Protel课设-交通灯.doc

Protel应用课设任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 武汉理工大学 题 目： 交通灯控制电路印制板图的设计 一、 训练目的主要目的就是对学生进行基础课程、基本技能、基本动手能力的强化训练，提高学生的基础理论知识、基本动手能力，提高人才培养的基本素质。二、 训练内容和要求1、基础课程和基本技能强化训练(1)设计一个交通灯控制电路；(2)对所设计电路的基本原理进行分析； 2.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。3.绘制相应电路原理图的双面印刷版图*.pcb三、 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。四、 初始条件 计算机；Microsoft Office Word 软件；PROTEL软件五、 时间安排 1、 2013年 6月 26日集中，作基础强化训练具体实施计划与报告格式要求的说明；学生查阅相关资料，学习电路的工作原理。2、 2013 年 6 月27 日，电路设计与分析。3、 2013年 6 月 27日至2010 年6 月 30日，相关电路原理图和PCB版图的绘制。4、 2013年7 月 2 日上交基础强化训练成果及报告，进行答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要1Abstract21 Protel简介31.1 Protel的发展历程31.2 Protel 99 SE简介31.3 Protel dxp 2004简介52单元电路设计62.1单片机最小系统62.2数码管模块72.3 LED信号灯模块72.4 独立按键模块83总电路图94 绘制电路的原理图（SCH）104.1 原理图的设计流程104.2 原理图的设计114.2.1创建一个项目114.2.2创建原理图文件114.2.3加载元件库114.3原理图的编辑与调整124.3.1放置导线及电源端子124.3.2标识元件124.4原理图的检查125绘制印刷电路版图（PCB）145.1 PCB的设计流程145.2 双面PCB设计155.2.1 文件链接与命名155.4.2设置电路板的禁止布线区域155.4.3数据的导入155.4.4元器件的自动布局155.4.5自动布线165.4.6手工调整布线165.4.7设计规则DRC检查175.3PCB设计结果176仿真部分196.1 proteus软件介绍196.2仿真结果207总结及心得体会22参考文献23附录2428 / 30摘要随着城市化的推进，我们对交通工具的要求越来越高，希望舒适快速的交通，可是快速加快的交通负荷也给尘世交通出了比较难题，我们不难发现现在城市交通问题日益凸显严重，尤其在城市街道的十字叉路口，频繁发生交通事故，为了保证交通秩序和行人安全，交通部门在每条街上都安装了一组红、黄、绿交通信号灯。电子工业的飞速发展和电子计算机技术的广泛应用，促进了电子设计自动化技术日新月异。特别是在20世纪初80年代末期，由于电子计算机操作系统Windows的出现，引发了计算机辅助设计（CAD）软件的一次大的变革，纷纷臣服于Microsoft的Windows风格。并随着Windows版本的不断更新，也相应的推出新的CAD软件产品。在电子CAD领域，Protel Technology（Altium的前身）公司在EDA软件产品的推陈出新方面扮演了一个重要角色。此次十字路口交通管理控制器的设计是基于Protel dxp 2004，设计共分为3个大的部分，原理图设计，PCB设计和电路的仿真。关键字：Protel 交通灯 PCBAbstractAlong with the advancement of urbanization, to transport demand is higher and higher, we hope to comfortable and fast traffic, but rapidly accelerate the traffic load and traffic to the world out of the more difficult problem, it is not hard to find now urban transport problems highlighted increasingly serious, especially in the cross in the city street intersections, traffic accidents occur frequently, in order to ensure the safety of the pedestrians and traffic order, transport department on every street have installed a set of red, yellow and green traffic lights.With the rapid development of electronic industry and the wide application of computer technology, electronic design automation technology for the ever-changing. Especially in the early 20th century, late 80s, due to the emergence Windows computer operating system. The