交通燈控制電路印制板圖的設計

PAGEPAGE28目錄摘要 1Abstract 21Protel簡介 31.1Protel的發(fā)展歷程 31.2Protel99SE簡介 31.3Proteldxp2004簡介 52單元電路設計 62.1單片機最小系統(tǒng) 62.2數(shù)碼管模塊 72.3LED信號燈模塊 72.4獨立按鍵模塊 83總電路圖 94繪制電路的原理圖（SCH） 104.1原理圖的設計流程 104.2原理圖的設計 114.2.1創(chuàng)建一個項目 114.2.2 創(chuàng)建原理圖文件 114.2.3 加載元件庫 114.3 原理圖的編輯與調整 124.3.1放置導線及電源端子 124.3.2 標識元件 124.4 原理圖的檢查 125繪制印刷電路版圖（PCB） 145.1PCB的設計流程 145.2雙面PCB設計 155.2.1文件鏈接與命名 155.4.2設置電路板的禁止布線區(qū)域 155.4.3數(shù)據(jù)的導入 155.4.4元器件的自動布局 155.4.5自動布線 165.4.6手工調整布線 165.4.7設計規(guī)則DRC檢查 175.3PCB設計結果 176仿真部分 196.1proteus軟件介紹 196.2仿真結果 207總結及心得體會 22參考文獻 23附錄 24摘要隨著城市化的推進，我們對交通工具的要求越來越高，希望舒適快速的交通，可是快速加快的交通負荷也給塵世交通出了比較難題，我們不難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在城市交通問題日益凸顯嚴重，尤其在城市街道的十字叉路口，頻繁發(fā)生交通事故，為了保證交通秩序和行人安全，交通部門在每條街上都安裝了一組紅、黃、綠交通信號燈。電子工業(yè)的飛速發(fā)展和電子計算機技術的廣泛應用，促進了電子設計自動化技術日新月異。特別是在20世紀初80年代末期，由于電子計算機操作系統(tǒng)Windows的出現(xiàn)，引發(fā)了計算機輔助設計（CAD）軟件的一次大的變革，紛紛臣服于Microsoft的Windows風格。并隨著Windows版本的不斷更新，也相應的推出新的CAD軟件產(chǎn)品。在電子CAD領域，ProtelTechnology（Altium的前身）公司在EDA軟件產(chǎn)品的推陳出新方面扮演了一個重要角色。此次十字路口交通管理控制器的設計是基于Proteldxp2004，設計共分為3個大的部分，原理圖設計，PCB設計和電路的仿真。關鍵字：Protel交通燈PCBAbstractAlongwiththeadvancementofurbanization,totransportdemandishigherandhigher,wehopetocomfortableandfasttraffic,butrapidlyacceleratethetrafficloadandtraffictotheworldoutofthemoredifficultproblem,itisnothardtofindnowurbantransportproblemshighlightedincreasinglyserious,especiallyinthecrossinthecitystreetintersections,trafficaccidentsoccurfrequently,inordertoensurethesafetyofthepedestriansandtrafficorder,transportdepartmentoneverystreethaveinstalledasetofred,yellowandgreentrafficlights.Withtherapiddevelopmentofelectronicindustryandthewideapplicationofcomputertechnology,electronicdesignautomationtechnologyfortheever-changing.Especiallyintheearly20thcentury,late80s,duetotheemergenceWindowscomputeroperatingsystem.Theintersectiontrafficmanagementcontrollerdesignisbasedonproteldxp2004,thedesignisdividedintothreemajorparts,schematicdesign,PCBdesignandcircuitsimulation.Inthedesignprocess,AltiumDesignerschematicdrawingofastrongfunctionofPCBdesignandlayagoodfoundation.Inparticular,itsboard3Drenderings,butalsoforthepreviewandtheerrorcorrectioncircuitforalotalotofconvenience.

Keywords:ProtelPCBtrafficlights1Protel簡介1.1Protel的發(fā)展歷程隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展和電子計算機技術的廣泛應用，促進了電子設計自動化技術日新月異。特別是在20世紀初80年代末期，由于電子計算機操作系統(tǒng)Windows的出現(xiàn)，引發(fā)了計算機輔助設計（CAD）軟件的一次大的變革，紛紛臣服于Microsoft的Windows風格。并隨著Windows版本的不斷更新，也相應的推出新的CAD軟件產(chǎn)品。在電子CAD領域，ProtelTechnology（Altium的前身）公司在EDA軟件產(chǎn)品的推陳出新方面扮演了一個重要角色。從1991年開始，先后推出的EDA軟件版本有ProtelSEForWindows98；在2001年8月ProtelTechnology公司更名為Altium公司，并在2002年該公司有推出了ProtelDXPForWindowsXP/2000電路板設計軟件平臺，簡稱Protel2004。2006年初，Altium公司推出了附有該公司名稱的EDA軟件Altiumdesigner6。這款版本除了全面覆蓋和涵蓋了Protel99SE、Protel2004在內的之前一系列版本的功能和優(yōu)點以外，還增加了許多功能。在此基礎上，該公司又做了較大的6次更新和改進。1.2Protel99SE簡介Protel99SE是Protel公司在80年代末推出的EDA軟件,應用廣泛功能強大,是個完整的板級全方位電子設計系統(tǒng)。它包含了電原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號仿真、多層印制電路板設計（包含印制電路板自動布線）、可編程邏輯器件設計、圖表生成、電子表格生成、支持宏操作等功能?？梢奝rotel99SE不僅在繪制原理圖、PCB版布局布線等方面功能更加完善，而且為用戶提供功能強大、使用方便的仿真器，它可以對當前所畫的電路原理圖進行即時仿真，因此在電路的整個設計周期都可以仿真查看和分析其性能指標，以便及時發(fā)現(xiàn)設計中存在的問題并加以改正，從而更好的完成電路設計。Protel99se軟件中提供了SIM99se數(shù)模混合仿真器集成軟件可以對許多電子線路進行模擬設計，模擬運行，反復修改。提供了接近6000個仿真元件和大量的數(shù)學模型，可以對電工電路，低頻電子線路、高頻電子線路和脈沖數(shù)字電路在一定范圍內進行仿真分析。仿真結果以多種圖形方式輸出，直觀明了，可以單圖精細分析，也可以多圖綜合比較分析、并可通過不同的角度進行分析，以獲得對電路設計的準確判斷。Protel99se仿真方面其具有的特點有：強大的分析功能用戶可以根據(jù)Protel99SE電路仿真器所提供的功能，分析設計電路的各方面性能，如電路的交直流特性、溫度漂移、噪聲、失真、容差、最壞情況等特性。豐富的信號源其中包括基本信號源：直流源、正弦源、脈沖源、指數(shù)源、單頻調頻源、分段線性源，同時還提供了齊全的線性和非線性受控源。