基于数字钟的pcb设计学士学位论文.doc

毕业设计成果（方案）设计题目: 基于数字钟的PCB设计 院 系 航空电子电气工程学院 专 业 航空电子信息技术 班 级 学 号 姓 名 指导老师 二一六年一月七日目 录1. 设计任务与要求11.1 设计任务11.2 设计思路11.3 系统框图12. 硬件原理图设计22.1 单片机引脚22.2 单片机最小系统32.3 DS1302应用42.4 时钟芯片及电路流程图42.5 数码管显示62.6 整体原理图63. PCB设计与开发工具73.1 PCB简介73.2 PCB的特点73.3 DXP设计平台74. 数字钟的PCB设计流程94.1 新建PCB工程94.2 原理图元件的绘制104.3 封装库设计124.4 绘制原理图164.5 原理图的PCB设计184.6 生成PCB194.7 布线20总结21参考文献22摘 要本设计针对数字钟PCB板设计较为复杂的问题，利用国内知名度较高、应用最广泛的电路辅助设计软件DXP进行了电路板的设计。本设计介绍了各部分电路的构成及准确完成了数字钟的PCB设计。本设计数字钟原理图分析入手，说明了在平台中完成原理图设计，电气检测，网络表生成，PCB设计的基本操作程序。数字钟的主要电路是由电源电路、显示电路、校时电路、晶体振荡电路组成。PCB是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。PCB的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。优秀的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。 关键词：数字钟；PCB；原理图；DXP1. 设计任务与要求1.1. 设计任务 选择合理的元器件原理图组成数字钟电路，用软件画出整个电路，对于电路元件集成库中没有的元器件需要自己画出元件原理图进行封装再添加到系统元件集成库中，生成元件清单，完成PCB原理图绘制。设置好PCB图的向导文件，进行PCB板规划，选择好PCB的版图将绘制好的原理图导入到PCB图中再将元器件进行连线、布局，完成PCB印制板的设计。1.2. 设计思路 单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备结合，便可成为一个单片机控制系统。 因此用AT89C51单片机作控制，对计时器件DS1302采用字节读写模式；写入时分秒寄存器控制字，读出时分秒时间数据并处理后，用数码管器件显示；22矩阵键盘作为时间调整按键。1.3. 系统框图 数字钟的主要电路是由时钟电路、主控制板、显示电路、按键扫描电路组成。数字钟电路组成原理图如图1-1所示。图11数字钟结构主体框图262. 系统原理图设计2.1. 单片机引脚 AT89C51单片机为40引脚的集成芯片VCC（40）：供电电压，其工作电压为5V。 GND（20）：接地。 AT89C51有4个8位并行I/O接口，共32条I/O线。分别是P0.0P0.7；P1.0P1.7；P2.0P2.7；P3.0P3.7。P1、P2、P3内置上拉电阻；P0口需要外接10K左右的上拉电阻。P0P3口作为输入口时，必须先写“1”。 ALE/PROG(30)：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如果想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，则置位无效。 PSEN(29)：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。 EA/VPP(31)：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V的编程电源（VPP）。 XTAL1(19)：来自反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2(18)：来自反向振荡器的输出。 其引脚图如图2-2所示。图2-2 AT89C51引脚图2.2. 单片机最小系统 单片机最小系统或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路。如图2-1所示。图2-1单片机最小系统 复位电路:由电容串联电阻构成，由图并结合电容电压不能突变的性质可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周 上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般教科书推荐C 取10u，R取8.2K。当然也有其他取法的，原则就是要让RC组合可以在基于单片机数字钟的设计。RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。 晶振电路:典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时操作) 特别注意:对于31脚(EA/Vpp),当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。2.3. 时钟芯片及其读写电路 时钟芯片DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU同步通信；并可采用突发方式，一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟提供秒、分、时、日、星期、月和年的数据。一个月小于31天时，可以自动调整，且具有闰年补偿功能。其工作电压宽达2.55.5V，采用双电源供电；可设置备用电源充电方式，提供了对后备电源进行涓细电源充电的能力。DS1302为双列8引脚器件。Vcc1为主电源，Vcc2为后备电源。当Vcc2Vcc1+0.2时，由Vcc2向DS1302供电；当Vcc2Vcc1时，由Vcc1向DS1302供电。SCLK：串行时钟输入。RST：复位/片选。上电运行时，在Vcc22.5V前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。X1和X2：时钟输入与输出，外接32.768kHz晶振。GND：接地。 DS1302是SPI总线驱动方式。要向寄存器写入控制字才能传送数据。 