PBC電路設(shè)計(jì)課件

1、選課時(shí)間段 序號(hào)（座位號(hào)） 杭州電子科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱 短學(xué)期實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)名稱 電子稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師 XXXXXXXXXXXXXXXXX 學(xué)生姓名 XXXXXX 學(xué)生學(xué)號(hào) XXXXXXXX 學(xué)生班級(jí) XXXXXXXX 所學(xué)專業(yè) 電子信息工程 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉印制電路板設(shè)計(jì)軟件altium designer 62、能熟練運(yùn)用AD6軟件進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)3、熟練對(duì)89C52（可選其他型號(hào)）單片機(jī)相關(guān)的系統(tǒng)進(jìn)行電路原理圖設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)4、熟練掌握一種仿真工具的使用（建議使用 multism或pspice）二、要求任務(wù)及自主設(shè)計(jì)要求每位學(xué)生獨(dú)立完成并寫出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告交給指導(dǎo)老師

2、，主要內(nèi)容包括：1、89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)的構(gòu)成及設(shè)計(jì)(包括：時(shí)鐘、復(fù)位、電源、單片機(jī)、按鍵和顯示等)2、在此基礎(chǔ)上完成稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，稱重量程為080噸，誤差正負(fù)100kg。A 為稱重系統(tǒng)選擇合適的4個(gè)壓力傳感器，注意量程和誤差。B 設(shè)計(jì)放大電路，以便單片機(jī)對(duì)其信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理。C 用7段數(shù)碼管或其他顯示模塊進(jìn)行重量的顯示，單位為：kg。D 根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)擴(kuò)展功能（加分選做設(shè)計(jì)部分）三、原理框圖單片機(jī)電源電路顯示電路復(fù)位電路按鍵電路晶振電路A/D轉(zhuǎn)換電路USB下載電路超重報(bào)警電路存儲(chǔ)電路四、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)與比較在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，針對(duì)各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能來設(shè)計(jì)電子秤的方案有以下幾種：方案一 數(shù)

3、碼管顯示數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集單片機(jī)處理LEC顯示此方案利用數(shù)碼管顯示物體重量，簡(jiǎn)單可行，可以用內(nèi)部帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)。由些設(shè)計(jì)出的電子稱重系統(tǒng)，硬件部分簡(jiǎn)單，接口電路易于實(shí)現(xiàn)，并且在編程進(jìn)大大減少程序量，在電路結(jié)構(gòu)上只有簡(jiǎn)單的輸出輸入關(guān)系。缺點(diǎn)是：硬件部分簡(jiǎn)單，雖然可以實(shí)現(xiàn)電子稱重基本的功能，但是不能實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的輸入，無法根據(jù)實(shí)現(xiàn)電子稱基本的控制參數(shù)。由于數(shù)碼管只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)字和英文字條的顯示，不能顯示漢字以及其他的復(fù)雜字符，不能達(dá)到要求。又因?yàn)椴捎昧四?shù)轉(zhuǎn)功能的單片機(jī)，系統(tǒng)電路過于簡(jiǎn)單，系統(tǒng)硬件的擴(kuò)展必受到限制，電子秤的功能過于單一，達(dá)不到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。方案二 在前一種方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)

4、展，增加一鍵盤輸入裝置，增加處界對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)設(shè)定。數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集單片機(jī)處理LED顯示按鍵處理此方案設(shè)計(jì)的電子秤，可以實(shí)現(xiàn)稱物計(jì)價(jià)功能，但是局限于數(shù)碼管的功能，在顯示重量時(shí)，如果數(shù)碼管沒有足夠的位數(shù)，那么稱量物體重量的精度必受到限制，所以此方案需要較多的數(shù)碼管接入電路中。這樣在處理輸入輸出接口時(shí)需要另行擴(kuò)展足夠多的I/O接口供數(shù)碼管使用，比較麻煩。方案三 前端信號(hào)處理進(jìn)，選用放大、信號(hào)轉(zhuǎn)換等措施來增加信號(hào)采集強(qiáng)度但會(huì)增加相應(yīng)的設(shè)計(jì)成本；顯示方面采用具有字符圖文顯示功能的LCD1602顯示器。這種方案不僅增加了人機(jī)單打交換的能力，而且滿足設(shè)計(jì)要求，可以顯示購物清單、所稱量的物體信息等相關(guān)內(nèi)

5、容，當(dāng)需要增加擴(kuò)展功能時(shí)可以通過切換液晶顯示界面的方式來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)時(shí)增加一個(gè)存儲(chǔ)芯片，用來存儲(chǔ)歷史的稱量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集單片機(jī)處理LED顯示按鍵處理信號(hào)放大數(shù)據(jù)采集信號(hào)放大五、原理圖及器件選型1、單片機(jī)選型單片機(jī)的選擇在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，要滿足大內(nèi)存、高速率、通用性、價(jià)格便宜等求，鑒于以上考慮本課題選擇AT89S52作為整個(gè)系統(tǒng)的主控芯片。AT89C52是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫10000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令

