Protel应用课程设计—汽车尾灯控制器设计.doc

《Protel应用》课程设计
课程设计任务书

学生姓名： 专业班级：
指导教师： 工作单位： 信息工程学院
题 目: Protel应用课程设计—汽车尾灯控制器设计

初始条件：
（1） （1）可选元件：74LS系列芯片、555定时器、发光二极管、电阻、电容、电键若干；+5V直流电源
（2）可用仪器：示波器，万用表，毫伏表
（3）仿真软件：Protel 99SE

要求完成的主要任务:
（1）（1）使用protel制作汽车尾灯控制器的电路原理图
（2）使用protel制作汽车尾灯控制器的PCB图
（3）使用protuse进行电路仿真设计
时间安排：
（1）第1-3周：选题及任务安排。
（2）第4-10周：方案选择及设计。
（3）第11-16周：仿真及PCB制作（鉴主13楼计算机实验室）。
（4）第17-18周：撰写报告及答辩。

指导教师签名： 年 月 日

系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

whut 《Protel应用》课程设计
摘要
本系统利用74系列芯片、555定时器、JK触发器、电阻和电容对输入的汽车行进情况信号进行控制，再进行译码,输出相应信号，同时采用时钟信号，控制电路的驱动部分，最后由发光二极管模拟汽车尾灯显示各种情况下的灯亮情况。本课程设计根据计算机中状态机原理，采用EDA技术设计了简易的汽车尾灯控制器。系统设计采用自顶向下的设计方法，顶层设计采用原理图设计方式，它由时钟分频模块、汽车尾灯主控模块，左边灯控制模块和右边灯控制模块四部分组成。系统实现采用硬件描述语言VHDL把系统电路按模块化方式进行设计，然后进行编译、时序仿真等。本文详细地介绍了整个设计流程。

关键字： 汽车尾灯 74系列 信号 灯亮

ABSTRACT

The system uses 74 series chip, 555 timer, JK flip-flop, resistors and capacitors on the input signal of the auto road to control the situation, further decoding, the corresponding output signal, at the same time using the clock signal, the drive control circuit part, and finally by the Simulation of automotive LED taillights, a variety of situations show that the case lights. The curriculum design of state machine in accordance with the principle of the computer, using a simple technical design EDA car taillight controller. System design using top-down design methodology, the use of top-level design schematic design, which is the clock frequency modules, automotive taillights control module, the left and right lamp control module control module lights composed of four parts. System using VHDL hardware description language circuit in accordance with the systems approach to modular design, and then proceed to compile, such as timing simulation. This article describes in detail throughout the design process.
Keywords: auto lamps lights 74 light series

目 录
1汽车尾灯控制器设计目的和任务 1
1.1设计目的 1
1.2设计任务 1
2 PROTEL软件简介 2
2.1 PROTEL 99 SE的系统组成 2
2.2 PROTEL 99 SE的功能特性 3
3 汽车尾灯控制器原理分析 4
3.2系统框图 4
3.3单元电路设计与分析 5
4 PROTEL原理图绘制 9
4.1准备画图 9
4.2载入元器件原理图符号库 10
4.3原理图放置元件 11
4.4连接电路 11
4.5电气法则测试 12
5 PCB板制作 14
5.1由原理图生成网络表 14
5.2创建PCB文件 14
5.3导入元器件 14
5.4元器件的布局与布线 15
6 PROTUSE仿真 16
7 PROTEL设计总结 17
参考文献 17
附录 18

13

武汉理工大学Protel课程设计
汽车尾灯控制器设计
1汽车尾灯控制器设计目的和任务
1.1设计目的
学习并掌握Protel电子电路设计软件使用方法。
设计具有以下功能的电路：
设汽车尾部左右两侧各有3个指示灯，汽车运行时具有如下模式：
① 汽车正常行驶时，左右两侧的指示灯全部处于熄灭状态。
② 当汽车右转弯时，右侧的3个指示灯按右循环顺序点亮。
③ 当汽车左转弯时，左侧的3个指示灯按左循顺序点亮。
④ 临时刹车时，所有的指示灯同时闪烁。
熟练地掌握数字模拟电路的综合运用。