intersection traffic management controller design is based on protel dxp 2004, the design is divided into three major parts, schematic design, PCB design and circuit simulation. In the design process, Altium Designer schematic drawing of a strong function of PCB design and lay a good foundation. In particular, its board 3D renderings, but also for the preview and the error correction circuit for a lot a lot of convenience. Key words: Protel PCB traffic lights1 Protel简介1.1 Protel的发展历程随着电子工业的飞速发展和电子计算机技术的广泛应用，促进了电子设计自动化技术日新月异。特别是在20世纪初80年代末期，由于电子计算机操作系统Windows的出现，引发了计算机辅助设计（CAD）软件的一次大的变革，纷纷臣服于Microsoft的Windows风格。并随着Windows版本的不断更新，也相应的推出新的CAD软件产品。在电子CAD领域，Protel Technology（Altium的前身）公司在EDA软件产品的推陈出新方面扮演了一个重要角色。从1991年开始，先后推出的EDA软件版本有Protel SE For Windows 98；在2001年8月Protel Technology公司更名为Altium公司，并在2002年该公司有推出了Protel DXP For Windows XP/2000电路板设计软件平台，简称Protel 2004。2006年初，Altium公司推出了附有该公司名称的EDA软件Altium designer 6。这款版本除了全面覆盖和涵盖了Protel 99 SE、Protel 2004在内的之前一系列版本的功能和优点以外，还增加了许多功能。在此基础上，该公司又做了较大的6次更新和改进。1.2 Protel 99 SE简介Protel99SE是Protel公司在80年代末推出的EDA软件,应用广泛功能强大,是个完整的板级全方位电子设计系统。它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能。可见Protel 99 SE不仅在绘制原理图、PCB版布局布线等方面功能更加完善，而且为用户提供功能强大、使用方便的仿真器，它可以对当前所画的电路原理图进行即时仿真，因此在电路的整个设计周期都可以仿真查看和分析其性能指标，以便及时发现设计中存在的问题并加以改正，从而更好的完成电路设计。 Protel99se软件中提供了SIM99se数模混合仿真器集成软件可以对许多电子线路进行模拟设计，模拟运行，反复修改。提供了接近6000个仿真元件和大量的数学模型，可以对电工电路，低频电子线路、高频电子线路和脉冲数字电路在一定范围内进行仿真分析。 仿真结果以多种图形方式输出，直观明了，可以单图精细分析，也可以多图综合比较分析、并可通过不同的角度进行分析，以获得对电路设计的准确判断。Protel 99 se仿真方面其具有的特点有：强大的分析功能用户可以根据Protel99SE电路仿真器所提供的功能，分析设计电路的各方面性能，如电路的交直流特性、温度漂移、噪声、失真、容差、最坏情况等特性。丰富的信号源其中包括基本信号源：直流源、正弦源、脉冲源、指数源、单频调频源、分段线性源，同时还提供了齐全的线性和非线性受控源。充分的仿真模型库Protel99SE提供了20多个模拟和数字仿真元件库，共包含6000多个常用元器件。这些组件库包括了常用二极管、三极管、单结晶体管、变压器，晶闸管、双向晶闸管等分立组件，还有大量的数字器件和其它集成电路器件。同时Protel99SE提供了一个开放的库维护环境，允许设计者改变原有器件模型，也可创建新器件模型。友好的操作界面(1)无需手工编写电路网表文件。系统将根据所画电路原理图自动生成网表文件并进行仿真。(2)通过对话框完成电路分析各参数设置。(3)方便地观察波形信号。可同时显示多个波形，也可单独显示某个波形；可对波形进行多次局部放大，也可将两个波形放置于同一单元格内进行显示并分析比较两者的差别。(4)强大的波形信号后处理，可利用各种数学函数对波形进行各种分析运算并创建一个新的波形。(5)方便地测量输出波形。Protel99SE提供了两个测量光标，打开它们可测量波形数据。1.3 Protel dxp 2004简介 Altium公司作为EDA领域里的一个领先公司，在原来Protel 99SE的基础上，应用最先进的软件设计方法，率先推出了一款基于Windows2000和Windows XP操作系统的EDA设计软件Protel DXP。Protel DXP在前版本的基础上增加了许多新的功能。新的可定制设计环境功能包括双显示器支持，可固定、浮动以及弹出面板，强大的过滤和对象定位功能及增强的用户界面等。Protel DXP是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。Protel DXP运行在优化的设计浏览器平台上，并且具备当今所有先进的设计特点，能够处理各种复杂的PCB设计过程。通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，Protel DXP提供了全面的设计解决方案。