毕业设计（论文）-单片机控制循环彩灯.doc

四川托普信息技术职业学院 四川托普信息技术职业学院毕 业 设 计 论 文题目： 循环彩灯 学生姓名 * * *学生学号 * * *专业方向 电子信息工程指导教师 * * *指导单位 四川托普信息技术职业学院*年*月*日摘 要由于近年来彩灯越来越被人们运用，它不仅能美化环境，渲染气氛，还可用于娱乐场所和电子玩具中，可以说运用范围非常的广泛。而且现以该课题为例进行分析与设计可编程的彩灯控制的电路也很多，构成方式和采用的集成片种类、数目更是五花八门，更有专门的可编程循环彩灯控制电路。所以，这是一项非常具有实用性的课题，是非常值得了解和使用的。本文就是通过运用AT89C51单片机控制方案，来实现对LED灯的控制。本方案以AT89C51单片机作为主控核心，进一步熟悉和掌握单片机的结构及工作原理,掌握单片机的接口技术及相关外围芯片的特性。控制方法：在整个设计过程中，具体是以单片机为核心，74LS06芯片为辅助来控制LED灯的闪烁。通过变压系统把220V的交流电变压成9V的直流再通过桥式振流，稳压滤波成5V直流然后输入到单片机、06芯片再到LED灯中然后对整个电路进行调试，最后烧入程序对LED灯进行各种形式的闪烁、循环。通过实际程序设计和调试，逐步掌握模块化程序设计方法和调试技术，然后根据课程设计，掌握以单片机核心的电路设计的基本方法和技术，了解有关电路参数的计算方法。通过完成一个包括电路设计和程序开发的完整过程，了解开发单片机应用系统的全过程。关键字：单片机AT89C51、74LS06芯片、7805稳压片、80C51单片机、循环目 录摘 要2第一章 引 言4第二章 设计原理52.1 概述52.1.1 复位系统62.1.2 晶振系统72.1.3 电源系统72.1.4 驱动系统92.1.5 显示系统10第三章元件介绍113.1 单片机113.2 稳压片780514第四章 原理图及Protel 99SE的使用164.1 原理图164.2Protel99SE的使用174.2.1 电路板的设计174.2.2 原理图的设计流程18第五章 PCB板的印制和制作195.1 PCB板的设计195.1.1 原理图的设计195.1.2 电路板的设计195.1.3 电路板的制作23第六章 电路调试246.1 仪器仪表的使用246.1.1 数字万用表的使用246.2 调试256.3 故障分析和排除方法25第七章 结 论267.1 实验证明267.2 心得体会26参考文献28致 谢29附 录30第一章 引 言近年来，彩灯对于美化、亮化城市有着不可轻视的重要工作。因此作为城市装饰的彩灯需求量越来越大，对与彩灯的技术和花样也越来越高。但传统的彩灯控制电路一般是由数字电路组成，这种彩灯控制器电路结构复杂、成本较高、功率损耗大，此外从功能效果上看，彩灯模式少而且样式单调，缺乏用户可操作性，影响亮灯效果。因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。而单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。LED彩灯具有成本低、发光纯度高、发光热量小、耗电量低、超长寿命的特点。所以利用单片机作LED彩灯控制，不仅是使控制花样、路数大大增加,成本也很低，而且对环境能源没有污染，有着很大的发展前景。本方案是一种基于AT89C51单片机的彩灯控制方案，实现对LED彩灯的控制。主要以AT89C51单片机作为主控核心与发光二极管、晶振、复位、电源等组成电路，利用软件编辑实现彩灯流水灯的效果。第二章 设计原理复位部分晶振部分电源部分AT89C51单片机74LS06驱动部分LED显示部分2.1 概述图 2-1 循环彩灯系统总体设计框图本设计主要以AT89C51单片机作为主控核心与晶振、复位、电源、发光二极管等组成电路。其中晶振电路为系统提供基本的时钟信号；复位电路防止程序的走飞和死机；电源部分电路为整块电路板提供电源；驱动部因为单片机引脚的驱动能力较弱，让单片机通过反向驱动芯片74LS06保证LED灯能正常运行；显示部分二极管和限流电阻与驱动芯片连接，经过反向低电平，发光二极管导通，二极管亮，反之则不亮。如图2-1所示。最后利用软件编辑实现彩灯流水灯的效果。以下将对这六个系统进行详细介绍。初步设计如下：1.设计单片机的最小系统、电源电路、驱动及显示系统；2.