充分的仿真模型庫Protel99SE提供了20多個模擬和數(shù)字仿真元件庫，共包含6000多個常用元器件。這些組件庫包括了常用二極管、三極管、單結晶體管、變壓器，晶閘管、雙向晶閘管等分立組件，還有大量的數(shù)字器件和其它集成電路器件。同時Protel99SE提供了一個開放的庫維護環(huán)境，允許設計者改變原有器件模型，也可創(chuàng)建新器件模型。友好的操作界面(1)無需手工編寫電路網(wǎng)表文件。系統(tǒng)將根據(jù)所畫電路原理圖自動生成網(wǎng)表文件并進行仿真。(2)通過對話框完成電路分析各參數(shù)設置。(3)方便地觀察波形信號?？赏瑫r顯示多個波形，也可單獨顯示某個波形；可對波形進行多次局部放大，也可將兩個波形放置于同一單元格內進行顯示并分析比較兩者的差別。(4)強大的波形信號后處理，可利用各種數(shù)學函數(shù)對波形進行各種分析運算并創(chuàng)建一個新的波形。(5)方便地測量輸出波形。Protel99SE提供了兩個測量光標，打開它們可測量波形數(shù)據(jù)。1.3Proteldxp2004簡介Altium公司作為EDA領域里的一個領先公司，在原來Protel99SE的基礎上，應用最先進的軟件設計方法，率先推出了一款基于Windows2000和WindowsXP操作系統(tǒng)的EDA設計軟件ProtelDXP。ProtelDXP在前版本的基礎上增加了許多新的功能。新的可定制設計環(huán)境功能包括雙顯示器支持，可固定、浮動以及彈出面板，強大的過濾和對象定位功能及增強的用戶界面等。ProtelDXP是第一個將所有設計工具集于一身的板級設計系統(tǒng)，電子設計者從最初的項目模塊規(guī)劃到最終形成生產(chǎn)數(shù)據(jù)都可以按照自己的設計方式實現(xiàn)。ProtelDXP運行在優(yōu)化的設計瀏覽器平臺上，并且具備當今所有先進的設計特點，能夠處理各種復雜的PCB設計過程。通過設計輸入仿真、PCB繪制編輯、拓撲自動布線、信號完整性分析和設計輸出等技術融合，ProtelDXP提供了全面的設計解決方案。ProtelDXP2004是Altium公司于2004年推出的最新版本的電路設計軟件，該軟件能實現(xiàn)從概念設計，頂層設計直到輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及這之間的所有分析驗證和設計數(shù)據(jù)的管理。當前比較流行的Protel98、Protel99SE，就是它的前期版本。ProtelDXP2004已不是單純的PCB（印制電路板）設計工具，而是由多個模塊組成的系統(tǒng)工具，分別是SCH（原理圖）設計、SCH（原理圖）仿真、PCB（印制電路板）設計、AutoRouter（自動布線器）和FPGA設計等，覆蓋了以PCB為核心的整個物理設計。該軟件將項目管理方式、原理圖和PCB圖的雙向同步技術、多通道設計、拓樸自動布線以及電路仿真等技術結合在一起，為電路設計提供了強大的支持。與較早的版本——Protel99相比，ProtelDXP2004不僅在外觀上顯得更加豪華、人性化，而且極大地強化了電路設計的同步化，同時整合了VHDL和FPGA設計系統(tǒng)，其功能大大加強了。2單元電路設計2.1單片機最小系統(tǒng)AT89S52芯片只需外加晶振、供電電路與復位電路即可構成最小系統(tǒng)，仿真時電源部分隱藏，晶振選擇12M滿足要求，其最小系統(tǒng)圖如圖2.1：圖2.1AT89S52最小系統(tǒng)圖AT89S52主要性能與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、1000次擦寫周期、全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz、三級加密程序存儲器[1]、32個可編程I/O口線、三個16位定時器/計數(shù)器八個中斷源、全雙工UART串行通道、低功耗空閑和掉電模式、掉電后中斷可喚醒、看門狗定時器、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標識符。