熟练地掌握PCB设计的流程，并应用。

1.2设计任务

3 汽车尾灯控制器原理分析
经过以上所述的设计内容及要求的分析，可以把电路分为开关控制电路，即控制汽车左、右转状态的模式控制电路和汽车尾灯译码、显示、驱动等各部分电路。以下就这几个部分对电路进行分析和设计：
3.1尾灯状态与运行状态关系
根据设计要求可知，汽车尾灯要有四种不同的运动状态，因此需要有4中不同的显示模式，为了能够一一区分它们，可以设置2个状态控制变量，假定用开关 K1 和K2 进行显示模式、控制，根据设计相关要求可列出汽车尾灯相识状态和运行状态的关系，如表1所示:
控制K2、K1
运行状态
右尾灯L1、L2、L3
左尾灯L4、L5、L6

0 0
白天正常行驶
灯灭
灯灭
0 1
右转弯
按L1、L2、L3顺序循环亮
灯灭
1 0
左转弯
灯灭
按L4、L5、L6顺序循环亮
1 1
临时刹车或夜间正常行驶
L1、L2、L3、L4、L5、L6随时钟脉冲闪烁
表1 汽车运行状态表
3.2系统框图
在分析了以上功能原理后，由设计的基本要求可知，整个电路包括以下几部分：开关控制电路，三进制计数器，译码与显示驱动电路，尾灯状态显示电路，秒脉冲产生电路。需要一计数电路用于产生三端输出的001、010、100的循环信号，此信号提供左转、右转的原始信号。左转、右转的原始信号通过6个与门以及电键提供的高低电位信号，将原始信号分别输出到左、右的3个汽车尾灯上。这部分电路起到信号分拣的作用。左转右转控制电路控制尾灯点亮模式，是闪烁，顺次点燃，还是熄灭。
综上所述，可以得到了整个系统的方框图。

3.3单元电路设计与分析
3.3.1开关控制电路
设74LSl38和显示驱动电路的使能端信号分别为G和A，根据总体逻辑功能表分析及组合得G、A与给定条件(K2、K1、CP)的真值表，如表3所示：

开关控制
使能信号
K2 K1 CP
G A
0 0 0
0 1
0 0 1
0 1
0 1 0
1 1
0 1 1
1 1
1 0 0
1 1
1 0 1
1 1
1 1 0
0 0
1 1 1
0 1
表3 K2、K1、CP与 G、A逻辑功能真值表
由表3 经过整理得逻辑表达式
G= A=
由上式得开关控制电路.
3.3.2三进制计数器
三进制计数器电路可根据表2由双J—K触发器74LS76构成，去控制译码器的A1A0。此电路结构简单，成本较低，选用此方案。
3.3.3译码与显示驱动电路
译码与显示驱动电路的功能是：在开关控制电路输出和三进制计数器状态的作用下，提供6个尾灯控制信号，当译码驱动电路输出的控制信号为低电平时，相应指示灯点亮。因此，译码与显示驱动电路可用74LS138(其功能表如表4所示)、6个与非门和6个反相器构成。译码器74LS138的输入端C、B、A分别接K1、Q1、Q0。当G=F=1、K1=0时，对于计数器状态Q1Q0为00、01、10，译码器输出依次为0，使得与指示灯L1、L2、L3对应的反相器输出依次为低电平，从而使指示灯L1、L2、L3依次顺序点亮，示意汽车右转弯；当G=F=1、K1=1时，对于计数器状态Q1Q0为00、01、10，译码器输出依次为0，使得与指示灯L4、L5、L6对应的反相器输出依次为低电平，从而使指示灯L4、L5、L6依次顺序点亮，示意汽车左转弯；当G=0，F=1时，译码器输出为全1，使所有指示灯对应的反相器输出全部为高电平，指示灯全部熄灭；当图中G=0，F=cp时，所有指示灯随cp的频率闪烁。实现了4种不同模式下的尾灯状态显示。
3.3.4 秒脉冲产生电路
由555定时器构成的多谐振荡器，由于555定时器内部的比较器灵敏度搞，输出驱动电流大，功能灵活，又频率受电压和温度影响很小。即此多谐振荡器的震荡频率稳定。
3.4 典型芯片分析