如图2-3所示，DS1302应用时常用外接32.768MHz晶振芯片提供计时脉冲，其5角，7角，6角分别与单片机I/O引脚连接。8角接后备电源。图2-3 DS1302与单片机连接图2.4. 数码管显示电路数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管，是单片机系统中最常用的一种显示输出，主要用于单片机控制中的数据输出和状态信息显示。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。这次设计用了6位LED显示器，如下图2-8所示为LED显示器的符号图。图2-8 LED显示器符号图2.5. 整体原理图 下图2-5为数字钟的整体原理图分别由数码管显示，单片机系统，以及DS1302时钟电路和按键电路组成。图2-9数字钟整体原理图2.6软件流程图这次的数字钟设计用到了很多子程序，它们的流程图如下所示。主程序是先开始，然后启动定时器，定时器启动后再进行按键检测，检测完成，就可以显示时间。流程图如下2-4所示。图2-4 主程序流程图按键处理是先检测秒按键是否按下，秒按键如果按下，秒就加1；如果没有按下，就检测分键是否按下，分键如果按下，分就加1；如果没有按下，就检测时按键是否按下，时按键如果按下，时就加1；如果没有按下，就把时间显示出来。如图2-5所示为按键处理流程图。图2-5 按键处理流程图 定时器中断时是先检测1秒是否到，1秒如果到，秒单位就加1；如果没到，就检测1分钟是否到，1分钟如果到，分单元就加1；如果没到，就检测1小时是否到，1小时如果到，时单元就加1，如果没到，就显示时间。如下图2-6为定时中断流程图。图2-6 定时器中断流程图时间显示是先秒个位计算显示，然后是秒十位计算显示，再是分个位计算显示，然后再是分十位显示，再就是时个位计算显示，然后是时十位显示。如图2-7为时间显示流程图。图2-7 时间显示流程图3.PCB设计与开发工具3.1 PCB简介PCB（Printed Circuit Board）,中文名称为印制线路板，简称印制板，是电子工业的重要部件之一。PCB应用十分广泛。它提供集成电路等各种电子元器件固定装配的机械支撑、实现集成电路等各种电子元器件之间的电气连接或电绝缘、提供所要求的电气特性，如特性阻抗等；同时为自动锡焊提供阻焊图形，为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。3.2 PCB的特点 PCB之所以能得到越来越广泛地应用，因为它有很多独特优点，概栝如下。可高密度化。数十年来，印制板高密度能够随着集成电路集成度提高和安装技术进步而发展着。 1、高可靠性。通过一系列检查、测试和老化试验等可保证PCB长期（使用期，一般为20年）而可靠地工作着。 2、可设计性。对PCB各种性能（电气、物理、化学、机械等）要求，可以通过设计标准化、规范化等来实现印制板设计，时间短、效率高。 3、可生产性。采用现代化管理，可进行标准化、规模（量）化、自动化等生产、保证产品质量一致性。 4、可测试性。建立了比较完整测试方法、测试标准、各种测试设备与仪器等来检测并鉴定PCB产品合格性和使用寿命。 5、可组装性。PCB产品既便于各种元件进行标准化组装，又可以进行自动化、规模化批量生产。同时，PCB和各种元件组装部件还可组装形成更大部件、系统，直至整机。 6、可维护性。由于PCB产品和各种元件组装部件是以标准化设计与规模化生产，因而，这些部件也是标准化。所以，一旦系统发生故障，可以快速、方便、灵活地进行更换，迅速恢服系统工作。当然，还可以举例说得更多些。如使系统小型化、轻量化，信号传输高速化等。3.3 DXP设计平台DXP不是单纯的PCB设计工具，而是一套由五大模块组成的系统软件，它们分别是SCH（原理图）、SCH仿真、PCB设计、Auto Router（自动布线器）和FPGA设计，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。DXP作为新推出的优秀的电子CAD设计软件，具有以下特点：1、 通过设计文件库包括的方式，将原理图编辑、电路仿真、PCB图设计以及打印这些功能有机地结合在一起，提供了一个集成开发环境。2、提供了混合电路仿真功能，为设计者检验原理图电路中某些功能模块的正确与否提供了方便。3、提供了丰富的原理图元件库和PCB封装库，并且为设计新的器件封装提供了封装向导程序，简化了封装设计过程。4、提供了强大的查错功能。原理图中的ERC（电气法检查）工具和PCB图的DRC（设计规则检查）工具能帮助设计者更快地查出和改正错误。5、提供了层次原理图设计方法，支持“自上向下”的设计思路，使大型电路设计的工作组开发方式成为可能。6、全面兼容Protel系列的版本设计文件，并提供了与OrCAD格式文件的转换功能。4.数字钟的PCB设计流程4.1 新建PCB工程 在DXP设计环境下，单击菜单命令，从子菜单中可以选择建立项目元件，并将图纸大小设为A4，并设置好标题栏如图4-1所示。图4-1标题栏 设置好标题栏后选择元器件并列出物料清单。如图4-2所示。 图4-2 物料清单4.2 原理图元件的绘制在用DXP绘制原理图时，需要放置各种各样的元件原理图。而AD内置的元件虽然很完备，但是难免会遇到找不到你需要的元器件的时候。因此在这种情况下我们便需要自己创建元件的。AD提供了一个完整的创建元件的编辑器，使我们能够根据自己的需要进行编辑或者创建元件。根据需要，在进行原理图绘制时，缺少数码管、时钟芯片DS1302和单片机最小系统元件原理图符号。建立原理图元件库数码管原理图、时钟芯片DS1302和单片机原理图元件文件。（1）数码管的原理图元件绘制查找资料，数码管引脚图如下4-3所示。图4-3数码管引脚图位置显示图如图4-4为数码管各点的尺寸距离。图4-4数码管各店的尺寸距离依照数码管引脚图位置和数码管各点的尺寸距离绘制数码管原理图。下图4-5为绘制好的数码管原理图图4-5数码管原理图（2）DS1302原理图元件绘制查找资料，时钟芯片DS1302引脚图如下图4-6所示。图4-6DS1302引脚图按照引脚图绘制原理图文件如图4-7所示。图4-7DS1302原理图（3）单片机原理图元件绘制AT89C51单片机为40引脚的集成芯片VCC（40）。查找资料，单片机引脚图如下图4-8所示。图4-8单片机引脚图按照引脚图绘制原理图文件如图4-9所示。图4-9AT89C51单片机原理图4.3 封装库设计1、 建立新元件画面 单击PCB元件库管理器中的Add按钮，或执行菜单命令Tools New Component，系统弹出Component Wizard对话框，单击Cancel按钮，则建立一个新的编辑画面。