2.2數(shù)碼管模塊在電路設計中，采用四個二位八段共陽數(shù)碼管，因為數(shù)碼管內阻影響，導致單片機I/O口輸出的5V電壓被拉低，因此需要加入驅動電路，在此選擇2N3906PNP型三極管，數(shù)碼管的八個輸入口有單片機的P2口控制。數(shù)碼管模塊電路如圖2.2所示。圖2.2二位共陽數(shù)碼管2.3LED信號燈模塊在電路設計中，需要用LED燈模擬紅綠信號燈，分別采用紅、黃、綠三色LED燈進行顯示，通過P0^0--P0^5口控制LED的亮滅，由于單片機的P0口為集電極開路門，所以在使用時需要接上拉電阻接電源。LED電路模塊如圖2.3所示：圖2.3LED電路模塊2.4獨立按鍵模塊本電路在設計中需要設置特殊狀態(tài)，即禁止單個方向通行，所以要用到獨立按鍵，在設計時，通過按鍵來停止定時器，同時將數(shù)碼管顯示“00”，指定方向亮紅燈禁止通行。按鍵模塊設計比較簡單，通過按下按鍵將P3^2和P3^2置低，系統(tǒng)檢測到低電平信號后立即響應相關的操作。按鍵模塊如圖2.4：圖2.4獨立按鍵模塊3總電路圖在電路設計中，由于四個方向的倒計時相同，相對面的方向LED燈顯示狀態(tài)相同，所以在仿真時，只采用一組數(shù)碼管和LED燈進行相關仿真，便于操作與觀察，仿真成功后轉入實物連接，最終成功將實物制作完成?？偟碾娐穲D如圖3.1所示。圖3.1總電路圖4繪制電路的原理圖（SCH）4.1原理圖的設計流程圖4.1原理圖的設計流程圖4.2原理圖的設計4.2.1創(chuàng)建一個項目啟動Proteldxp2004系統(tǒng)。執(zhí)行菜單命令【file】/【new】/【PCBProject】，彈出項目面板。執(zhí)行菜單命令【file】/【SaveProject】，在彈出的保存文件的對話框中輸入文件名“十字路口交通管理控制器”，保存。創(chuàng)建原理圖文件執(zhí)行菜單命令【file】/【new】/【Schematic】,在項目“十字路口交通管理控制器”中創(chuàng)建一個原理圖文件。執(zhí)行菜單命令【file】/【Save】，在彈出的對話框中輸入文件名“十字路口交通管理控制器”，保存。加載元件庫執(zhí)行菜單命令【design】/【Add/RemoveLibrary】，單擊Install按鈕添加所需要的元件庫。原理圖的編輯與調整4.3.1放置導線及電源端子執(zhí)行菜單命令【Place】/【W(wǎng)ire】或單擊布線工具欄的放置導線按鈕，當光標中心的“X”號變?yōu)橐粋€紅色“米”字形符號，表示導線的端點與元器件引腳的電氣連接點可以正確連接。單擊工具欄的電源按鈕，光標上出現(xiàn)一個網(wǎng)絡標號“VCC”（GND）的“T”型電源符號，放置在原理圖中。標識元件可以選用手動標識或者是自動標識元件。自動標識時，執(zhí)行菜單命令【Tools】/【Annotate/SchematicsQuietly…】，系統(tǒng)及完成對當前原理圖的自動標識。原理圖的檢查原理圖繪制完成后，要進行檢查。因為原理圖與其他的圖不同，不是簡單的電路的點和線，而是代表著實際的電器元件和它們之間的相互連接。因此，它們之間不僅僅具有一定的拓撲結構，還必須遵循一定的電氣規(guī)則（ElectricalRules）。電氣規(guī)則檢查（ERC）是進行電路原理圖設計過程中非常重要的步驟之一；原理圖的電氣規(guī)則檢查是發(fā)現(xiàn)一些不應該出現(xiàn)的短路、開路、多個輸出端子短路和未連接的輸入端子等。電氣規(guī)則檢查還對原理圖中所用元件里，若有元件輸入端有定義，則對該元件的輸入端進行是否有信號源的檢查，若沒有直接信號源，系統(tǒng)會提出警告。做好的辦法就是在該端放置“NOERC”。在Altiumdesigner中，首先要進行編譯參數(shù)的設置，包括錯誤報告類型的設置，電氣連接矩陣的設置、類型設置、比較器設置和設置輸出路徑及網(wǎng)絡設置。