1、目录一、 设计背景、要求、目的及意义31.1 设计背景31.2 设计要求31.3 设计目的及意义5二、 国内外现状分析5三、 设计方案63.1 原理63.1.1 电源模块63.1.2 传感器及其处理电路63.1.3 单片机63.2 总体方案63.2.1 电源模块63.2.2 传感器及其调理电路模块73.2.3 按键与单片机模块83.2.4 LED 数码管模块93.2.5 AD 转换模块电路图93.3 设计说明10四、参考文献11五、对课程的建议11六、 附件11一、 设计背景、要求、目的及意义1.1 设计背景计算机辅助设计（CAD）指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，而电子设计自
2、动化（EDA）是在 20 世纪 60 年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。在当前的信息时代，集成电路技术和计算机技术以更加迅猛的姿态飞速发展，EDA 技术的重要性和适用性也在不断提升。Altium Designer 是原 Protel 软件开发商 Altium 公司推出的一体化的电子产品开发系统。其内部集成了一系例的电路设计工具，在绘制原理图，pcb 图自动布线等方面功能完备，并且为用户提供了功能强大，使用方便的电路仿真器，从而使电路设计者可以轻松地完成从原理图设计到最终电路板输出的所有工作1。本实验
3、使用 Altium Designer 软件进行电路原理图及 PCB 板的设计。1.2 设计要求1. 熟悉 AltiumDesigner 软件的功能，并用它来设计一个单片机测试系统的原理图。该系统应包括以下内容：(1) MCS-51 系列单片机最小系统。(2) 带有一路传感器及相应的调理电路，可以涉及到位移.温度.压力等。(3) 带有 AD 转换功能。(4) 具有 4 位 LED 显示功能。(5) 三个设置按钮。(6) 带有声光报警电路。(7) 稳压电源 12V、5V。系统框图如下图 1.1。图 1.1 测试系统框图2. 设计测试系统的印制版图。(1) 印制版尺寸 200mm*150mm。(2)
4、 印制版部分主要器件位置布置要求见图 22 所示。图中 Z1 表示电源插座，Z2 表示传感器插座。图 1.2 印制板部分器件位置图1.3 设计目的及意义1. 通过课程设计，把在有关课程（微型计算机在检测技术及仪器中的应用，智能仪器设计，模拟电路，数字电路等）中所获得的知识进行设计，使这些知识得到巩固， 并使理论知识与实践相结合，培养工程实践及科学研究基本技能。为将来毕业设计和搞科研工作做准备。2. 电路课程设计通过用Altium Designer软件设计单片机测试系统的原理图和印制板图， 熟悉和掌握Altium Designer软件的操作应用1。3. 通过本次电路CAD课程设计，熟悉各种传感器
5、、单片机及其相关电路，复习模拟电路、数字电路等课程，提高绘制电路原理图及PCB板的能力。二、 国内外现状分析在信息化时代，自动化的进程迅猛前进。传感器就是测量和控制系统的“五官” 能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。而关于传感器和信号处理电路的构建一直是测控系统关注的一大核心。在上学期 的传感器原理课程中，我们已经学习了例如温度、压力、位移等多种测量量对应 的常用传感器原理。并且了解到，电缆的寄生电容、温度的变化、信号噪声等因素会 使信号处理电路产
6、生各种误差。而采用集成电路使得传感器与处理电路微小化，可以 大幅减小这些误差。所以，在传感器的发展路途上，智能化、多功能化、无线网络化、微型化，一直是人们的发展方向2。当前的智能化传感器通常是融入一个或多个敏感 元件、精密模拟电路、数字电路、微处理器（MCU）、通讯接口、智能软件，并将这一系列的硬件集成在一个封装组件内。同时由若干种敏感元件组成的多功能传感器兼 具新一代的探测功能，它可以同时测量多种数值，从而对被测量体变化的测量更加精 准。这一切都源于辅助设计（CAD）技术和集成电路技术的迅速发展，微机电系统（MEMS）技术应用于传感器技术，从而引发了传感器微型化4。本次课程设计以传感器及其测
7、量、处理电路为起点，作者自选特定种类传感器， 并设计其测量电路，加上电源电路供电，构建一个单片机小系统，完成相关物理量的测量、处理以及显示。在整个电路设计的自主学习过程中，作者不仅熟悉了电学专业知识，也提高了应用电路设计及PCB设计软件的能力。三、 设计方案3.1 原理3.1.1 电源模块电源模块的输入为市电 220V 交流电压，其输出为电路板上实际需要的和+5V 的直流电压。由于所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因此需要先通过电源变压器降压；再通过整流电路将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压；为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。为了输出稳定的直流电压，还需
8、要稳压模块。本文采用的是 78XX 系列三端稳压器，其中的 7812、7912 可以实现 035V 的直流信号整流成12V 和+5V 的稳压输出。3.1.2 传感器及其处理电路本文作者采用LM35AH，其是由National Semiconductor所生产的温度传感器， 其输出电压为摄氏温标。由于它采用内部补偿，所以输出可以从0开始。改温度传感器的处理电路是查找资料得到的配套的信号放大整理电路。其中传感器为三端，Vout 口输出信号，接入运算放大器进行放大。电路产生的信号导入AD转换芯片，输出的信号接入单片机。3.1.3 单片机本文作者选择使用最广泛的8051单片机。该单片机可配置外界晶振，