放置焊盘。执行菜单命令Place按钮。光标变成十字形，并带有一个焊盘。移动光标到坐标原点，单击鼠标左键放置第一个焊盘。双击该焊盘，在弹出的焊盘属性设置对话框中，设置Dseignator的值为1。按照焊盘的间距要求，放置其它焊盘。利用焊盘属性对话框中的全家编辑功能，统一修改焊盘的尺寸。焊盘设置方法如下图4-10所示。图4-10焊盘参数元器件焊盘设计规则:（1）对稳性-两端焊盘必须对称，才能保证熔融焊锡表面张力平衡。（2）焊盘间距-确保元件端头或引脚与焊盘恰当的搭接尺寸。（3）焊盘剩余尺寸-搭接后的剩余尺寸必须保证焊点能够形成弯月面。（4）焊盘宽度-应与元件端头或引脚的宽度基本一致。2、绘制外形轮廓放置完焊盘后，绘制元件封装的外形轮廓。3、 设置元件参考坐标执行菜单命令，选择引脚为参考点。用鼠标左键单击PCB原件库管理器中的Rename按钮，弹出重命名元件对话框。在对话框中输入新建元件封装的名称，单击OK即可。六位数码管封装DS1302封装信息:DS1302的封装类型有：S08(两种尺寸)，PDIP8。DS1302N的封装为：类型：PDIP引脚：8尺寸：300 milsDS1302封装为每个形成的元件添加封装后，最终原理图库如图所示。在画元器件时，绘制好元器件好，我们应建立自己的元件库，方便下次寻找使用。封装元件库清单4.4 绘制原理图 六位数码管原理图 单片机最小系统原理图时钟电路原理图总原理图4.5 原理图的PCB设计 为了使PCB板能布局布线合理，能合理完成元器件的放置，采用双面板，选择94mm80mm尺寸，防止PCB板设置定位孔的时候或者放置元器件的时候，保持距离到板子边沿1.8mm。 图4-11 布线规则 如图3-7所示为布线的最小间距规则，为保持安全距离，设置最小间距为12mil。图4-12 最小间距规则4.6 生成PCB 最后检查其错误并改正生成PCB文件。 再次检查其错误，并改正。 将导入的元件进行手动布局。图4-13是完成元件布局的PCB图。图4-13 PCB的布局4.7 布线 在PCB设计中，布线时完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而作的。在整个PCB中，PCB布线有单面布线，双面布线及多层布线。在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要相互垂直，平行容易产生耦合。如图4-14为数字钟的PCB布线图。图4-14 PCB布线图总 结数字钟用途及其广泛，在电子产品中随处可见，它的重要性不言而喻。数字钟是人们日常生活中常用的计时工具，广泛应用于个人家庭，车站，码头办公室等公共场所。而数字式电子钟又有其体积小、重量轻、走时准确、结构简单、耗电量少等优点而在生活中被广泛应用，因此本次设计利用单片机设计一个简单数字钟，并作出数字钟的PCB设计。本次设计的数字钟具有时、分、秒计时的数字钟电路，设计采用24小时制。更添加了后备电源，以便在断电时能提供电源保持单片机的运行。并能在6位LED数码管显示时、分、秒的计时值。设计完成后利用DXP对其进行元器件的封装。通过这次设计，让我了解了关于数字钟的原理与设计理念，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在此次的数字钟设计过程中，我更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法，巩固和加强了课本知识。虽然这次的设计基本达到了设计要求，但是还有改进的空间，只要我们对其进行不断的优化、改进，能使数字钟更接近我们的生活。通过本次毕业设计，我明白了一个道理：无论做什么事情，都必需养成严谨，认真，善思的工作作风。我相信通过这次的毕业设计之后，我会更加努力，用严谨的科学态度去面对一切。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。参考文献1童诗白，模拟电子技术基础M.高等教育出版社.2012.2谢自美，电子线路设计实验测试（第三版). 华中科技大学出版社.2014.3阎石，数字电子技术基础.高等教育出版社.2012.4朱清惠、张枫蕊、翟天嵩、王志奎，Proteus教程-电子线路设计、制版与仿真.清华大学出版社.2010.5李良荣，EWB9电子设计技术.机械工业出版社.2012.6黄均鼐、汤庭鳌，半导体器件原理.复旦大学出版社.2012.请删除以下内容，O(_)O谢谢！conduction, transfer of heat or electricity through a substance, resulting from a difference in temperature between different parts of the substance, in the case of heat, or from a difference in electric potential, in the case of electricity. Since heat is energy associated with the motions of the particles making up the substance, it is transferred by such motions, shifting from regions of higher temperature, where the particles are more energetic, to regions of lower temperature. The rate of heat flow between two regions is proportional to the temperature difference between them and the heat conductivity of the substance. In solids, the molecules themselves are bound and contribute to conduction of heat mainly by vibrating against neighboring molecules; a more important mechanism, however, is the migration of energetic