當完成編譯參數(shù)設置后，就可以對項目進行編譯了。Altiumdesigner為用戶提供了兩種編譯，一種是對原理圖的編譯，另一種是對工程項目進行編譯。無論哪種編譯，編譯后系統(tǒng)都會通過信息面板給出一些錯誤信息或警告。沒有錯誤信息或者是放置了“NOERC”標志，信息面板是空的。如果出現(xiàn)了錯誤信息，可以通過單擊錯誤信息指針，彈出編譯錯誤面板，雙擊面板上的錯誤選項，系統(tǒng)會自動定位錯誤元件。編輯改正所有的錯誤后，得到最終的原理圖如圖4.2所示。圖4.2十字路口交通管理控制器總原理圖可以看出，圖4.2所示原理圖，線路較為復雜。因此，可以采取以下方法對原理圖進行改進。可以將原理圖分成控制器部分、定時部分、數(shù)碼管顯示部分和時間預置和調整等5個部分，各部分通過網(wǎng)絡標號相互連接。5繪制印刷電路版圖（PCB）5.1PCB的設計流程圖5.1PCB的設計流程圖5.2雙面PCB設計5.2.1文件鏈接與命名引入設計項目執(zhí)行菜單命令【File】/【OpenProject…】，引入設計項目。建立空白PCB文件執(zhí)行菜單命令【File】/【New】/【PCB】，即可完成PCB文件的建立。命名PCB文件在PCB編譯環(huán)境中，執(zhí)行菜單命令【File】/【SaveAs…】將“PCB1”更名為“交通燈”。移出文件如果要將某個文件從項目中移除，在Projects面板的工作區(qū)中右擊該文件，在彈出的菜單中執(zhí)行移出命令即可。5.4.2設置電路板的禁止布線區(qū)域在PCB編輯器工作狀態(tài)下，設定當前的工作層面為“Keep-OutLayer”。確定電路板的電器邊界。執(zhí)行菜單命令【Place】【Line】，光標變?yōu)槭譅?。將光標移到工作窗口中的適當位置，確定一邊界的起點。然后拖動光標至某一點，再確定電器邊界一邊的終點。5.4.3數(shù)據(jù)的導入在原理圖編輯器中，選擇菜單命令【Design】/【ImportChangesFrom[十字路口交通管理控制器.PrjPcb]】.選擇“生效更改”，系統(tǒng)會對所有的元件信息和網(wǎng)絡信息進行檢查。單擊“執(zhí)行更改”，若沒有錯誤，所有的元件和飛線會自動加入到PCB文件中的元件空間中。若有錯誤，則需要進行相應的改正。5.4.4元器件的自動布局在PCB編輯器中，執(zhí)行菜單命令【Tools】/【CommentPlacement】，選擇所需要的布局方式。執(zhí)行菜單【AutoPlacer】命令，在彈出的對話框中選擇元件自動布局的方式。設置元件的自動布局參數(shù)。在AltiumDesigner中可以進行元件封轉的調換，無論是在PCB或者是原理圖的編輯過程中均可以實現(xiàn)。在項目設計的過程中，可以進行PCB與原理圖的雙向更新，以方便的實現(xiàn)對原理圖或電路板中的某些參數(shù)進行修改，如元件的標號、封裝等。通過雙向更新，修改狀況就會同時反映到電路板和原理圖中去。圖5.2出現(xiàn)在元件空間的PCB5.4.5自動布線執(zhí)行菜單命令【AutoRoute】，選擇自動布線的方式。對于雙層電路板，單擊“全局布線”按鈕即可進入自動布線狀態(tài)，可以看到PCB上自動布線的全過程，同時顯示相應的信息框。5.4.6手工調整布線手工布線啟動導線放置命令，光標變?yōu)槭譅?，表示出于導線放置模式?？梢蚤_始手工布線。在布線時按小鍵盤上的“*”鍵可以切換到布線層，同時自動放置過孔。按步驟一移動光標到要畫線的位置單擊，確定導線的第一個點，移動光標到合適的位置再單擊，固定一段導線，從而放置一段導線。加補淚滴在導線與焊盤或導孔處有一過渡段，使過度的地方變成淚滴狀，可以避免在鉆孔時導線與焊盤的接觸點出現(xiàn)應力集中二是接觸處斷裂。放置敷銅放置敷銅市將電路板空白的地方用敷銅鋪滿，主要目的是要提高電路板的抗干擾能力。通常將敷銅與地相接，這樣電路板空白的地方就鋪滿了接地的敷銅，電路板的抗干擾能力就會大大提高。5.4.7設計規(guī)則DRC檢查對布線完畢后的電路板進行DRC檢查，可以確保PCB完全符合設計者的要求，即所有的網(wǎng)絡均已正確連接。