武汉理工大学 Protel课设报告

课程设计任务书

学生姓名：张亚男专业班级：通信1104班

指导教师：艾青松工作单位：信息工程学院

题目: Protel应用课程设计——基于单片机的自动售饮料机

初始条件：

（1）可选元件：51单片机、74LS47译码器、晶体管、电阻、电容、LED、按键开关若干；

（2）可用仪器：示波器，万用表，毫伏表；

（3）所用软件：Altium Designer和Proteus。

要求完成的主要任务:

（1）使用Altium Designer制作自动售饮料机的电路原理图

（2）使用Altium Designer制作自动售饮料机的PCB图

（3）使用Proteus进行电路仿真

时间安排：

（1）第1-3周：选题及任务安排。

（2）第4-10周：方案选择及设计。

（3）第11-16周：仿真及PCB制作。

（4）第17-18周：撰写报告及答辩。

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

目录

摘要.................................................................................................................................................. I Abstract .......................................................................................................................................... II 1 方案设计. (1)

1.1 自动售饮料机电路设计要求 (1)

1.2 设计思路及原理框图 (1)

2 单元电路设计 (3)

2.1 中央控制单元---单片机最小系统 (3)

2.2 投币单元 (3)

2.3 选择购买及找零单元 (4)

2.4 显示单元 (5)

2.4.1 可购买类型指示灯显示 (5)

2.4.2 余额显示 (5)

2.6 原理总图 (8)

3 Protel原理图绘制 (9)

3.1 Altium Designer软件简介 (9)

3.2 原理图绘制步骤 (10)

3.2.1建立工程并创建原理图文件 (10)

3.2.2 定位元件和加载元件库 (11)

3.2.3 原理图放置元件 (12)

3.2.4 原理图绘制 (13)

4 PCB印制板电路的制作 (14)

4.1 建立PCB文件 (14)

4.2 原理图导入 (15)

4.3 PCB设计 (16)

4.3.1 PCB布局规则 (16)

4.3.2 PCB布线规则 (16)

5 电路仿真 (19)

5.1 Altium Designer仿真 (19)

5.2 Proteus仿真及分析 (19)

6 总结及体会 (23)

7 参考文献 (24)

附录：元件清单 (25)

摘要

随着计算机技术的发展,计算机软件在电路设计中的应用来越广泛。本报告以Altium Designer为平台,叙述其在电路原理图和印刷电路图设计中的应用方法,并提出该软件在设计过程中常遇到的问题及其解决办法。本文主要以基于51单片机的自动售饮料机的设计为例来学习Altium Designer的使用。

自动售饮料机在生活中随处可见，给人们的生活带来了便利。本文简单介绍了自动售货机系统的工作原理、系统设计、软件编程的思路。该系统以单片机STC89C51芯片为核心，采用集中控制方式实现了对自动售货饮料机全过程的自动控制。本系统选择独立式键盘按键作为投币和货物选择端，用数码管实现了投币总数和余额的显示功能。

本次课程设计首先用Altium Designer软件绘制了电路原理图，并绘制了相应电路原理图的PCB图，最后用Proteus软件进行了电路仿真。

关键词:自动售饮料机单片机Altium Designer PCB Proteus仿真

Abstract

With the development of computer technology, computer software application in the circuit design is used more widely. This report, regarding Altium Designer as a platform, describes the application methods in the circuit schematic and printed circuit design, and raises and addresses in the design process of the software frequently encountered problems and their solutions. This report mainly uses the design of the beverage vending machines based on 51 single-chip microcomputer as an example to learn how to use the Altium Designer.

Beverage vending machines can be seen everywhere in our life, and has brought convenience to people’s life. This paper describes the focus of the work vending machine system theory, system design, software programming mentality. STC89C51 in the system as the core chip, realizes the automatic control of the vending machine’s entire process by using the centralized control mode. The stand-alone keyboard keys are chose to insert coins and choose the goods side, the Nixie tube is used to realize the function of showing the total number of inserted coins and remaining sum.

In this curriculum design, I draw the circuit diagram using Altium Designer firstly, and then draw the corresponding PCB map of the circuit principle diagram, and finally the circuit is simulated with Proteus software.