通过Protel99SE软件绘制原理图并导出PCB板；3.排列LED灯形成一个较为好看的样式并且使线路变得较为简单易走；4.设计程序并对电路板进行调试；5.根据设计的程序对LED灯实现花式流水的效果。2.1.1 复位系统图2-2 手动复位在复位过程中，控制CPU的复位状态：这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。无论用户使用哪种类型的单片机，总要涉及到单片机复位电路的设计。而单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。基本的复位方式：单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。如图2-2手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。在接通电源瞬间，电容C3上的电压很小，复位下拉电阻上的电压接近电源电压，即RST为高电平，在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降，当RST端的电压小于某一数值后，CPU脱离复位状态，由于电容C3足够大，可以保证RST高电平有效时间大于24个振荡周期，CPU能够可靠复位。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。手动按钮复位的电路如图22所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。手动复位按键也是为了避免死机时无法可靠复位而设。2.1.2 晶振系统 图2-3 晶振系统单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器。AT89C51引脚XTAL1和XTAL2、晶振、电容C2/C3及片内与非门（作为反馈、放大元件）按图2-3所示构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容C5、C6的容量有关，但主要由晶振频率决定，范围在033MHz之间，电容C5、C6取值范围在5-30pF之间。本设计中采用12MHZ做为系统的外部晶振，电容取值为33pF。它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率中。其作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。2.1.3 电源系统图2-4 单片机电源系统首先我们要完成最基本，最必须的电源部分安装调试，任何电路都离不开电源部分，单片机系统也不例外，而且我们应该高度重视电源部分，不能因为电源部分电路比较简单而有所忽略，其实有将近一半的故障或制作失败都和电源有关，电源部分做好才能保证电路的正常工作。其主要原理是把单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换成稳定的直流电压。变压过程中波形的变换如图2-5(a)、（b）、(c)、(d)所示。220V交流电压通过变压器变为9V交流电压 9V整流电压 图2-5 （b）图2-5 （a） 9V电压通过稳压器变为5V直流电压 9V滤波电压图2-5（d） 图2-5 （c）图2-5 电源系统波形变换图1.变压本次是在初级接入220V电压经过变压器，次级就会输出9V的交流电压。变压后输出的图形成正弦波，交流变压波形如图2-5中的(a)图所示。2.整流半波整流利用二极管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。桥式整流器利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出，输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分如图2-5中(b)图所示。3.滤波在设计中整流电路的输出的接近5V电压不是纯粹的直流，与直流相差很大，波形中含有较大的脉动成分，获得比较理想的直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件（如电容、电感）组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压。