6、系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89C52芯片具有以下特性：指令集和芯片引腳與Intel公司的8051兼容；8KB片內(nèi)在系統(tǒng)可編程Flash程序存儲(chǔ)器；時(shí)鐘頻率為033MHz；128字節(jié)片內(nèi)隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM）；32個(gè)可編程輸入輸出引腳；2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器；6個(gè)中斷源，2級(jí)優(yōu)先級(jí)；全雙工串行通信接口；監(jiān)視定時(shí)器；2個(gè)數(shù)據(jù)指針。AT89S52單片機(jī)的40個(gè)引腳中有2個(gè)專用于主電源引腳，2個(gè)外接晶的引腳，4個(gè)控制或與其它電源復(fù)用的引腳，以及32條輸入輸

7、出I/O引腳。最小系統(tǒng)如下圖2、壓力傳感器選擇由于稱重要求的范圍是080噸，壓力傳感器就采用地磅傳感器（網(wǎng)址：實(shí)物圖如下：技術(shù)參數(shù)：技術(shù)參數(shù)：項(xiàng)目等級(jí)C3UNIT額定載荷10，15，20，25，30,40t額定輸出20.002%mv/v綜合誤差0.02% of rated output輸出溫度影響0.02% of rated output/oC零點(diǎn)溫度影響0.02% of rated output/oC零點(diǎn)平衡1%F.S% of rated output輸入阻抗7755輸出阻抗7022絕緣阻抗5000M安全過載率150%F.S% of rated capability極限過載率300%F.S%

8、 of rated capability工作溫度范圍(-30+80)oCoC推薦工作電壓518V(AC or DC)最大工作電壓24V(AC or DC)空材質(zhì)合金鋼AlloySteel空防護(hù)等級(jí)IP67/IP68空電纜12.5m空傳輸距離空空引用標(biāo)準(zhǔn)GB/T7551-1997/OIML R60空3、A/D轉(zhuǎn)換芯片選型由于上面的壓力傳感器技術(shù)參數(shù)可知，其額定輸出為2mV，滿足題目100kg的精度要求，需要采用至少12位A/D轉(zhuǎn)換芯片，雖然DS2450是一款12位四路轉(zhuǎn)換芯片，但是它采用單線輸出，硬件電路簡(jiǎn)單了，但軟件編程比較難實(shí)現(xiàn)，因此我們采用MAX87。MAX187是美信公司推出的12位A/

9、D轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部含有采樣保持電路，單5V操作電源，輪換速度為8.5us，具有片上4.096V參考電壓，模擬量輸入為0Vref。引腳定義如下：引腳名稱功能1VDD+5V電壓2AIN模擬量輸入，0Vref3操作模式選擇，低電平為休眠模式。正常模式為高電平或懸空，高電平時(shí)使用內(nèi)部參考，懸空是標(biāo)上內(nèi)部參考4REF參考電壓，內(nèi)部參考電壓為4.096V，使用側(cè)部參考是此引腳接一個(gè)4.7uF的對(duì)地參考電壓，使用外部參考時(shí)接2.5VVDD的基準(zhǔn)電壓5GND地6DOUT數(shù)據(jù)輸出7片選8SCLK時(shí)鐘，最高了5MHzA/D轉(zhuǎn)換電路如下四路局部圖四路完整圖4、電壓放大器件選型壓力傳感器采集的信號(hào)為2mV，由于信號(hào)太小

10、，若直接輸入到A/D轉(zhuǎn)換電路根本不起作用，因此需要加入電壓放大電路，MAX187的參考電壓為4.096V，這里我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)放大1500倍的電壓放大器，這樣就會(huì)產(chǎn)生約3V的電壓輸入到A/D轉(zhuǎn)換電路。這里我們采用的運(yùn)放是AD620，其特性如下：易于使用增益通過一個(gè)外部電阻設(shè)置（增益范圍110000）寬電源電壓范圍（正負(fù)2.3V至正負(fù)18V）性能高于3運(yùn)放分立儀表放大器設(shè)計(jì)采用8引腳DIP和SOIC封閉低功耗，最大工作電流1.3mA出色的直流性能（B級(jí)）輸入失調(diào)電壓：50uV（最大值）輸入失調(diào)漂移：0.6uV/ （最大值）輸入偏置電流：1.0nA（最大值）共模抑制比：100dB（最小值，G=10）低

11、噪聲輸入電壓噪聲： 0.28uV峰峰值噪聲（0.1Hz10Hz）出色的交流特性帶寬：100KHz（G=100）0.01%建立時(shí)間：15us放大電路四路局部圖四路完整圖放大電路仿真圖5、電源電路器件選型由于原理圖可知，采用的單片機(jī)的5V單電源供電，運(yùn)放AD620為5V雙電源供電，因此要設(shè)計(jì)一個(gè)正負(fù)5V的雙電源供電系統(tǒng)。我們采用L79xx和L78xx系列穩(wěn)壓芯片。首先由外部變壓器產(chǎn)生15V交流電，經(jīng)過整流橋產(chǎn)生直流電輸入到L7812穩(wěn)壓到12V，然后通過L7805和L7905芯片產(chǎn)生正負(fù)5V供電電源。原理圖如下6、顯示電路器件選擇顯示電路選用LCD1601顯示屏，1602液晶也叫1602字符型液晶