Keywords:The Vending Machine Single-chip Microcomputer Altium Designer PCB Proteus Simulation

1 方案设计

根据设计要求，自动售货饮料机主要由四个模块构成，即投币模块、选择购买模块、找零模块和显示模块（余额显示和可购买类型指示灯显示）。

1.1 自动售饮料机电路设计要求

自动售货饮料机主要由四个模块构成，即投币模块、选择购买模块、找零模块和显示模块（余额显示和可购买类型指示灯显示）。

（1）售货机只接受5角和1元的硬币，可以用按钮代替硬币的投入。投入硬币的总金额用两位数码管显示，最大投入金额为9.5元。

（2）售货机可以自动出售3种饮料，售价分别是0.5元，1元和1.5元。当顾客完成投币后，根据投入金额，各饮料对应的LED 将亮起（如投入1元硬币，0.5元和1元饮料的LED 亮起，表示可以购买0.5元或1元饮料）。

（3）顾客根据自身需要按下各饮料对应的按钮，每按一次掉出一瓶饮料，两位数码管显示剩余金额，LED 继续指示可购饮料的种类；

（4）顾客按下“找零”按钮将使机器发出找零信号，两位数码管清零。

1.2 设计思路及原理框图

用单片机实现自动售饮料功能，通过编写程序来控制数码管上金额的显示和各种价格的饮料对应的LED 灯显示，通过按键的操作来实现投币，买饮料和找零。原理框图如图1-1所示。

图1-1 方案二原理框图

单片机

AT89C51

找零按键

数码管显示余额

可购买指示灯

购买按键

投币

总体设计思路：

采用单片机系列中的STC89C51所组成的单片机最小系统作为中央控制元件。

投币模块：用端口P1.0和P1.1作为投币输入端，分别表示投入0.5元和1.0元。

选择购买模块：用端口P1.2、P1.3和P1.4作为选择购买输入端，分别表示购买0.5元、1.0元和1.5元的饮料。

找零模块：用端口P1.7作为找零输入端。

显示模块：用端口P0.5、P0.6和P0.7作为可购买指示输出端，分别表示可购买0.5元、1.0元和1.5元的饮料；用端口P2.0-P2.7作为显示输出端，连接数码管显示余额。

2 单元电路设计

2.1 中央控制单元---单片机最小系统

单片机最小系统是能补足单片机工作的最简单电路，它由单片机、电源、晶体振荡器、复位电路等构成。它是本系统的处理单元也是控制单元，负责处理信号、外设的接口与控制，同时它也是所有软件的载体。对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、时钟电路、复位电路、输入/ 输出设备等。

在本次设计中，单片机最小系统作为中央控制单元，控制自动售饮料机的所有功能。中央控制单元的原理电路图如图2-1所示。

图2-1中央控制单元原理电路图

2.2 投币单元

用端口P1.0和P1.1作为投币输入端，分别表示投入0.5元和1.0元。原理电路图如图2-2所示。

图2-2投币单元原理电路

如图所示，KEY_5为投入0.5元的按键开关，与端口P1.0相接。KEY_10为投入1.0元的按键开关，与端口P1.1相接。P1.0和P1.1初始置为高电平1，按下开关瞬间，接地置为低电平0，表示投入对应的硬币。

2.3 选择购买及找零单元

用端口P1.2-P1.4作为选择购买输入端，分别表示购买0.5元、1.0元和1.5元的饮料。用端口P1.7作为找零输入端。原理电路图如图2-3所示。

图2-3选择购买及找零单元原理电路

如图所示，KEY_buy5、KEY_buy10和KEY_buy15分别为购买0.5元、1.0元和1.5

元饮料的按键，分别与端口P1.2-P1.4相连。初始置为高电平1，按下按键瞬间，接地置为

低电平0，表示购买对应金额的饮料。KEY_getchange表示找零，与端口P1.7相接。P1.7初始置为高电平1，按下按键瞬间，接地置为低电平0，表示找零信号。

2.4 显示单元

2.4.1 可购买类型指示灯显示

用端口P0.5-P0.7作为指示灯显示输出端，分别连接LED灯指示0.5元、1.0元和1.5元的饮料可以购买。原理电路图如图2-4所示。

图2-4可购买类型指示灯显示单元原理电路

如图所示，LED_A、LED_B、LED_C分别用来指示0.5元、1.0元和1.5元的饮料可以购买，分别与端口P0.5-P0.7相接，每个LED灯加一个100欧姆的限流电阻，然后接VCC。P0.5-P0.7初始置为高电平1，此时LED灯截止，为熄灭状态。当按键输入后经程序控制使P0.5、P0.6或P0.7为低电平时，对应的LED灯导通，为点亮状态。