如图5-2中(c)图所示。4.稳压设计中主要采用7805稳压片来稳定电压，它具有扩流和过压保护功能的 5V稳压电源电路。当接入适当的外部器件后，就能获得我们需要的而且比较稳定的5V直流电压，得到的波形如图2-5中的(d)图所示。设计中我们还外加一个扇热器，帮助稳压片扇热。2.1.4 驱动系统图2-6 06芯片结构图之所以要在LED灯前加一个06芯片来驱动，是为了确保灯能够拥有足够的电压来正常工作。假设LED灯的高低电平值是+10V和-10V，本单片机的供电电压为+5V，对于单片机来说，IO口的高电平是+5V，低电平为0V，那么这个电压值完全无法操作LED灯。因为不能得到它所需要的电平值，所以当单片机发出一个高电平+5V时，设备LED灯检测到还没有达到+10V，所以仍无法检测到信号，这时候就需要加额外的驱动芯片，使单片机的+5V通过驱动芯片输出为+10V以上，单片机的低电平0V通过芯片输出为-10V，这样就可以满足灯的需求了（驱动芯片的工作电压一般为芯片的高低电平电压）。2.1.5 显示系统图2-7 显示系统整个设计的显示部分完成在LED 灯上显示所写程序的效果。整个设计一共有14盏LED灯，在最后的PCB板上可看到用这14盏灯排列而成的简易的“飞机”的形状。在最后烧写程序时，就会在这架简易飞机上显示出从上到下LED灯依次点亮，或全亮等等不同的效果。而图中用的74LS06芯片主要是为了保证LED灯与单片机之间的正常运行，起到一个驱动LED灯正常导通的作用。而后面的470欧的电阻是上拉电阻，同样是为了保证LED的正常运行而设。这个部分应该是整个设计中较为简易的部分，但是走线繁多，在最后的PCB板中，它是走线最为密集的部分。第三章 元件介绍3.1 单片机图3-1 单片机原理图单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有的CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进入复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。单片机自动完成赋予它任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作，单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是按一条条顺序存放的，单片机在执行程序时需要把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，在PC中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。接下来将对单片机各管脚功能进行如下简要说明。1.VCC：供电电压。 2.GND：接地。 3.P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。4.P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 5.P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。此时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。当P2口用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 6.P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。此外，P3口还可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表3.1所示。