12、，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。 1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。 管腳功能1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：第1腳：VSS為電源地第2腳：VCC接5V電源正極第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可

13、以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度）。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫操作。第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端,高電平（1）時(shí)讀取信息，負(fù)跳變時(shí)執(zhí)行指令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。原理圖如下：7、存儲(chǔ)電路選型存儲(chǔ)電路用于存儲(chǔ)歷史的稱重重量，我們采用24C02作為存儲(chǔ)芯片，通過按鍵來查詢歷史記錄、保存和清除數(shù)據(jù)。24C02有如下特點(diǎn)：1.寬范圍的工作電壓1.8v5.5v2.低電壓技術(shù):1mA典型

14、工作電流1uA典型待機(jī)電流3.儲(chǔ)存器組織結(jié)構(gòu)4.2線串行接口，完全兼容I2C總線5.施密特觸發(fā)輸入噪聲抑制6.硬件數(shù)據(jù)寫保護(hù)7.內(nèi)部與周期(最大5ms)8.自動(dòng)遞增地址9.可按照字節(jié)寫10.esd保護(hù)大于2.5kV11.高可靠性:-擦寫壽命:100萬次 數(shù)據(jù)保持時(shí)間:100年12.無鉛工藝，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)電路原理圖按鍵電路8、超重報(bào)警電路該電路用于超重報(bào)警，當(dāng)稱重超過額定范圍時(shí)，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出聲音，原理電路如下：9、USB下載電路為了方便向單片機(jī)中燒錄程序，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)USB下載電路，用CH340G作為USB轉(zhuǎn)口的芯片其特點(diǎn)如下：全速USB設(shè)備接口，兼容USBV2.0，外圍元器件只需要

15、晶體和電容仿真標(biāo)準(zhǔn)串口，用于升級(jí)原嘻嘻哈哈外圍設(shè)備，或者通過USB增加額外串口計(jì)算機(jī)端Window操作系統(tǒng)下的串口應(yīng)用程序完全兼容，無需修改硬件全雙式串口，內(nèi)置收發(fā)緩沖區(qū)，支持通訊波特率50bps2Mbps支持常用的MODEM聯(lián)絡(luò)信號(hào)RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS通過外加電平轉(zhuǎn)換器件，提供RS232、RS485、RS422等接口支持IrDA規(guī)范SIR紅和外線通訊，支持波特率2400bps到115200bps軟件兼容CH341，可以直接使用CH341的驅(qū)動(dòng)程序支持5V電源電壓和3.3V電源電壓提供SSOP-20和SOP-16無鉛封閉，兼容RoHS原理圖如下：10、電源指示燈和復(fù)位按

16、鍵電路六、PCB設(shè)計(jì)在測(cè)試完原理圖無誤后，便開始PCB版圖的繪制。首先盡量把相近的元器件有序的排在附近，同時(shí)盡量保持整個(gè)版圖呈矩形狀。所有地線走線盡量寬，25-50mil。所IC電源地間的電容走線盡量短，并不使用過孔。雙面板中沒有地線層，晶振電容地線應(yīng)使用盡量寬的短線連接至器件上離晶振最近的GND引腳，且盡量減少過孔，基本運(yùn)用系統(tǒng)的自動(dòng)布線，然后稍作手動(dòng)修改。七、實(shí)驗(yàn)所遇問題及解決辦法在電源設(shè)計(jì)是出現(xiàn)了一些問題，開始時(shí)電源已經(jīng)設(shè)計(jì)好了，當(dāng)設(shè)計(jì)放大電路時(shí)，發(fā)現(xiàn)所需要的電源是又電源，而自己設(shè)計(jì)的電源是單電源，這下糾結(jié)了。后來經(jīng)同學(xué)推薦L79xx系列可以作為負(fù)電源的穩(wěn)壓芯片，又經(jīng)過上網(wǎng)查找相關(guān)79xx系列芯片的資料，終于解決了問題。八、心得體會(huì)通過這次為期兩周的短學(xué)期，我學(xué)到了原理圖和PCB版圖的繪制，熟悉掌握了AD13的使用，對(duì)單片機(jī)89C52也有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，雖然還沒有進(jìn)行深入的了解，軟件程序方面也沒有進(jìn)行研究與學(xué)習(xí)，但是對(duì)大概用途已經(jīng)有所了解，單片機(jī)的功能之強(qiáng)大，讓我對(duì)以后學(xué)習(xí)充滿了好奇與期待。在這段期間，我作為一個(gè)初學(xué)者，遇到了許多或大或小的問題，在同學(xué)和學(xué)長的幫助下，一步步的解決了所遇到的困難，也在每次上網(wǎng)查詢資料的過程中一點(diǎn)點(diǎn)的了解了各種芯片（LED1602、L7812、L7805、L7905、ADC620等）的性能與