基于数字钟的PCB设计

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电信1302学号201300022036姓名周玉栋指导老师鄢立二Ο一六年一月七日诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计，是本人在指导老师的指导下，独立进行所取得的成果。尽我所知，除设计中特别加以标注的地方外，设计中不包含其他人已经发表或撰写过的设计成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。毕业设计作者签名：周玉栋指导教师签名：鄢立二Ο一六年一月七日二Ο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..................................................32.2单片机最小系统..............................................22.3DS1302应用..................................错误!未定义书签。2.4时钟芯片及电路流程图........................错误!未定义书签。2.5数码管显示..................................................52.6整体原理图..................................................53.PCB设计与开发工具...............................................93.1PCB简介.....................................................93.2PCB的特点...................................................93.3DXP设计平台.................................................94.数字钟的PCB设计流程............................................114.1新建PCB工程...............................................114.2原理图元件的绘制...........................................114.3封装库设计.................................................144.4绘制原理图.................................................174.5原理图的PCB设计...........................................194.6生成PCB....................................................204.7布线.......................................................21总结...............................................................23参考文献...........................................................24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；DXP11.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；2×2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1—1数字钟结构主体框图22.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P0.0～P0.7；P1.0～P1.7；P2.0～P2.7；P3.0～P3.7。P1、P2、P3内置上拉电阻；P0口需要外接10KΩ左右的上拉电阻。P0～P3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。3图2-2AT89C51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4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2.5～5.5V，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Vcc2＞Vcc1+0.2时，由Vcc2向DS1302供电；当Vcc2＜Vcc1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Vcc2≥2.5V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2-3DS1302与单片机连接图52.4.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2-8LED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。6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