Protel DXP2004是Altium公司于2004年推出的最新版本的电路设计软件，该软件能实现从概念设计，顶层设计直到输出生产数据以及这之间的所有分析验证和设计数据的管理。当前比较流行的Protel 98、Protel 99 SE，就是它的前期版本。Protel DXP 2004已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是由多个模块组成的系统工具，分别是SCH（原理图）设计、SCH（原理图）仿真、PCB（印制电路板）设计、Auto Router（自动布线器）和FPGA设计等，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。与较早的版本Protel99相比，Protel DXP 2004不仅在外观上显得更加豪华、人性化，而且极大地强化了电路设计的同步化，同时整合了VHDL和FPGA设计系统，其功能大大加强了。2单元电路设计2.1单片机最小系统AT89S52芯片只需外加晶振、供电电路与复位电路即可构成最小系统，仿真时电源部分隐藏，晶振选择12M满足要求，其最小系统图如图2.1：图2.1 AT89S52最小系统图AT89S52主要性能 与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：0Hz33Hz、三级加密程序存储器1、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、 低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符 。2.2数码管模块在电路设计中，采用四个二位八段共阳数码管，因为数码管内阻影响，导致单片机I/O口输出的5V电压被拉低，因此需要加入驱动电路，在此选择2N3906 PNP型三极管，数码管的八个输入口有单片机的P2口控制。数码管模块电路如图2.2所示。图2.2 二位共阳数码管2.3 LED信号灯模块在电路设计中，需要用LED灯模拟红绿信号灯，分别采用红、黄、绿三色LED灯进行显示，通过P00-P05口控制LED的亮灭，由于单片机的P0口为集电极开路门，所以在使用时需要接上拉电阻接电源。LED电路模块如图2.3所示：图2.3 LED电路模块2.4 独立按键模块本电路在设计中需要设置特殊状态，即禁止单个方向通行，所以要用到独立按键，在设计时，通过按键来停止定时器，同时将数码管显示“00”，指定方向亮红灯禁止通行。按键模块设计比较简单，通过按下按键将P32和P32置低，系统检测到低电平信号后立即响应相关的操作。按键模块如图2.4：图2.4 独立按键模块3总电路图在电路设计中，由于四个方向的倒计时相同，相对面的方向LED灯显示状态相同，所以在仿真时，只采用一组数码管和LED灯进行相关仿真，便于操作与观察，仿真成功后转入实物连接，最终成功将实物制作完成。总的电路图如图3.1所示。图3.1 总电路图4 绘制电路的原理图（SCH）4.1 原理图的设计流程图 4.1 原理图的设计流程图4.2 原理图的设计4.2.1创建一个项目1. 启动Protel dxp 2004 系统。2. 执行菜单命令【file】/【new】/【PCB Project】，弹出项目面板。3. 执行菜单命令【file】/【Save Project】，在弹出的保存文件的对话框中输入文件名“十字路口交通管理控制器”，保存。4.2.2 创建原理图文件1. 执行菜单命令【file】/【new】/【Schematic】,在项目“十字路口交通管理控制器”中创建一个原理图文件。2. 执行菜单命令【file】/【Save】，在弹出的对话框中输入文件名“十字路口交通管理控制器”，保存。4.2.3 加载元件库执行菜单命令【design】/【Add/Remove Library】，单击Install按钮添加所需要的元件库。4.3 原理图的编辑与调整4.3.1放置导线及电源端子1. 执行菜单命令【Place】/【Wire】或单击布线工具栏的放置导线按钮，当光标中心的“X”号变为一个红色“米”字形符号，表示导线的端点与元器件引脚的电气连接点可以正确连接。2. 单击工具栏的电源按钮，光标上出现一个网络标号“VCC”（GND）的“T”型电源符号，放置在原理图中。4.3.2 标识元件可以选用手动标识或者是自动标识元件。自动标识时，执行菜单命令【Tools】/【Annotate/Schematics Quietly】，系统及完成对当前原理图的自动标识。4.4 原理图的检查原理图绘制完成后，要进行检查。因为原理图与其他的图不同，不是简单的电路的点和线，而是代表着实际的电器元件和它们之间的相互连接。因此，它们之间不仅仅具有一定的拓扑结构，还必须遵循一定的电气规则（Electrical Rules）。电气规则检查（ERC）是进行电路原理图设计过程中非常重要的步骤之一；原理图的电气规则检查是发现一些不应该出现的短路、开路、多个输出端子短路和未连接的输入端子等。电气规则检查还对原理图中所用元件里，若有元件输入端有定义，则对该元件的输入端进行是否有信号源的检查，若没有直接信号源，系统会提出警告。做好的办法就是在该端放置“NO ERC”。在Altium designer中，首先要进行编译参数的设置，包括错误报告类型的设置，电气连接矩阵的设置、类型设置、比较器设置和设置输出路径及网络设置。当完成编译参数设置后，就可以对项目进行编译了。Altium designer为用户提供了两种编译，一种是对原理图的编译，另一种是对工程项目进行编译。无论哪种编译，编译后系统都会通过信息面板给出一些错误信息或警告。没有错误信息或者是放置了“NO ERC”标志，信息面板是空的。