P3口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）表3.1 P3口特殊功能P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入：当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：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，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，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：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编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.2 稳压片7805图3-2 稳压片原理图7805是一种固定式的三端集成稳压器，它可以在满足一定条件下输出5V电压。三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。从正面看1、2、3引脚从左向右按顺序标注，接入电路时1脚电压高于2脚，3脚为输出位。如对于78*正压系列，1脚高电位，2脚接地，对与79*负压系列，1脚接地，2脚接负电压，输出都是3脚。此外，还应注意散热片总是和接地脚相连。这样在78*系列中，散热片和2脚连接，而在79*系列中，散热片却和1脚连接。78XX系列集成稳压器的典型应用电路，是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。IC采用集成稳压器7805，C5、C6分别为输入端和输出端滤波电容，R3为负载电阻。当输出电流较大时，7805应配上散热板。稳压二极管VD1串接在78XX稳压器1脚与地之间，可使输出电压Uo得到一定的提高，输出电压Uo为78XX稳压器输出电压与稳压二极管VC1稳压值之和。VD2是输出保护二极管，一旦输出电压低于VD1稳压值时，VD2导通，将输出电流旁路，保护7800稳压器输出级不被损坏。7805的电参数如下：参数符号测试条件最小值典型值最大值单位输出电压VoTj=254.85.05.2V线性调整率VoTj=25,Vi=7.5V to 25V4.0100mV负载调整率VoTj=25,lo=5.0mA to 1.5A9100mV静态电流IQTj=255.08mA静态电流变化率IQlo=5mA to 1.0A 0.030.5mA输出电压温漂Vo/Tlo=5mA 0.8mV/ 输出噪音电压VNf=10Hz to 100KHz,Ta=2542V纹波抑制比RRf=120Hz,Vi=8V to 18V 6273dB输入输出电压差Volo=1.0A,Tj=252V输出阻抗Rof=1KHz15m短路电流1SCVi=35V,Ta=25230mA峰值电流1PKTj=252.2A 表3-2 7805电参数第四章 原理图及Protel99SE的使用4.1 原理图 图4-1 循环彩灯原理图4.2 Protel99SE的使用4.2.1 电路板的设计一般而言，设计电路板最基本的过程可以分为三大步骤。1. 电路原理图的设计电路原理图的设计主要是Protel99SE的原理图设计系统（Advanced Schematic）来绘制一张电路原理图。在这一过程中，要充分利用Protel99SE所提供的各种原理图绘图工具、各种编辑功能，来实现我们的目的，从而得到一张正确、精美的电路原理图。2. 产生网络表网络表是电路原理图设计（SCH）与印制电路板设计（PCB）之间的一座桥梁，它是电路板制作的灵魂。网络表可以从电路原理图中获得，也可从印制电路板中提取出来。3. 印制电路板的设计 印制电路板的设计主要是针对Protel99SE的另外一个重要的部分PCB而言的，在这个过程中，我们借助Protel99SE提供的强大功能实现电路板的版面设计，完成高难度的工作。4.2.2 原理图的设计流程原理图的设计可按下面过程来完成。1设计图纸大小Protel99SE/ Schematic后，首先要构思好零件图，设计好图纸大小。图纸大小是根据电路图的规模和复杂程度而定的，设置合适的图纸大小是设计好原理图的第一步。2.设置Protel99SE/Schematic设计环境通过设置Protel99SE/Schematic来设计，包括设置格点大小和类型，光标类型等等，大多数参数也可以使用系统默认值。3.旋转零件。用户根据电路图的需要，将零件从零件库里取出放置到图纸上，并对放置零件的序号、零件封装进行定义和设定等工作。4.有原理图布线。