数字时钟,数字温度计和数字频率计的设计

1、武汉理工大学protel应用课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 数字时钟，数字温度计和数字频率计的设计 初始条件： Protel 99se软件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.在单片机最小系统的基础上设计一个数字时钟，一个数字温度计和一 个数字频率计，并能用按键进行切换显示； 2.利用protel软件画出sch原理图； 3.绘制相应电路原理图的双面印刷版图*.pcb； 4.对电路原理图进行仿真，给出仿真结果（如波形*.sdf、数据）； 参考书目: 1.赵建领主编protel 99se设计宝典

2、 2.周润景，张丽娜主编protel 99SE原理图与印制电路板设计 3.郭天祥主编新概念51单片机C语言教程时间安排： 2012年6月8号前完成。 指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要Protel在电子行业的CAD软件中，他当之无愧地排在众多EDA软件的前面，它具有原理图设计、印刷电路板（PCB）、设计层次原理图设计、报表制作、电路仿真以及逻辑器件设计等功能，是进行电子设计最有用的软件之一。几乎所有的电子公司都要用到它。现在比较常用的是protel 99 SE， protel DXP和最新高端版本Altium Designer9.1等。本文主要是在单片机最小系

3、统的基础上设计一个数字时钟，一个数字温度计和一个数字频率计，并能用按键切换显示，然后用protel软件画出原理图和PCB板图，最后用protues进行仿真。 关键词：protel 单片机 仿真武汉理工大学protel应用课程设计说明书Abstract Protel CAD software in the electronics industry, he deservedly ranked in front of the number of EDA software, it has the schematic design, printed circuit board (PCB) design-

4、level schematic design, reporting, circuit simulation and logic device design functionsis one of the most useful for electronic design software. Almost all electronics companies should use it. Now more commonly used protel 99 SE, Protel the DXP and the latest high-end version of Altium Designer9.1 a

5、nd so on.Of this paper is to design a digital clock on the basis of the smallest single-chip system, a digital thermometer and a digital frequency meter, and use the button to switch the display, and then use protel software to draw schematics and PCB plans, and finally use protues simulation.Keywor

6、ds: the Protel SCM simulation目录摘要IAbstractII1.设计方案11.1.数字时钟的设计方案11.2.数字温度计的设计方案11.3.数字频率计的设计方案12.硬件电路设计22.1.单片机最小系统22.2.数码管显示模块22.3.按键控制模块32.4.温度采集模块32.5.整体电路图43.Protel原理图设计53.1.新建原理图文件53.2.设置画图环境53.3.设置元件库73.4.画图步骤74.印制版图的设计94.1.准备电路原理图与网络表94.2.创建PCB文件94.3.规划电路板94.4.网络表与元件的装入114.5.手工调整布局与自动布线114.6.

7、电路板图115.电路仿真135.1.时钟显示135.2.温度显示145.3.频率显示156.小结17参考文献18附录一19附录二26281.设计方案1.1.数字时钟的设计方案利用单片机的内部的定时/计数器工作与定时方式，对机器周期计数形成基准时间（如10ms）然后用另外一个计数器或软件计数的形式对基准时间进行计数形成秒（如对10ms计数100次），“秒”计数60次“分”，“分”计数60次形成“时”，“时”计数24次形成“天”并清零，然后通过译码器，数码管把他们的内容在相应的位置显示出来。在具体的设计时定时器采用中断方式工作，对时钟的形成在终中断序中实现，在主程序只是对定时/计数器的定义初始化，

8、调用显示程序和控制程序的初始化。另外为了使用的方便，也设计了按键，可以通过按键对时分秒进行调整，这样程序就加了按键程序。1.2.数字温度计的设计方案基于AT89C51单片机和DS18B20的数字温度计。采用数字温度芯片DS18B20 测量温度，输出信号全数字化。采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和AT89C51单片机构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,也可直接与计算机连接。利用3个数码管显示所测的温度。测温范围 55125，固有测温分辨率0.5。1.3.数字频率计的设计方案 使用单片机自带的计数器对输入脉冲进行计数。 所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间 （1s）内

9、变化的次数。若在一定时间间隔T 内测得这个周期性信号的重复变化次数N，则其频率可表示为f=N/T。 其中脉冲形成电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率 f 。时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号，若其周期为1s，则门控电路 的输出信号持续时间亦准确地等于1s。闸门电路由标准秒信号进行控制，当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。秒信号 结束时闸门关闭，计数器停止计数。由于计数器计得的脉冲数N是在1秒时间内的累计数，所以被测频率fx=NHz。利用6个7段数码管显示所测的频率。 2. 硬件电路设计2.1.单片机最小系统单片机最小系统如图1所示。

10、图1 单片机最小系统2.2.数码管显示模块数码管显示模块如图2所示。 图2 数码管显示模块2.3.按键控制模块按键控制模块如图3所示。S2时分秒的切换；S3加1；S4减1；S5确定；S6温度显示；S7频率显示；S8时钟显示。图3 按键控制模块2.4.温度采集模块温度采集模块如图4所示。图4 温度采集模块2.5.整体电路图 整体电路图如图5所示。图5 整体电路图3.Protel原理图设计3.1.新建原理图文件在WINDOWS XP界面下双击Protel 99 图标，点击File(文件)中new项，新建设计数据库。（1）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

11、，如图6所示。图6 File/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。3.2.设置画图环境（1）使用菜单Design/Option，在如图7所示的窗口中设置图纸尺寸、栅格等内容。 图7 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

12、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8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8 Tool/preference页面3.3.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