如果出现了错误信息，可以通过单击错误信息指针，弹出编译错误面板，双击面板上的错误选项，系统会自动定位错误元件。编辑改正所有的错误后，得到最终的原理图如图4.2所示。图 4.2 十字路口交通管理控制器总原理图可以看出，图4.2所示原理图，线路较为复杂。因此，可以采取以下方法对原理图进行改进。可以将原理图分成控制器部分、定时部分、数码管显示部分和时间预置和调整等5个部分，各部分通过网络标号相互连接。5绘制印刷电路版图（PCB）5.1 PCB的设计流程图 5.1 PCB的设计流程图5.2 双面PCB设计5.2.1 文件链接与命名1. 引入设计项目 执行菜单命令【File】/【Open Project】，引入设计项目。2. 建立空白PCB文件 执行菜单命令【File】/【New】/【PCB】，即可完成PCB文件的建立。3. 命名PCB文件 在PCB编译环境中，执行菜单命令【File】/【Save As】将“PCB1”更名为“交通灯”。4. 移出文件 如果要将某个文件从项目中移除，在Projects面板的工作区中右击该文件，在弹出的菜单中执行移出命令即可。5.4.2设置电路板的禁止布线区域1. 在PCB编辑器工作状态下，设定当前的工作层面为“Keep-Out Layer”。2. 确定电路板的电器边界。执行菜单命令【Place】【Line】，光标变为十字状。3. 将光标移到工作窗口中的适当位置，确定一边界的起点。然后拖动光标至某一点，再确定电器边界一边的终点。5.4.3数据的导入1. 在原理图编辑器中，选择菜单命令【Design】/【Import Changes From十字路口交通管理控制器.PrjPcb】.2. 选择“生效更改”，系统会对所有的元件信息和网络信息进行检查。单击“执行更改”，若没有错误，所有的元件和飞线会自动加入到PCB文件中的元件空间中。若有错误，则需要进行相应的改正。5.4.4元器件的自动布局1. 在PCB编辑器中，执行菜单命令【Tools】/【Comment Placement】，选择所需要的布局方式。2. 执行菜单【Auto Placer】命令，在弹出的对话框中选择元件自动布局的方式。3. 设置元件的自动布局参数。在Altium Designer中可以进行元件封转的调换，无论是在PCB或者是原理图的编辑过程中均可以实现。在项目设计的过程中，可以进行PCB与原理图的双向更新，以方便的实现对原理图或电路板中的某些参数进行修改，如元件的标号、封装等。通过双向更新，修改状况就会同时反映到电路板和原理图中去。图 5.2 出现在元件空间的PCB5.4.5自动布线1. 执行菜单命令【Auto Route】，选择自动布线的方式。2. 对于双层电路板，单击“全局布线”按钮即可进入自动布线状态，可以看到PCB上自动布线的全过程，同时显示相应的信息框。5.4.6手工调整布线1. 手工布线1) 启动导线放置命令，光标变为十字状，表示出于导线放置模式。可以开始手工布线。2) 在布线时按小键盘上的“*”键可以切换到布线层，同时自动放置过孔。3) 按步骤一移动光标到要画线的位置单击，确定导线的第一个点，移动光标到合适的位置再单击，固定一段导线，从而放置一段导线。2. 加补泪滴在导线与焊盘或导孔处有一过渡段，使过度的地方变成泪滴状，可以避免在钻孔时导线与焊盘的接触点出现应力集中二是接触处断裂。3. 放置敷铜放置敷铜市将电路板空白的地方用敷铜铺满，主要目的是要提高电路板的抗干扰能力。通常将敷铜与地相接，这样电路板空白的地方就铺满了接地的敷铜，电路板的抗干扰能力就会大大提高。5.4.7设计规则DRC检查对布线完毕后的电路板进行DRC检查，可以确保PCB完全符合设计者的要求，即所有的网络均已正确连接。具体步骤如下：1. 执行菜单命令【Tools】/【Design Rules Check】，单击对话框中的“Electrical”选项，弹出在线检查一并检查对话框。2. 勾选相应的选项，单击运行，即可进行DRC检查，其结果或反映在信息面板中。如果选中了生成报告文件，设计检查结束后，会生成一个有关短路检测、断路检测、安全间距检测、一般线宽检测、过孔内径检测等项目情况报表。5.3PCB设计结果1. 自动布线后的PCB图 5.3 自动布线后PCB图2. 改进后的PCB（1）（2）图 5.4 改进后的PCB6仿真部分6.1 proteus软件介绍Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision4等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。6.2仿真结果仿真结果见图6.1所示。图6.1 电路仿真图电路部分模块的仿真图如图6.2和6.3所示。图6.2 LED模块仿真图图6.3 数码管模块仿真图7总结及心得体会这次课程设计使我学会了使用一个新的软件Protel dxp 2004，同时也是我进一步熟悉了Protel 99SE。整个过程中首先对电路设计有了更深的了解，因为制作本身要求将以前所学的理论知识运用到实际的电路设计当中去，在电路的设计过程中，无形中便加深了对Protel的了解及运用能力，对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解；以前的模数电实验只是针对某一个小的功能设计，而此次课程设计对我们的总体电路的设计的要求更严格，需要通过翻阅复习以前学过的知识确立了实验总体设计方案，然后逐步细化进行各模块的设计。电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。通过此次课设，我深深地认识到了Protel的强大功能。Altium designer通过把电路图设计、PCB绘制编辑、