2.4.2 余额显示

用端口P2.0-P2.7作为余额显示输出端，连接译码器分别驱动两个数码管共同显示余额。原理电路图如图2-5所示。

图2-5 余额显示单元原理电路

一、元件选取：显示元件选择了两个一位共阳数码管，并用74LS47译码器作为驱动。

二、元件介绍：

1、七段显示数码管

七段发光二极管是多种显示器中的一种，它可以直接显示出译码器输出的十进制数。七段发光二极管显示器有共阳接法和共阴接法两种。共阳接法就是把发光二极管的阳极都连在一起接到高电平上，输入低电平有效。七段共阳显示器的外引线排列图和内部原理图如下。

图2-6数码管外引线排列图图2-7 共阳数码管内部原理图

2、74LS47译码器

74LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器，

74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字,

通过它解码，可以直接把数字转换为数码管的显示数

字。74LS47为低电平作用。管脚图如图2-8所示。

图2-8 74LS47引脚图74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用，表2-1列出了74LS47的真值表，表示出了它与数码管之间的关系。

表2-1 74LS47真值表

LT RBI BI/ RBO D C B A a b c d e f g 说明

0 X 1 X X X X 0 0 0 0 0 0 0 试灯

X X 0 X X X X 1 1 1 1 1 1 1 熄灭

1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 灭零

1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0

1 X 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1

1 X 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 2

1 X 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 3

1 X 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 4

1 X 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 5

1 X 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 6

1 X 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 7

1 X 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8

1 X 1 1 0 0 1 00 0 1 1 0 0 9

三、原理分析：

如图2-5所示，驱动整数部分数码管显示的译码器输入端A1-D1分别与单片机的端口

P2.0-P2.3相接。编写程序控制端口P2.0-P2.7，并通过译码器驱动数码管显示对应的余额。

2.6 原理总图

用中央控制单元--单片机最小系统控制投币模块，选择购买模块，找零模块和显示模块，设计出整体原理图如图2-9。

图2-9 整体原理图

3 Protel原理图绘制

3.1 Altium Designer软件简介

电路设计自动化EDA（Electronic Design Automation）指的就是将电路设计中各种工作交由计算机来协助完成。如电路原理图（Schematic）的绘制、印刷电路板（PCB）文件的制作、执行电路仿真（Simulation）等设计工作。随着电子科技的蓬勃发展，新型元器件层出不穷，电子线路变得越来越复杂，电路的设计工作已经无法单纯依靠手工来完成，电子线路计算机辅助设计已经成为必然趋势，越来越多的设计人员使用快捷、高效的CAD 设计软件来进行辅助电路原理图、印制电路板图的设计，打印各种报表。

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，主要运行在Windows XP操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。

Altium Designer 除了全面继承包括Protel 99SE、Protel DXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。由于Altium Designer在继承先前Protel 软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，Altium Designer对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。

Altium Designer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：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（Advanced PCB 99）：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。本系统的主要功能是：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（Advanced Route 99）：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（Advanced SIM 99）：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（Advanced PLD 99）：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（Advanced Integrity 99）：信号完整性分析系统提供

3.2 原理图绘制步骤

3.2.1建立工程并创建原理图文件

1、从Windows操作系统的开始菜单或桌面快捷图标进入Altium Designer环境。

2、使用菜单File/New或File/New Design建立工程，如图3-1。

3、使用向新建的工程中添加原理图文件如图3-2，并保存

4、将原理图文件打开，进行原理图的绘制。

图3-1新建工程对话框

图3-2 添加原理图文件对话框

3.2.2 定位元件和加载元件库

1、点击Libraries标签显示库工作区面板。

2、在库面板中按下Search按钮，或选择Tools?Find Component。这将打开查找库对话框。

3、确认Scope被设置为Libraries on Path，并且Path区含有指向你的库的正确路径。如果你接受安装过程中的默认目录，默认目录F:\Programsoft\AD\DOCUMENTS\Library。确认Include Subdirectories未被选择（未被勾选）。