利用Protel99SE/Schematic提供的各种工具，将图纸上的元件用具有电气意义的导线和符号连接起来，构成一个完整的原理图。5.调整线路。将初步绘制好的电路图做进一步的调整和修改，使得原理图更加美观。6.报表输出。通过Protel99SE/Schematic提供的各种报表工具生成各种报表，其中最重要的报表是网络表，通过网络表为后续的电路板设计作准备。开 始设置图片大小设置环境放置元件原理图布线输出报表存盘打印结 束7.文件保存及打印输出。最后的步骤是文件保存及打印输出。原理图的设计流程图如图4-2所示。图4-2 原理图设计流程第五章 PCB板的印制和制作根据目前印制电路板制造技术的发展趋势，印制电路板的制造难度越来越高，品质要求也越来越严格。为确保印制电路板的高质量和高稳定性，实现全面质量管理和环境控制，必须充分了解印制电路板制造技术的特性。5.1 PCB板的设计5.1.1 原理图的设计1编辑原理图设计环境，建立起自己的文件夹，然后在Browse Library 菜单中找到需要的元件，并且修改元件名称、封装库、大小，用原理图绘图工具连线，如果元件库里面没有我们想要的元件，就要画出自己定义的非标准器件的封装库，建议将自己所画的器件都放入一个自己建立的PCB库专用设计文件。当中应注意线与线、线与元件的连接点是否正确，尽量避免错接、重复连接。2原理图初步完成后，进行电气规则检查和标注，得出报告，有错误就要修改原理图，无错误则进入下一步，生成对应的网络表。当然，有些特殊情况，如电路板比较简单，已经有了网络表等情况下也可以不进行原理图的设计，直接进入PCB设计系统，在PCB设计系统中，可以直接取用零件封装，人工生成网络表。3.手工更改网络表，将一些元件的固定引脚在原理图上没有的焊盘定义到与它相通的网络上，没任何物理连接的可定义到地或保护地等。将一些原理图和PCB封装库中引脚名称不一致的器件引脚名称改成和PCB封装库中的一致，特别是二、三极管等。5.1.2 电路板的设计1.进入PCB系统后的第一步就是设置PCB设计环境，包括设置格点大小和类型、光标类型、版层参数、布线参数等等。大多数参数都可以用系统默认值，而且这些参数经过设置之后，符合个人的习惯，以后无须再去修改。 2.规划电路版，主要是确定电路板的边框，包括电路板的尺寸大小等等。在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘。对于4mm 的螺丝可用7-9mm 的外径和1.5-2.5mm 内径的焊盘对于标准板可从其它板或PCB Library 中调入。注意：在绘制电路版的边框前，一定要将当前层设置成Keep Out层，即禁止布线层。 3.打开所有要用到的PCB 库文件后，调入网络表文件和修改零件封装，这一步是非常重要的一个环节，网络表是PCB自动布线的灵魂，也是原理图设计与印象电路版设计的接口，只有将网络表装入后，才能进行电路版的布线。 在原理图设计的过程中，ERC检查不会涉及到零件的封装问题。因此，原理图设计时，零件的封装可能被遗忘，在引进网络表时可以根据设计情况来修改或补充零件的封装。当然，可以直接在PCB内人工生成网络表，并且指定零件封装。 4.Protel99SE可以进行自动布局,也可以进行手动布局。如果进行自动布局，运行Tools下面的Auto Place这个命令，你需要有足够的耐心。布线的关键是布局，多数设计者采用手动布局的形式。用鼠标选中一个元件，按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键，将该元件固定。Protel99SE在布局方面新增加了一些技巧。新的交互式布局选项包含自动选择和自动对齐。使用自动选择方式可以很快地收集相似封装的元件，然后旋转、展开和整理成组，就可以移动到板上所需位置上了。当简易的布局完成后，使用自动对齐方式整齐地展开或缩紧一组封装相似的元件。 提示：在自动选择时，使用Shift+X或Y和Ctrl+X或Y可展开和缩紧选定组件的X、Y方向。 注意：零件布局，应当从机械结构散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面综合考虑。先布置与机械尺寸有关的器件，并锁定这些器件，然后是大的占位置的器件和电路的核心元件，再是外围的小元件。 5.