free electrons through the solid. Metals, which have a high free-electron density, are good conductors of heat, while nonmetals, such as wood or glass, have few free electrons and do not conduct as well. Especially poor conductors, such as asbestos, have been used as insulators to impede heat flow (see insulation). Liquids and gases have their molecules farther apart and are generally poor conductors of heat. Conduction of electricity consists of the flow of charges as a result of an electromotive force, or potential difference. The rate of flow, i.e., the electric current, is proportional to the potential difference and to the electrical conductivity of the substance, which in turn depends on the nature of the substance, its cross-sectional area, and its temperature. In solids, electric current consists of a flow of electrons; as in the case of heat conduction, metals are better conductors of electricity because of their greater free-electron density, while nonmetals, such as rubber, are poor conductors and may be used as electrical insulators, or dielectrics. Increasing the cross-sectional area of a given conductor will increase the current because more electrons will be available for conduction. Increasing the temperature will inhibit conduction in a metal because the increased thermal motions of the electrons will tend to interfere with their regular flow in an electric current; in a nonmetal, however, an increase in temperature improves conduction because it frees more electrons. In liquids and gases, current consists not only in the flow of electrons but also in that of ions. A highly ionized liquid solution, e.g., saltwater, is a good conductor. Gases at high temperatures tend to become ionized and thus become good conductors (see plasma), although at ordinary temperatures they tend to be poor conductors. See electrochemistry; electrolysis; superconductivity. Almost everyone has experienced the Doppler effect, though perhaps without knowing what causes it. For example, if one is standing on a street corner and an ambulance approaches with its siren blaring, the sound of the siren steadily gains in pitch as it comes closer. Then, as it passes, the pitch suddenly lowers perceptibly. This is an example of the Doppler effect: the change in the observed frequency of a wave when the source of the wave is moving with respect to the observer. The Doppler effect, which occurs both in sound and electromagnetic wavesincluding light waveshas a number of applications. Astronomers use it, for instance, to gauge the movement of stars relative to Earth. Closer to home, principles relating to the Doppler effect find application in radar technology. Doppler radar provides information concerning weather patterns, but some people experience