图3 71LS138引脚图

表4 3线-8线译码器74LS138的功能表

无论从逻辑图还是功能表我们都可以看到74LS138的八个输出引脚，任何时刻要么全为高电平1—芯片处于不工作状态，要么只有一个为低电平0，其余7个输出引脚全高电平1。
如果出现两个输出引脚同时为0的情况，说明该芯片已经损坏。71LS138有三个附加的控制端、和。当、时，输出为高电平（S＝1），译码器处于工作状态。否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平，如表4所示。这三个控制端也叫做“片选”输入端，利用片选的作用可以将多篇连接起来以扩展译码功能。
由555定时器构成的多谐振荡器如图4所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚） 和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。
由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发 端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使 电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关 。充电时间常数T充=（R1＋R2）C。
由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电 容的放电时间有关，放电时间常数T放＝R2C0随着C的放电，uc下降，当uc下降到（1/3）Vcc时，输出uo。 为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电 路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc 之间变化。

图4 555定时器构成的多谐振荡器电路及工作
4 Protel原理图绘制
4.1准备画图
(1)启动Protel 99SE
a 从Windows操作系统的开始菜单或桌面快捷图标进入Protel 99SE环境。
b 使用菜单File/New建立新工程文件。并且重命名为PROTEL.ddb。
c 使用菜单File/New，在下拉菜单选择Schematic，建立新原理图文件。
(2)设置画图环境
菜单Design/Document Option，在如图5所示的窗口中设置图纸尺寸、栅格等内容。

图5 绘图环境窗口
(3) 填写图纸设计信息:

图6 图纸信息窗口
4.2载入元器件原理图符号库
(1)在设计浏览器管理中单击Browse标签，即可打开原理图编辑管理窗口。
(2)装入所需要的元器件原理图符号库。单击管理窗口中的Add/Remove按钮，系统弹出【Change Library File List】对话框。

图7库文件列表对话框
(3)在图中鼠标单击【查找范围】，选择Protel 99SE自带的元器件原理图符号库的存放路径。
(4)在元器件原理图符号库列表框中单击所需要的库文件，例如“Miscellaneous Devices.ddb”，然后单击Add按钮，被选中的文件就会出现在【Selected Files】列表框中。
(5)重复上述操作，将所需要的库文件都加到列表框中，然后单击OK。
(6)若想移除某个已装入的元件库，只要在【Selected Files】列表框中选中该文件，单击Remove按钮即可。
4.3原理图放置元件
(1) 电容、电阻等常用元件也在Miscellaneous Devices.Lib库里，该应该已经在 Libraries面板中被选择。
(2) 在Libraries面板的元件过滤器栏键入cap或res。
(3) 在元件列表中点击元件选择它，然后点击Place按钮。现在在你的光标上悬浮着一个电容符号。
(4)按TAB键编辑电容的属性。在Component Properties对话框的Properties单元，设置Designator，检查PCB封装模型。
(5)规则栏的设置将显示在原理图中。点击规则列表中的Add显示Parameter Properties对话框，进行相应的设置。
4. 4连接电路
连线起着在你的电路中的各种元件之间建立连接的作用。
(1)从菜单选择Place »Wire或从Wiring Tools工具栏点击Wire工具进入连线模式。光标将变为十字形状。
(2)将光标放在元件一端。当你放对位置时，一个红色的连接标记会出现在光标处。这表示光标在元件的一个电气连接点上。
(3)左击或按ENTER固定第一个导线点。移动光标你会看见一根导线从光标处延伸到固定点。
(4)将光标称到Q1的基极上，你会看见光标变为一个红色连接标记。左击或按ENTER连接到Q1的基极。
(5)完成这部分导线的放置。注意光标仍然为十字形状，表示你准备放置其它导线。要完全退出放置模式恢复箭头光标，你应该再一次右击或按ESC。
4.5电气法则测试
选择菜单命令Tools/ERC，系统弹出【Setup Electrical Rule Check】设置对话框，进行相应设置后点击OK即可进行电器检测。正确的电气检测报告如图12所示。