根据情况再作适当调整然后将全部器件锁定,假如板上空间允许则可在板上放上一些类似于实验板的布线区。对于大板子，应在中间多加固定螺丝孔。板上有重的器件或较大的接插件等受力器件,边上也应加固定螺丝孔，有需要的话可在适当位置放上一些测试用焊盘，最好在原理图中就加上。将过小的焊盘过孔改大，将所有固定螺丝孔焊盘的网络定义到地或保护地等。放好后用VIEW3D功能察看一下实际效果，存盘。6.布线规则设置,布线规则是设置布线的各个规范（像使用层面、各组线宽、过孔间距、布线的拓朴结构等部分规则，可通过Design-Rules的Menu处从其它板导出后，再导入这块板）这个步骤不必每次都要设置，按个人的习惯，设定一次就可以。选Design-Rules 一般需要重新设置以下几点:(1).安全间距(Routing标签的Clearance Constraint) 它规定了板上不同网络的走线、焊盘、过孔等之间必须保持的距离。一般板子可设为0.254mm，较空的板子可设为0.3mm，较密的贴片板子可设为0.2-0.22mm，极少数印板加工厂家的生产能力在0.1-0.15mm，假如能征得他们同意你就能设成此值。0.1mm 以下是绝对禁止的。(2).走线层面和方向（Routing标签的Routing Layers）此处可设置使用的走线层和每层的主要走线方向。请注意贴片的单面板只用顶层，直插型的单面板只用底层，但是多层板的电源层不是在这里设置的（可以在Design-Layer Stack Manager中点顶层或底层后，用Add Plane 添加，用鼠标左键双击后设置，点中本层后用Delete 删除），机械层也不是在这里设置的（可以在Design-Mechanical Layer 中选择所要用到的机械层，并选择是否可视和是否同时在单层显示模式下显示）。机械层1一般用于画板子的边框；机械层3一般用于画板子上的挡条等机械结构件；机械层4一般用于画标尺和注释等，具体可自己用PCB Wizard 中导出一个PCAT结构的板子看一下。(3).过孔形状（Routing标签的Routing Via Style）它规定了手工和自动布线时自动产生的过孔的内、外径，均分为最小、最大和首选值，其中首选值是最重要的，下同。(4).走线线宽（Routing标签的Width Constraint）它规定了手动和自动布线时走线的宽度。整个电路板范围的首选项一般取0.2-0.6mm，另添加一些网络或网络组（Net Class）的线宽设置，如地线、+5 伏电源线、交流电源输入线、功率输出线和电源组等。网络组可以事先在Design-Netlist Manager中定义好，地线一般可选1mm 宽度，各种电源线一般可选0.5-1mm 宽度，印板上线宽和电流的关系大约是每毫米线宽允许通过1安培的电流，具体可参看有关资料。当线径首选值太大使得SMD 焊盘在自动布线无法走通时，它会在进入到SMD 焊盘处自动缩小成最小宽度和焊盘的宽度之间的一段走线，其中Board 为对整个板的线宽约束，它的优先级最低，即布线时首先满足网络和网络组等的线宽约束条件。(5).敷铜连接形状的设置（Manufacturing标签的Polygon Connect Style） 建议用Relief Connect 方式，导线宽度Conductor Width 取0.3-0.5mm 4 根导线45 或90 度。其余各项一般可用它原先的缺省值，而像布线的拓朴结构、电源层的间距和连接形状匹配的网络长度等项可根据需要设置。选Tools-Preferences，其中Options 栏的Interactive Routing 处选Push Obstacle （遇到不同网络的走线时推挤其它的走线，Ignore Obstacle为穿过，Avoid Obstacle 为拦断）模式并选中Automatically Remove （自动删除多余的走线）。Defaults 栏的Track 和Via 等也可改一下，一般不必去动它们。在不希望有走线的区域内放置FILL 填充层，如散热器和卧放的两脚晶振下方所在布线层，要上锡的在Top 或Bottom Solder 相应处放FILL。布线规则设置也是印刷电路版设计的关键之一，需要丰富的实践经验。 7.自动布线和手工调整(1).点击菜单命令Auto Route/Setup 对自动布线功能进行设置选中除了Add Testpoints 以外的所有项，特别是选中其中的Lock All Pre-Route 选项，Routing Grid 可选1mil 等。