13、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。 图9 选择元件库窗口3.4.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Desi

14、gn/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整体原理图。.4.印制版图的设计4.1.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*.n

15、et。4.2.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4.3.规划电路板（1） 设定工作层面：执行菜单命令Design/Options后，得到图10所示对话框。图10 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）。

16、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）。4.4 .网络表与元件的装入在*.PCB文件界面下，执行菜单命令Design/ Netlist会出现一个界

17、面。将生成的网络表导入，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。4.5.手工调整布局与自动布线（1）元件位置、方向的调整：利用鼠标拖动改变元件的位置；结合x、y和空格键改变元件的方向。（2）元件标注的调整：利用鼠标拖动改变元件的位置；结合x、y和空格键改变元件的方向。（3）设置布线参数：Design/Rules。（4）设定自动布线器：执行Auto Route/Setup后，出现图12所示对话框，把Routing Grid 设置为“20.0000”，其余选项使用默认。之后，点击按钮Route All，开始自动布线。（5）自

18、动布线手动调整：利用Tools/Unroute删除已有布线，进行人工布线。4.6.电路板图生成的PCB如图11所示。图11 PCB板图5 电路仿真由于Protel 99 se不能仿真单片机，故用Protuse进行单片机仿真。Protuse设计的整体电路图如图12所示。图12 整体电路图5.1.时钟显示 单片机程序见附录一。运行程序，时钟显示如图13所示，通过按键K1，K2，K3，K4可以调整时钟的显示。当数码管显示温度或频率时，按下K7，又可以显示时钟。 图13 时钟显示5.2.温度显示运行单片机程序后，按下K5，温度显示如图14所示。图14 温度显示5.3.频率显示运行单片机程序后，按下K6

19、，温度显示如图15所示。图15 频率显示5. 小结在这一周的Protel课程设计中，我对Protel的使用有了一定的了解，学会了用该软件绘制电路原理图和PCB板元件装配图。在使用Protel的过程中也总结了一些心得。使用Protel制PCB板时，把原理图与PCB连接起来的重要的一步就是生成网表文件，在原理图绘制之后需要对生成的网表文件进行认真检查，检查是否存在元件漏标或者标重的现象出现，当提示无误后可以进行自动布局并开始调整元器件位置。在以后的学习过程中，使用Protel的机会还有很多，制作过程中一定还会出现更多的问题需要解决，只有不断的实践，不断飞发现问题解决问题才能得到真正的进步。在这过程

20、中一定要做到的就是细心、耐心、仔细，相信不断的探索和实践会带来更大的进步。参考文献1 赵建领.protel 99se设计宝典.北京：电子工业出版社，2009.2 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. 3 郭天祥.新概念51单片机C语言教程.北京：电子工业出版社，2009.4 彭伟.单片机C语言程序设计100例基于8051和Protues仿真.北京：电子工业出版社出版社，2010. 5 潘定远，郭稳涛.单片机应用技术项目教程.北京：北京理工大学出版社，2011.附录一程序如下：#include #include #define ucha

21、r unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned long#define _Nop() _nop_()sbit DQ =P36; /定义DS18B20通信端口sbit K1=P10;sbit K2=P11;sbit K3=P12;sbit K4=P13;sbit K5=P14;sbit K6=P15;sbit K7=P16;bit settime=0;float tt=0; uchar ms,h=0,m=0,s=0,change=0,num=0;ulong count=0;uchar code S_Data=0x3F,

22、0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F;uchar table6=0x3F,0x3F,0x3F,0x3F,0x3F,0x3F;/时钟0-5号SLED缓冲值uchar table1=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00;/频率计0-5号SLED缓冲值uchar data sled_data=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00; /温度0-5号SLED缓冲值uchar code Line_Value=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf;/对按键的6列信号依次给高信号void de

23、lay(uint i)while(i-);void delayms(uint x) uchar i; while(x-) for(i=0;i120;i+);void display(uchar h,m,s) uchar i; table5= S_Datah/10; table4= S_Datah%10; table3= S_Datam/10; table2= S_Datam%10; table1= S_Datas/10; table0= S_Datas%10;for (i=0;i0;i-)DQ = 0; / 给脉冲信号dat=1;DQ = 1; / 给脉冲信号if(DQ) dat|=0x80;

24、delay(4);return(dat);/写一个字节WriteOneChar(uchar dat)uchar i=0;for (i=8; i0; i-)DQ = 0;DQ = dat&0x01;delay(5);DQ = 1;dat=1;/读取温度ReadTemperature(void)uchar a=0;uchar b=0;uint t=0;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); / 跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0x44); / 启动温度转换Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); /跳过读序号列号的操作Writ

25、eOneChar(0xBE); /读取温度寄存器等（共可读9个寄存器） 前两个就是温度a=ReadOneChar();b=ReadOneChar();t=b;t=8;t=t|a;tt=t*0.0625; /将温度的高位与低位合并t= tt*10+0.5; /对结果进行4舍5入return(t);void Time0() interrupt 1 TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; if(+ms=20) ms=0; if(+s=60) s=0; if(+m=60) m=0; if(+h=24) h=0;m=0;s=0; void INT_T1

26、() interrupt 3 TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; if(+num=2) TR1=0; EX0=0; num=0; table10=S_Datacount*10%10; table11=S_Datacount*10%100/10; table12=S_Datacount*10/100%10; table13=S_Datacount*10/1000%10; table14=S_Datacount*10/10000%10; table15=S_Datacount*10/100000%10; void EX_INT0() interrupt 0 count+; void mai