数字温度控制器Word格式文档下载.docx

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（5）为了统一供电电压，本电路设计采用直流5V电源电压,运放使用＋（－）12V电压。

流程图如下：

图2.1数字温度控制器流程图

3硬件设计

本设计看似复杂，实则可以将其分成三大部分：

温度检测部分，温度与电信号转换，并显示，附加控制电路处理。

下面就主要分这三部分对这个课题进行分析、处理。

3.1温度检测电路的设计

温度是基本物理量之一，从是常生活到各行各业，都需要温度测量和温度控制。

在航空航天各系统的试验测试中，热敏传感器尤显重要，比如检测飞机喷气发动机出口温度就是采用了一种以镍铬－镍硅或K型热电偶与电阻电桥构成的热敏传感器。

我们设计的温度检测电路采用电阻电桥网络，采用的热敏电阻建议为Pt100。

Pt100的阻值与温度之间的理论关系为：

（3—1）

式中，

为摄氏温度；

为

时的阻值；

为常数。

但于实际应用时，精度要求不是那么高，经过我们查找相应的资料得到如下近似的表达式，此式便作为我们选取电阻的依据。

如果在实际应用时，发现不符合使用精度，也可以由使用者根据相应的精度进行调整。

（3—2）

其输出电压的表达式为：

（3—3）

输出电压与温度成线性关系，满足我们的传感需要。

3.2电信号的处理电路设计

3.2.1A/D转换电路

由于从温度检测转换过来的电信号为模拟信号，而我们要求处理的信号往往都是数字信号，所以我们需要将模拟信号转换为数字信号。

A/D转换器的型号有很多，我们采用的A/D转换器为ADC0809，其引脚图如下：

图3.2ADC0809引脚图

使用时，我们只需要使用一路作为输入，即可完成模拟和数字的转换。

所转换出去的数据可以供后续转换成BCD码进行数码管显示，也可以供从拨码盘输入的数据进行比较使用，在设计时，我们考虑将其设置为总线（BUS）结构，方便处理，调用。

3.2.2二进制－BCD转换

为了便于显示处理，我们必须将数据变为BCD码，而实际处理中，由于二进制数是由A/D转换器得到，与温度有很大的关系，故而从某种角度上来说，我们可以将温度与BCD码相一一对应，这就大方便了处理的需要。

而我们所做的代价仅仅是一块EPROM2716。

也就是说，如果我们将温度的BCD码与相应的地址空间中的数据相对应，便很容易处理。

下表是我们在EPROM中固化的数据。

（表一EPROM中固化的数据）

地　址

00

01

02

03

04

05

……

F9

FA

数　据

50

3.2.3比较器电路

从以上得到的BCD码经过与我们设定的拨码盘中的数据相比较，得到的结果以便来控制加热电路。

这一点是很容易办到的。

采用两个拨码盘，每个拨盘与一个74LS85比较器相连，可以实现实际温度与设定温度相比较的效果。

比较得到的结果可以用来处理后续的加热控制电路。

3.3加热控制电路

加热器所用的电源为220V工频交流电，因此我们有必要将强电和弱电相互隔离。

我们在设计过程中考虑到固态继电器（SSR）作为接口元件，当然也可以使用直流继电器作为接口元件，将强电和弱电相互隔离。

但是，在电路设计过程中，有一个问题需要考虑的是：

由于比较器的输出电流相对来说比较有限，不足以驱动SSR，因此我们需要使用晶体三极管来驱动SSR。

当然，三极管要能够保证其工作在饱和/截止的状态。

3.4时钟信号电路

整个电路的时钟信号可以利用555定时器产生，由于设计的要求为：

时间间隔设为5S。

我们可以再利用一个十进制计数器74LS192，如果555定时器产生频率为2Hz的脉冲，那么每5s，在74LS192的进位端便可产生1个脉冲信号，如果我们使用此脉冲信号作为A/D转换控制，便实现了设计的要求和任务。

3.5LED显示电路

对于LED可以使用2个LED作为当前温度的显示，因为设计要求对于温度的精度要求并不是很高，为1度，所以只用两个LED，显示个位和视为没有显示小数位。

这样的设计比较实际化，也节约了成本。

另为两个LED作为用户设置的温度的显示，使用户可以清晰的看到自己设置的温度和当前温度的差异。

4protel软件概要

PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，其基于Windows环境的99SE版本,不仅提供了功能完备的电路设计工具,而且具备强大的电路仿真能力。