图8 ERC报告

图9 完整的原理图

5 PCB板制作
5.1由原理图生成网络表
(1) 选取菜单命令Design/Creatlist，系统弹出【Netlist Creation】对话框。
(2) 设置完成后点击OK按钮即可创建网络表。

图10网络报表
5.2创建PCB文件
使用菜单命令File/New，在弹出的对话框中选择PCB Document建立PCB文件。在PCB编辑器中KeepOutLayer画如下的方框图。
5.3导入元器件
(1) 在PCB编辑器中选取菜单命令Design/Load Nets，打开【Load/Forward Annotate Netlist】对话框。
(2) 单击对话框中的Browse按钮弹出【Select】对话框，就可以选择网络表文件。
(3) 选择网络表后程序自动生成相应的宏网络，生成所有宏网络的对话框如下图。

图11正确生成网络宏的对话框
(4)正确生成所有宏网络后，单击Execute按钮，即可开始载入网络表和元器件封装 .
5.4元器件的布局与布线
在PCB编辑器中选择菜单命令Tools/Auto Placement，在弹出的对话框中进行相应的设置后即可完成自动布局，自动布局后还可手工调整布局，本设计采用的是手动布局。
进行布线设置后，执行Auto Route/All后开始自动布线，也可手工布线。
布线后的不同效果图如下图所示。

图12完整PCB效果图

武汉理工大学protel课程设计
6 PROTUSE仿真
经过PROTUSE仿真软件仿真结果如下：仿真结果说明本设计可以实现预定功能。

7 Protel设计总结：
作为电路设计必须使用的软件，Protel99se被现代电子设计者们广泛的使用，我们作为电子信息工程专业的学习者，掌握这种实用性好、专业性强的软件。
经过对Protel99se一周的学习和应用，从开始的无法上手，到现在的马马虎虎，虽然不能说做的很好，但是自己看到了自己的进步，从这点上还是很高兴的。
开始是按设计图布线，第一次做用的汉化版，所以熟悉的也要快点，在设计的时候就出现了问题，有些元件在库中的管脚长度是一定的，这让线路会发生转折影响美观，经过摸索，发现元件可以自己编辑，我就把电阻的管脚长度从缩短了一半，这样就可以了，最开始不知道要封装，所以第一次没有封装，然后进行ERC电气检查，有很多错误，然后返回SCH制作页面，发现是有2个网络标号标记错误和一条总线断掉，修改错误后再检查就没问题了。
然后是制作网络表，这时我是靠观看视频来学习的，再是创建PCB电路板，这时就发现有很多错误，这时我才知道元件需要仔细设置Footprint，即元件的封装，我上网搜了一个封装表，里面有很多封装形式，电阻电容都有它各自的封装形式，于是我对它们进行封装，再制作网络表导入PCB，发现还是有问题，后来才发现，我们Protel99se软件本身就有一个PCB封装库，一些常用元件就有它自己的封装，如果没有封装形式，就需要按照元件实际大小进行封装设计，这时再对SCH文件中进行封装，制作网络表，从60个错误剩下了只有4个错误了，这4个错误都和电阻R1有关，经过分析，最后发现是最开始做SCH文件时，自己编辑电阻管脚长度忘记管脚NODE的标记，这样再对它进行修改后，网络表中就没有错误了。
导入PCB的制作，PCB的制作有很多规则，首先要满足可行性，再是要节省，画出板的大小后，就可以将元件添加进去了，第一次手动布线，花了很长时间还是做不好，最后采用了自动布线，我想，一块好的PCB需要人的手动布线，好的手动布线需要人长时间的训练磨出来的，制作好PCB后是铺地，然后是打印预览，这时就发现了汉化版的不足，汉化版的打印预览这个功能丢失了，发现把C:\WINDOWS\CLIENT99SE.删除就可以了。
参考文献

《电子技术基础试验数字部分》（武汉理工大学教材中心，2008年）

《电子技术基础数字部分（第五版）》（高等教育出版社，2006年）

《电子线路设计·实验·测试》 第二版，谢自美 主编，华中科技大学出版社

《电子技术基础课程设计》，孙梅生等编著，高等教育出版社

附录
设计所用仪器及器件：

17