自动布线开始前Protel99SE 会给你一个推荐值可不去理它或改为它的推荐值，此值越小,电路板就越容易100%布通，但布线难度和所花时间越大。(2).点击菜单命令Auto Route/All 开始自动布线假如不能完全布通则可手工继续完成或UNDO 一次（千万不要用撤消全部布线功能，它会删除所有的预布线和自由焊盘、过孔）后调整一下布局或布线规则，再重新布线。完成后做一次DRC，有错则改正。布局和布线过程中，若发现原理图有错则应及时更新原理图和网络表，手工更改网络表（同第一步），并重装网络表后再布。(3).对布线进行手工初步调整需加粗的地线、电源线、功率输出线等加粗，某几根绕得太多的线重布一下，消除部分不必要的过孔，再次用VIEW3D 功能察看实际效果。手工调整中可选Tools-Density Map 查看布线密度，红色为最密，黄色次之，绿色为较松，看完后可按键盘上的End 键刷新屏幕。红色部分一般应将走线调整得松一些，直到变成黄色或绿色。 8.如果器件需要重新标注可点击菜单命令Tools/Re-Annotate 并选择好方向后，按OK钮。并回原理图中选Tools-Back Annotate 并选择好新生成的那个*.WAS 文件后，按OK 钮。原理图中有些标号应重新拖放以求美观，全部调完并DRC 通过后，拖放所有丝印层的字符到合适位置。注意字符尽量不要放在元件下面或过孔焊盘上面。对于过大的字符可适当缩小，DrillDrawing 层可按需放上一些坐标（Place-Coordinate）和尺寸（Place-Dimension）。最后再放上印板名称、设计版本号、印板文件名、文件加工编号等信息。9.对所有过孔和焊盘补泪滴补泪滴可增加它们的牢度，但会使板上的线变得较难看。顺序按下键盘的S 和A 键（全选），再选择Tools-Teardrops，选中General 栏的前三个，并选Add 和Track 模式，如果你不需要把最终文件转为Protel99SE的DOS 版格式文件的话也可用其它模式，后按OK钮。完成后顺序按下键盘的X 和A 键（全部不选中）。对于贴片和单面板一定要加。10.整理和打印各种文档如元器件清单、器件装配图（并应注上打印比例）、安装和接线说明等。5.1.3 电路板的制作在此之前，最好还要有一个审核的过程。准备一个铜板，用砂子布将铜表面砂一遍，因为铜露置在空气中表面会氧化，然后把整理好PCB图纸通过打印机打印出来，再进行图纸热转印，在热转印时应注意机器的温度一定要等到有150度在进行热转印，不然会导致断线的情况。转印完成之后要仔细检查有没有断线的地方，如果有可以用白板笔补线，如果断线比较多就应重新打印图纸。然后利用三氯化铁进行腐蚀，腐蚀的时候应该晃动板子，这样可以加速腐蚀速度，完后应用水小心冲洗，冲洗干净后用砂子补将将表面的黑漆擦去，再涂上助焊剂，最后就能得到满意的电路板。最后比较重要的一步就是钻孔，在钻孔前应选用合适的钻头，过大会导致钻掉焊盘，过小会导致元件插不进去。选好钻头以后要先找个没有用的板子试钻，因为我们大都是第一次用打孔机，还应注意钻头在钻动时钻尖会不会有弧形，有就说明钻头是歪的，应进行更换或是进行校正。第六章 电路调试6.1 仪器仪表的使用 6.1.1 数字万用表的使用1.交、直流电流的测量 根据测量电流的大小选择适当的电流测量量程和红表笔的插入孔，测量直流时，红表笔接触电压高一端，黑表笔接触电压低的一端，正向电流从红表笔流入万用表，再从黑表笔流出，当要测量的电流大小不清楚的时候，先用最大的量程来测量，然后再逐渐减小量程来精确测量。2.交、直流电压的测量红表笔插入“V/”插孔中，根据电压的大小选择适当的电压测量量程，黑表笔接触电路“地”端，红表笔接触电路中待测点。特别要注意，数字万用表测量交流电压的频率很低（45500Hz），中高频率信号的电压幅度应采用交流毫伏表来测量。3.二极管导通电压检测 若按图61（a）接法测量，则被测二极管正向导通，万用表显示二极管的正向导通电压，单位是mV。通常好的硅二极管正向导通电压应为500mV-800mV，好的锗二极管正向导通电压应为200mV-300mV。假若显示“000”，则说明二极管击穿短路，假若显示“1”，则说明二极管正向不通。若按图61（b）接法测量，应显示“1”，说明该二极管反向截止，若显示“000”或其它值，则说明二极管已反向击穿。