《Protel应用实践》课程设计旨在让同学们对Protel软件的熟练操作，并对其各项强大功能的了解。

本次课程设计是以脉冲宽度调制信号控制电路为例，叙述原理图绘制、原理图库元件的创建、PCB设计等的具体步骤和出现问题及其解决方法。

早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到PROTEL99（网络上可下载到它的测试板），是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，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，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率。

图1Protel99SE桌面图标

Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层。

4.1Protel99SE的系统组成

按照系统功能来划分，Protel99se主要包含以下俩大部分和6个功能模块。

1电路工程设计部分

（1）电路原理设计部分（AdvancedSchematic99）：

电路原理图设计部分包括电路图编辑器（简称SCH编辑器）、电路图零件库编辑器（简称Schlib编辑器）和各种文本编辑器。

本系统的主要功能是：

绘制、修改和编辑电路原理图；

更新和修改电路图零件库；

查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。

（2）印刷电路板设计系统（AdvancedPCB99）：

印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器（简称PCB编辑器）、零件封装编辑器（简称PCBLib编辑器）和电路板组件管理器。

绘制、修改和编辑电路板；

更新和修改零件封装；

管理电路板组件。

（3）自动布线系统（AdvancedRoute99）：

本系统包含一个基于形状（Shape-based）的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现PCB设计的自动化。

2电路仿真与PLD部分

（1）电路模拟仿真系统（AdvancedSIM99）：

电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。

（2）可编程逻辑设计系统（AdvancedPLD99）：

可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器（Waveform）。

本系统的主要功能是；

对逻辑电路进行分析、综合；

观察信号的波形。

利用PLD系统可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。

（3）高级信号完整性分析系统（AdvancedIntegrity99）：

信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析PCB设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。

4.2Protel99SE的功能特性

1开放式集成化的设计管理体系

2超强功能的、修改与编辑功能

3强大的设计自动化功能

5电路原理图的绘制及仿真

5.1电路原理图的绘制

原理图的设计流程如下：

新建原理图设计库文件→载入元件库→元件放置与布局→原理图的绘制→元件属性的编辑→电气规则检查→生成网络表

5.2层次电路的设计思想

当编辑复杂电子产品的电路原理图时，在特定幅面的图纸上绘制出整个电子系统的原理图有一定难度。

这时我们可以采用层次电路的设计思想，即模块化的设计，来绘制总的原理图。

用户可以将总的电子系统分为若干个功能模块，自顶向下分别进行设计。

这样可以使电路层次结构清晰，设计分工明确，便于理解和操作。

5.3新建原理图设计库文件

（1）启动Protel99SE软件，选择菜单“File/New”,弹出如图6所示的对话框。

建立名为“温度控制及显示电路.ddb”的原理图库文件如下。

随即，此库文件名将显示在左栏explore子目录下。

图5.1创建原理图库文件界面

（2）双击打开库文件，选择菜单“File/New”，弹出如图7所示的对话框。

单击“SchematicDocument”,建立名为“温度控制及显示控制电路.prj”的原理图文件。

图5.2创建原理图文件界面

（3）双击原理图文件，进入原理图编辑界面。

5.4载入元件库

点击界面左侧Browse对话框中的“Add/Remove”按钮，屏幕上会出现如下图所示的“元件库添加/删除”对话框；

选中常用的元件库MiscellaneousDevices.ddb、ProtelDOSSchematicLibraries.ddb和sim.ddb，点击“Add”按钮即可。