it in a less pleasant way: when a police officer uses it to measure their driving speed before writing a ticket. Sound and light are both examples of energy, and both are carried on waves. Wave motion is a type of harmonic motion that carries energy from one place to another without actually moving any matter. It is related to oscillation, a type of harmonic motion in one or more dimensions. Oscillation involves no net movement, only movement in place; yet individual points in the wave medium are oscillating even as the overall wave pattern moves. The term periodic motion, or movement repeated at regular intervals called periods, describes the behavior of periodic waveswaves in which a uniform series of crests and troughs follow each other in regular succession. A period (represented by the symbol T ) is the amount of time required to complete one full cycle of the wave, from trough to crest and back to trough. Period is mathematically related to several other aspects of wave motion, including wave speed, frequency, and wavelength. Frequency (abbreviated f ) is the number of waves passing through a given point during the interval of one second. It is measured in Hertz (Hz), named after nineteenth-century German physicist Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894), and a Hertz is equal to one cycle of oscillation per second. Higher frequencies are expressed in terms of kilohertz (kHz; 103 or 1,000 cycles per second); megahertz (MHz; 106 or 1 million cycles per second); and gigahertz (GHz; 109 or 1 billion cycles per second.) Wavelength (represented by the symbol , the Greek letter lambda) is the distance between a crest and the adjacent crest, or a trough and an adjacent trough, of a wave. The higher the frequency, the shorter the wavelength. Amplitude, though mathematically independent from the parameters discussed, is critical to the understanding of sound. Defined as the maximum displacement of a vibrating material, amplitude is the size of a wave. The greater the amplitude, the greater the energy the wave contains: amplitude indicates intensity, which, in the case of sound waves, is manifested as what people commonly call volume. Similarly, the amplitude of a light wave determines the intensity of the light. electromagnetic radiation,energy radiated in the form of a wave as a result of the motion of electric charges. A moving charge gives rise to a magnetic field, and if the motion is changing (accelerated), then the magnetic field varies and in turn produces an electric field. These interacting electric and magnetic fields are at right angles to one another and also to the direction of propagation of the energy. Thus, an electromagnetic wave is a transverse wave. If the direction of the electric field is cons