(a) (b)图6-1 测量二极管6.2 调试1.首先应检查电路中元器件的焊接是否正确，尽量避免元件引脚虚焊、掉焊、或由于焊接不当造成的电路短路。再用万用表检测电路中是否有短路现象，注意正确选择量程及红表笔插孔。对未知量进行测量时，应首先把量程调到最大，然后从大向小调，直到合适为此。若显示“1”，表示过截，应加大量程。改变量程时，表笔应与被测点断开。2.然后接通电源，调试的过程中首先应测量变压器的电压，应该在9V左右，然后测量单片机电源与接地之间的电压，应在5V左右。最后，测量单片机接地脚与其他引脚，即P0口、P2口（因为在设计过程中只用到了P0口和P2口）之间的电压，也应该在5V左右。如果以上测量值都符合，那么整个板子基本就没有电路上的连接问题。3.通过Proteus和keil c 仿真软件，先在电脑上模拟演示，在模拟的过程中还比较顺利，因为这个设计在程序编写上是我们之前反复练习过的，所以没有太大的困难。在电脑上模拟仿真时还比较顺利，没出什么大问题。4.用万用表测量各个线路的电压是否正常，是否导通，有无虚焊等。给出高电平的时候，LED灯电压是否是在5V左右，给出低电平的时候LED灯电压是否在0V左右。6.3故障分析和排除方法1.在第一次调试的过程中，变压器的两根220V交流的导线，一根是火线一根是零线，没有注意把它们用绝缘胶布给完全分开，所以，在第一次通电的过程中，两根导线短路，发出了爆炸声，并把变压器烧坏了，非常危险。这是一个常识性的错误，自己必须反思，这样的错误是绝对不能在犯的。2.在调试的过程中，出现了一个严重的问题，不管烧进什么样的程序，LED灯不显示任何效果。用万用表测量出的电平也完全不正确。经过反复检查，线路，芯片都没问题，最后，在检查PCB图的时候发现，在画06芯片的时候，没有按照芯片的内部结构图来画，把该输出的引脚画成了输入的引脚，画错了整整一半。即芯片内部中，13引脚输入和12引脚输出，而我的图中却画成12引脚输入13引脚输出。芯片本来的设计就是左边引脚全为输入右边引脚全为输出，这样也方便PCB板的走线方便，而在我的图中两边都有输入输出，完全改变了芯片的结构，所以在当时PCB板布线时变得特别复杂，走线特别困难。这么一来，就不再是焊接或者电路的问题了。必须把错误的那一半的引脚走出来的线全部剪断，然后另外接跳线。第七章 结 论7.1 实验证明 1.本课题基本达到了预期要求，各项参数基本正常，并且其设计原理与以往的设计原理不相同。 2.PCB布线过程基本达到预期设想值，并且预期时间内提前完成布线。 3.其中我出现了在腐蚀的时候断线的情况，虽然之后用锡焊接在一起了，但影响了整个板子的美观，这些都是以后值得自己注意的地方。 4.在调试的过程中，发现了74LS06芯片上的引脚出现了错误，是因为画图的时候把芯片右边的输入输出引脚全部画反了，导致了相应引脚连接的LED灯无法点亮，造成了不必要的麻烦。修改连接完成后，LED灯才正常点亮了。出现这个严重的错误让我明白画图其实也是非常需要认真对待的。其中有很多细小有关键的部分，统领着整个板子是否能正常工作。 5.本次毕业设计老师和自己都较为满意，但还是有许多需要改进的地方。7.2 心得体会毕业设计终于完成了，在此期间让我学到了以前上课时没学到或者忘记了的好多知识，感触颇多。制作的过程就是学习的过程，整个设计中囊括了之前学习的大部分知识，让我又对之前学过的知识又重新仔细地学习了一遍。让我对单片机的各部分功能、电源系统的运作原理、Protell99的运用、程序的编写导入、电路板的制作、原件的焊接等的认识更加深刻。通过这次实习让我体会到了一个电子产品从设计、到制板、最后到调试得到产品的全过程。其中需要注意的地方很多，许多参数都很重要，每一步都不好走，而走好每一步才是下一步的关键。实习让我明白了平常都是眼高手低。很多东西觉得自己会,其实知道的只是一些皮毛。我想学任何东西都是要深入进去的,而不是只学到表面的。比如在拿到这项设计之前，我就不知道该如何制作电源系统，把220V的交流电压转换为9V的交流电压，只知道LED循环彩灯部分的的设计。而且在设计06芯片的时候，因为自己的疏忽大意，把芯片的输入输出引脚给画反了，造成了严重的错误，虽然整个板子不用接飞线，但是，因为这个严重的失误，造成了我的板子必须把错误的走线磨掉用飞线纠正过来。多出了很多不必要的步骤，浪费了老师和我自己的很多