图5.3添加元件库界面

5.5编辑电路总原理图

（1）选择“Place”菜单下的“SheetSymbol”，移动光标到原理图编辑区内，

（2）按下“Tab”键，进入放宽电路属性设置窗口，编辑方块电路名（如“信号采集电路”）和方块电路文件名（如“信号采集电路.sch”）；

（3）移动光标到合适位置，左击放置方块电路模型；

（4）重复上述操作三次，完成总的方块电路模型；

（5）放置方块电路的I/O端口，注意模块间的输入输出关系，设置端口属性。

5.6绘制子模块电路

建立了项目文件原理图后，可以单独编辑各自模块电路的原理图，编辑器会自动完成匹配，生成总的电路原理图。

单击“Design”菜单下的“CreatSheetFromSymbol”，将光标移动到某一方块电路上，单击鼠标进入该模块的电路原理图的绘制。

5.6.1电路原理图绘制的基本方法

（1）元件放置与布局

加载元件库后，在元件浏览器中可浏览到各种元件库元件列表及图形。

选中绘制原理图所需的元件，点击“Place”按钮，将选中的元件放置到原理图中的合适位置。

可单击鼠标左键多次，进行同类元件的多个放置，以单击鼠标右键结束放置。

为了使元件位置布局合理，原理图整体效果规范和美观，可以对元件位置进行调整。

选中目标不放，将其拖拽到合适的位置，即可完成移动；

选中目标后，点击“Space”键，还可以使元件做90˚旋转。

（2）原理图的绘制

①绘制导线。

选择视图/工具栏中的wiring工具栏

点击电气线图标连接原理图中每个元件；

②添加电源及接地符号；

③放置电路节点和端口，以及总线和网络标号等。

（3）元件属性的编辑

双击某一元件，进入该元件属性设置的窗口。

通常需要设置的项目有元件的封装形式Footprint，元件标号Designation和元件标称值Part。

不同元件的封装形式不同，需要特别注意。

以下是常用元件的封装形式：

（1）三极管NPN封装号（Footprint）为TO-92B，器件类别（Part）为9013，元件称号（Designator）依次设为VT1-VT4；

（2）电阻RES2封装号（Footprint）为AXIAL0.3，标示值（part）为阻值，称号（Designator）依次设为R1-R15；

（3）滑动变阻器POT1封装号（Footprint）为VR1，标示值（Part）为总阻值，称号（Designator）依次设为RW1-RW4；

（4）无极性电容CAP封装号（Footprint）为RAD0.2，标示值（Part）为电容值，均为470nF，称号（Designator）C4，C6；

（5）电解电容ELECTRO1封装号（Footprint）为RB.2/.4，标示值（Part）为其大小，称号（Designator）C1-C3,C5。

5.6.2温度检测电路

图5.4温度检测电路

5.6.3A/D转换及显示电路绘制

图5.5A/D转换电路

图5.6LED显示电路

5.6.4时钟信号电路

图5.7时钟脉冲信号产生电路

5.7.ERC电气规则检查

当整个电路设计完成后，进行ERC检查。

选择“Tools”下设的“ERC”，弹出如下对话框，点击OK即可。

图5.8ERC界面

5.8生成网络表

网络表是原理图与印制电路板之间的一座桥梁，是印制电路板自动布线的依据。

网络表提供了电路的元件清单以及元件之间的互联关系。

使用菜单命令【Design】/【CreateNetlist】，在弹出的对话框中，单击OK即可生成与原理图同名的网络表文件*.net。

图5.9网络表对话框

5.9生成材料清单

执行菜单命令【REPORT】/【BILLOFMATERIAL】出现新的对话框选择“project”点击下一步，其他默认直到倒数第二步将ProtelFormat、CSVFormat、ClientSpreadsheet全部选中点击下一步和Finish就生成了材料清单，材料清单见附录。

6印制电路板设计

6.1创建PCB文件

（1）执行“File\New”命令，选择创建PCB文件。

（2）双击PCB文件图标，进入PCB设计界面。

6.2电路板的规划及网络表的载入

（1）在PCB设计界面，单击标签“Keepoutlayer”进入禁止布线层。

执行“Place\Track”命令，移动光标绘制电路板边框。

（2）选择“Design”菜单下的“CreatNetlist”，在弹出的“NetlistFile”对话框中浏览并选中网络表文件，单击“Execute”按钮，即可加载网络表格。

在网络表文件载入时，常常会出现两种错误：

FootprintNotFound（封装元件遗漏）、NodeNotFound（引脚遗漏）。

在加载的时候，应该注意改正错误，得到正确的网络表。

图6.1导入网络表后界面

6.3手动制作封装库文件

本电路有一个元件–单刀双掷继电器开关，在元件封装库里找不到对应的封装，在导入网络表时提示有错，所以，我对此元件单独建立了一个封装库文件，手动制作了它的封装。

（1）创建封装库文件，操作同原理图文件的新建方法。

（2）根据元件实际情况，放置焊盘，设置其参数并确定位置。

（3）切换到"