具體步驟如下：執(zhí)行菜單命令【Tools】/【DesignRulesCheck…】，單擊對話框中的“Electrical”選項，彈出在線檢查一并檢查對話框。勾選相應的選項，單擊運行，即可進行DRC檢查，其結果或反映在信息面板中。如果選中了生成報告文件，設計檢查結束后，會生成一個有關短路檢測、斷路檢測、安全間距檢測、一般線寬檢測、過孔內徑檢測等項目情況報表。5.3PCB設計結果自動布線后的PCB圖5.3自動布線后PCB圖改進后的PCB（1）（2）圖5.4改進后的PCB6仿真部分6.1proteus軟件介紹ProteusISIS是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點是：①實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調試器、SPI調試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。②支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。③提供軟件調試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調試環(huán)境，如KeilC51uVision4等軟件。④具有強大的原理圖繪制功能?？傊撥浖且豢罴瘑纹瑱C和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。6.2仿真結果仿真結果見圖6.1所示。圖6.1電路仿真圖電路部分模塊的仿真圖如圖6.2和6.3所示。圖6.2LED模塊仿真圖圖6.3數(shù)碼管模塊仿真圖7總結及心得體會這次課程設計使我學會了使用一個新的軟件Proteldxp2004，同時也是我進一步熟悉了Protel99SE。整個過程中首先對電路設計有了更深的了解，因為制作本身要求將以前所學的理論知識運用到實際的電路設計當中去，在電路的設計過程中，無形中便加深了對Protel的了解及運用能力，對課本以及以前學過的知識有了一個更好的總結與理解；以前的模數(shù)電實驗只是針對某一個小的功能設計，而此次課程設計對我們的總體電路的設計的要求更嚴格，需要通過翻閱復習以前學過的知識確立了實驗總體設計方案，然后逐步細化進行各模塊的設計。電子設計師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設計電子系統(tǒng)，大量工作可以通過計算機完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設計、性能分析到設計出IC版圖或PCB版圖的整個過程的計算機上自動處理完成。通過此次課設，我深深地認識到了Protel的強大功能。Altiumdesigner通過把電路圖設計、PCB繪制編輯、電路的仿真、FPGA應用程序的設計和設計輸出等技術的完美融合，為用戶提供了全線的設計解決方案，使用戶可以輕松地進行各種復雜的電子電路設計工作。尤其是其強大的繪制原理圖和PCB的功能，更是給我留下了深刻地印象。在此次課程設計過程中，我曾遇到了不少問題，如軟件仿真時的問題，這也是我此次課程設計所花費時間最多的地方。但通過解決這些問題，我學到了很多東西，收獲頗豐。參考文獻【1】Protel99入門與提高.趙品編著.人民郵電出版社.2000.11參考書：【2】Protel99高級應用.趙品編著.人民郵電出版社.2000.11【3】Protel99SE電路設計與仿真應用【4】《集成電子電路制作精制精講》陽鴻鈞等編著中國電力出版社2008年1月【5】《AtiumDesigner6電路圖設計百例》姜艷波編化學工業(yè)出版社2008年3月【6】《AltiumDesigner快速入門》徐向民主編電子工業(yè)出版社2007年6月附錄單片機程序：#include<reg52.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharucharcodetable[]={0xc0,0xf9