9、有4个内部有上拉电阻的8位双向输入输出口，可接受外部中断请求。本设计中单片机采用外部晶振，为8051系列的标准配置2MHz。设置了一个按钮来对单片机进行手动复位，接至单片机RST口。单片机通过数据总线在数据端口读入AD转换器转换的数据，同时数据端口输出七段管码，地址端口对LED进行片选，实现一个4位的LED输出。一旦单片机检测到测量数据超标就输出激励信号启动led灯和蜂鸣器，实现声光报警功能。并且单片机模块也设置了一个外部中断使能按钮和外部存储模块使能按钮，其原理和复位按钮原理相同。3.2 总体方案电路原理图如下所示，依次按照以下几个模块进行设计。3.2.1 电源模块电源模块的电路原理图如下图
10、 3.1。图 3.1 电源模块电路图Vin+和 Vin-为 220V、50Hz 的家用电源。通过 T1 对其降压，降压后的信号经过电桥整流成为波动的直流信号。整流后经过电容滤波，再经过稳压模块稳压。并联分别得到12V 和+5V 的稳压输出。在 7812、7912、7805 芯片引脚上并接了数个电容。这些电容的主要作用为对电压波动积分，消除毛刺等。3.2.2 传感器及其调理电路模块传感器及其调理模块原理图如下图 3.2图 3.2 传感器及其调理电路模块LM35 温度传感器含有内部补偿，测量电路主要在于放大。本文作者通过互联网查找资料得到该传感器输出电压为 01.5V，AD 转换器的参考电压为 5
11、V，所以算得放大电路的放大倍数为 3， 即 R3 与 R1 之比为 3。放大器两个供电端分别接+12V 和接地。放大器输出信号 INT0 接到 AD 转换器的输入口。3.2.3 按键与单片机模块单片机模块配置电路如下图3.3。图3.3 单片机模块电路图单片机采用+5V 供电。ALE 端口为地址锁存允许信号。P0 口为数据和地址端口，读入 AD 转换器转化后的数字信号。P2 口为数据端口，输出数据 D0D7 到数码管进行显示，S1 不按下时，RST 口为低电平；S1 按下时，RST 为高电平复位，R21 用于限流，C26 用于按键消抖。这个模块下 S1、S6、S7、S8 均为同样的原理。P3.3
12、 口接外部中断，按下S6 按钮使能外部中断；P3.7 也设置了中断，按下 S7 后使能外部存储器读功能。单片机采用 2M 的外接晶振。P1.6 口为对声光报警的控制。该口为高电平输出且 S8 按钮未按下时，声光报警启动。由于单片机端口的输出电流较小，不足以带动发光二极管和扬声器工作，故采用+5V 直接供电。Q5 为开关三极管。当单片机检测到测量数据超标就输出信号接通三极管，LED 灯点亮，蜂鸣器启动，起到声光报警的作用5。3.2.4 LED 数码管模块LED数码管模块如下图3.4。图3.4 七段管码模块电路图七段管码的芯片选用HDSP-B10G芯片，该芯片集成了4位七段管码的显示，四个七段管码
13、均为共阳极。在实际系统输出显示中，芯片的a、b、c、d、e、f、g、dp由单片机的P2口控制。七段管码的芯片的A1A4引脚的作用为判断是哪个位的数据可用， 在实际七段管码现实中通常采用时分复用的方法依次点亮4个七段管码，而其中的A1A4即为片选数据，是单片机地址P20P23四位经整理后选择的地址输出。3.2.5 AD转换模块电路图AD 转换模块电路图如下图 3.5。图 3.5 AD 转换模块电路图AD 转换器采用较常见的 8 位 AD 转换器 ADC0809。设置 VREF+为+5V，VREF-为 0V，使AD 转换器的量程为 05V，其参考电压为传感器放大电路输出电压的 3 倍。AD 转换器
14、通过INT0 端口读入待转换数值。START 口为 A/D 转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns 宽）使其启动（脉冲上升沿使 0809 复位，下降沿启动 A/D 转换）；OE 为数据输出允许信号，输入端，高电平有效。当 A/D 转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。本实验中将 START 和 OE 口接入+5V 电源，常置为有效。AD 转换器的ADDA、ADDB、ADDC 口为 3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路，本实验选通 ADDA。ALE 口为地址锁存允许信号位，是输入端，高电平有效。3.3 设计说明这次课程设计运用 altiumde
15、signer 软件，设计了一个单片机测试系统。基本完成了设计规定内容，包含了 MCS-51 系列单片机，LM35AH 系列温度传感器及相应的调理电路， 带有 AD 转换功能，具有 4 位 LED 显示功能，同时有四个按钮控制不同功能：1.单片机复位；2.单片机外部中断使能；3.单片机外部存储器读使能；4.关闭声光报警系统。并且本实验中进行了 PCB 板的设计。通过这次设计，使理论知识与实践相结合，对以往所学的专业知识有了更好的理解， 培养工程实践及科学研究基本技能。同时在设计过程中，查阅了不少资料，加强了自主学习研究的能力。同时在这里，感谢助教和王坤东老师对我设计时遇到的困难所给予的帮助，让我更好地完成了本次设计。四、参考文献1 王坤东、颜德田，上海交通大学，电路 CAD 设计指导书，2013.2 陈圣林、侯成晶，传感器技术及其应用电路.3 秦宇风，周口师范学院，中国传感器的发展趋势.4 张国雄，机械工业出版社，测控电路.五、对课程的建议1、DXP程序的使用全在于联系，可以将第一节课与第二节课合并，熟悉软件内容。留出更多的时间进行设计和修改。2、可以考虑小组式教学形式。加大课程难度，如PCB版设计时并无线宽等限制，可以更细致要求，使得我们能真正做出PCB版，并完成单片机系统，真正做到实践理论相结合。6、附件附件 1：电路原理图附件2：PCB图