TopOverLayer"

用线条工具绘制元件封装的外形轮廓线。

（4）设置元件的参考原点，并将文件保存为原理图中此元件的名字。

图6.2新建的元件封装

6.4手动布局与自动布线

由于此电路图元件较多，不适合自动布局，所以我采取了手动布局的方法，手工完成电路板的布局。

对于布线操作，我采取了系统自动布线的方式。

因为在手动布局时，已注意使有关联的元件尽量排布在一起，所以自动布线操作非常成功。

（1）用鼠标拖开重叠的元件，手动布局，使所有的元件互不重叠。

在确定元件放置位置时，要注意相关联元件的放置，尽量使各元件之间的连线最短。

（2）在“AutoRoute”下拉菜单中点击“All”进行自动布线。

图6.3手动布局后的PCB

图6.4自动布局后的PCB

6.5电路板设计技巧铺铜

执行“Place\PloygonPlane”命令，选择需要铺铜的区域点吉鼠标右键进行铺铜。

图6.5铺铜后的PCB图

7设计中遇到的问题和解决方法

一开始有在元器件库里占不到自己需要的元器件的情况，后来经过指导老师的指点和自己的摸索，我们指导了要按照自己的需要加载不同的元器件库，从中寻找自己需要的元器件。

画完原理图后，确定各器件的封装形式是我们比较头疼的问题。

除了我们短学期做Protel作业是了解到的几个具体的元器件外，其余的一些元件我们一开始根本不清楚如何确定他们的封装形式。

后来我们就在PCB版图编辑界面里自己在元器件封装库里自己找可以用于这些器件的封装形式，最后很好的解决了这一问题。

由此我们也了解了更多的元器件的封装形式，以及哪一类的封装形式适合哪些元件以后在遇到类似的问题，我们应该可以很快的自己找到核实的封装形式，这也是这次设计作业中我们一个比较大的收获。

编辑PCB版图加载网络表的时候我们发现有些元器件的节点信息无法加载，导致不显示出现无法连接的问题，而原理图的绘制完全没有问题。

由于这个问题只出现在和电源相关的器件上，和周围节点的联系不多。

我们采取了直接手动修改这些节点属性的方法，将这些节点的属性改为应相连节点相同的属性。

取得了预期的效果。

由于运用的元器件比较多而且复杂，我们放弃了原先准备自己手动布线使版图更美观的想法，而采取了元器件手动布局，电脑自动布线的方法，顺利完成了PCB图的制作，最后的DRC规则检查也顺利通过。

8小结

这次的课程设计，通过翻阅了不少protel的资料，学习他们的设计思路和一些特殊器件的练级使用方法，大致掌握了Protel99SE的基本使用方法，特别是如何确定元器件的封装形式和PCB版图制作的方法和步骤。

让我加深了对用Protel进行电路板设计的了解，添加了一些自己的设计思路让我拥有了一定的自己设计硬件的能力。

也为以后更加专业的课程设计做了很好的准备。

我也知道我的设计方案肯定还是存在不少的问题，还有一些需要改进的地方，我也会不停的思考，相信会做的越来越好的。

参考文献：

1.赵品编.Protel99入门与提高著.北京.人民邮电出版社.2000.11

2.周惠潮.常用电子器件及典型应用.北京.电子工业出版社.2005.6

3.毕满清.电子技术实验与课程设计.北京.机械工业出版社.2008.3

4.杜刚.电路设计与制板－Protel应用教程.北京.清华大学出版社2008.7

5.康光华.电子技术基础.北京.高等教育出版社.2006

附录一：

元件清单

元件名称

型号

数量

电阻

200KΩ

2

5.6KΩ

5

2KΩ

10

100Ω

1

电位器

10KΩ

电解电容

470uF,50V

定时器

555

3

反向器

741

三极管

BU4061

计数器

74ALS192

AD转换器

ADC0809

比较器

74LS85

译码器

74248

EPROM

2716

附录二：

完整电路图：

附录三：

PCB设计全图：