4、本设计主要是基于51系列单片机的故在Atmel库中寻找即可，查询时格式应为*Atmel80c51。

5、点击Search按钮开始查找。当查找进行时Results标签将显示。如果你输入的规则正确，一个库将被找到并显示在查找库对话框。

6、点击Miscellaneous Devices.IntLib库以选择它。

7、点击Install Library按钮使这个库在你的原理图中可用。添加元件库对话框见图3-3。

8、关闭Search Libraries对话框。添加的库将显示在库面板的顶总。如果你点击上面列表中的库名，库中的元件会在下面列表。面板中的元件过滤器可以用来在一个库内快速

定位一个元件。同样方法找出所需元件。

图3-3 添加元件库对话框

3.2.3 原理图放置元件

1、电容、电阻等常用元件也在Miscellaneous Devices.IntLib库里，该应该已经在Libraries面板中被选择。

2、在Libraries面板的元件过滤器栏键入cap或res。

3、在元件列表中点击元件选择它，然后点击Place按钮。现在在你的光标上悬浮着一个电容符号。

4、按TAB键编辑电容的属性。在Component Properties对话框的Properties单元，设置Designator，检查PCB封装模型。

5、规则栏的设置将显示在原理图中。点击规则列表中的Add显示Parameter Properties 对话框。输入名称Value以及值20n。确认String作为规则类型被选择，并且value的Visible 框被勾选。点击OK。

6、在对话框的Properties单元，点击Comment栏并从下拉列表中选择=Value，将Visible 关闭。点击OK按钮返回放置模式。右击或按ESC退出放置模式。

3.2.4 原理图绘制

单击编辑窗口左边的【Add/Remove】按钮添加“Miscellaneous Device.ddb”和“Protel DOS Schematic Libraries.lib”元件库。

首先将所有元件都从库中取出来，放置在图纸上，并且调整好位置。设置各元件值并分别对元件编号和输入相应的封装号。

元件布局结束后，对器件间的管脚进行电气连接。单击工具栏中的（放置导线）按钮，执行连线操作，注意导线的起点与终点不可与元件的引脚重合或虚连。原理图绘制完成后，效果图如图3-4所示。

原理图绘制完成之后，还需要对原理图进行编译，软件将分别以“Error”（错误）或“Warning”（警告）等信息来提醒用户。

图3-4 原理图

4 PCB印制板电路的制作

4.1 建立PCB文件

选中所建的工程单击鼠标右键向工程中添加PCB文件，点击保存即可，如图4-1所示，得到的视图如图4-2所示。

图4-1 建立PCB文件对话框

4.2 原理图导入

由于本次设计用Altium Designer来设计和制作PCB印刷板，因此不需要生成网络表，可以直接导入原理图生成PCB图。

图4-3 Validate Change 实现图

图4-4 原理图导入PCB文件结果

4.3 PCB设计

4.3.1 PCB布局规则

1、根据结构图设置板框尺寸，按结构要素布置安装孔、接插件等需要定位的器件，并给这些器件赋予不可移动属性。按工艺设计规范的要求进行尺寸标注。

2、根据结构图和生产加工时所须的夹持边设置印制板的禁止布线区、禁止布局区域。根据某些元件的特殊要求，设置禁止布线区。

3、综合考虑PCB性能和加工的效率选择加工流程。

加工工艺的优选顺序为：元件面单面贴装——元件面贴、插混装（元件面插装焊接面贴装一次波峰成型）——双面贴装——元件面贴插混装、焊接面贴装。

4、布局操作的基本原则：

A. 遵照“先大后小，先难后易”的布置原则，即重要的单元电路、核心元器件应当优先

布局。

B. 布局中应参考原理框图，根据单板的主信号流向规律安排主要元器件。

C. 布局应尽量满足以下要求:总的连线尽可能短，关键信号线最短;高电压、大电流信

号与小电流，低电压的弱信号完全分开;模拟信号与数字信号分开；高频信号与低频信号分开；高频元器件的间隔要充分。

D. 相同结构电路部分，尽可能采用“对称式”标准布局；

E. 按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局；

F. 器件布局栅格的设置，一般IC器件布局时，栅格应为50--100 mil,小型表面安装器

件，如表面贴装元件布局时，栅格设置应不少于25mil。

4.3.2 PCB布线规则

1、走线长度：尽量走短线，特别对小信号电路来讲，线越短电阻越小，干扰越小。

2、走线形状：同一层上的信号线改变方向时应该走135°的斜线或弧形，避免90的拐角。

3、走线宽度和走线间距：在PCB设计中，网络性质相同的印制板线条的宽度要求尽量一致，这样有利于阻抗匹配。