的参数。度采集参数进行编码之后经由数字驱动芯片送到数码管的接口，由数码管显示当前的温度。整个系统由5V稳压电源供电。在系统中有时可能需要进行校正或是输入，因此加上了矩阵键盘模块进行扩展。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显示温度传感器采集到的温度数据的功能。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口不需要提供电流，只需一片74LS04/74HC04反相器就可以驱动六个数码管显示。综合上述选择方案二。2.2串口通信模块功能：串口通信主要是为了在多个单片机或是单片机与个人电脑之间通信。选型：方案一：采用MAX232和FT232之类的电平转换芯片然后利用51内部集成的串口通信模块实现串口通信。方案二：直接利用51内部的模块然后采用RX/TX/GND三线连接方式，实现串口通信，只是在下载的时候需要利用一下下载模块。综合上述选择，考虑到一般应用中并不需要电平转化，为了节约成本，故而采用方案方案二。2.3温度测量模块功能：温度测量模块主要是利用DS18B20采集温度计所在环境中的温度数据。选型：方案一：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，可以满足设计要求。方案二：利用DS18B20可编程1-Wire数字温度传感器芯片，集成度高，单总线模式与方案一相比系统电路相对简单。综合相比选择方案二。2.4按键模块功能：主要是对系统进行扩展时输入或是校准时使用。选型：直接采用一般使用的按键。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。另一方面负责通过AD/DA采集温度传感器DS18B20测得的外界的温度值，然后通过解码编码形成二进制驱动脉冲，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6个单独的7段数码管和74LS04组成，74LS04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。3.4串口通信模块设计 图3-4 串口通信部分电路图考虑到两块51串口通信的时候并不需要电平转化，为了节约成本，直接采用三线连接方式。3.5 DS18B20模块设计图3-5 DS18B20模块电路DS-18B20数字温度传感器DS18B20的数字温度计提供9至12位的摄氏温度测量，并具有与非易失性用户可编程上限和下限报警功能。信息单线接口送入 DS18B20 或从 DS18B20 送出，因此按照定义只需要一条数据线（和地线）与中央微处理器进行通信。它的测温范围从-55 C到 +125 C，其中从-10 C至+85 C可以精确到0.5C 。此外，DS18B20可以从数据线直接供电（“寄生电源”），从而消除了供应需要一个外部电源。4.Protel原理图设计4.1新建原理图文件在WINDOWS 95/98或NT更高版本界面下双击Altium Designer 图标，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，如图7所示。 图4-1File/New新建设计数据库（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4-2所示：图4-2 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。图4-3 Tool/preference页面4.3设置元件库必须有元件库才能画图，所以画图前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4-4所示：图4-4 选择元件库窗口4.4画图步骤画图的简单步骤是（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5-3是布局图的详细说明： 图5-3 PCB布局详细说明说明：1. 数码管驱动模块 4. 晶振模块2. 复位按键模块 5. 矩阵按键模块3. 电源模块 6. 数码管显示模块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MAX232，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。图5-4 PCB布线依据说明图5) 像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，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.Multisim & 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（Operation 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multisim里面的仿真结果，在下图中可以清楚的看到仿真效果。首先我们仿照我们在Altium Designer中的原理图，在multisim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multisim中搭建的仿真系统。图6-2