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簡析溫度檢測系統(tǒng)的原理
摘要：本文主要講述采用Protel99SE軟件設(shè)計(jì)多點(diǎn)溫度檢測與顯示系統(tǒng)的原理圖和印刷電路板的概要過程及設(shè)計(jì)技巧。
關(guān)鍵詞：PROTEL;51單片機(jī);溫度監(jiān)測;RS23
一、設(shè)計(jì)要求、環(huán)境、理論基礎(chǔ)、步驟
1.要求
用8個(gè)熱電阻Pt100做溫度傳感器，采用惠斯登電橋測量電路，將熱電阻變化量轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào);用LM324設(shè)計(jì)放大電路;以ADS7816將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào);單片機(jī)將采集到的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過平滑處理、變換成溫度量用數(shù)碼管顯示出來、用按鍵設(shè)置報(bào)警溫度的上下限值,并具有聲光報(bào)警功能。
2.軟、硬件環(huán)境
硬件：PC機(jī)、電烙鐵、元器件，鑷子、數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)臺(tái)等。
軟件：Protel(制圖)、STC-ISP(下載)、WAVE2000(調(diào)試)。
3.理論基礎(chǔ)
單片機(jī)、數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)、Protel軟件、串行通信
4.步驟
設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，開發(fā)步驟如下 ：
1)需求分析,方案論證和總體設(shè)計(jì)階段。
2)器件選擇，電路設(shè)計(jì)，測試程序的編制階段。
3)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能測定。
4)文檔編制階段。
二、硬件電路設(shè)計(jì)
掌握各種芯片的資料及性能差異，選擇合適的芯片，用Protel進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)和印制電路板設(shè)計(jì)。
1、 原理圖設(shè)計(jì)
1 )設(shè)置電路圖紙參數(shù)及相關(guān)信息
執(zhí)行菜單Design/Options和Tool/Preferences，根據(jù)電路圖的復(fù)雜程度等要求，設(shè)置圖紙格式、大小、方向、捕捉柵格、電氣柵格等。
2 )裝入所需要的元件庫
在Browse區(qū)域中的下拉框中選擇Library，然后單擊ADD/Remove按鈕將包含所需元件的元件庫裝入設(shè)計(jì)系統(tǒng)中。
3 )放置元件
將選定的元件放置到已建立好的工作平面上，并對其位置進(jìn)行調(diào)整，對其序號(hào)、封裝形式、顯示狀態(tài)等進(jìn)行定義和設(shè)置。
4 )電路圖布線
利用 Protel所提供的各種工具、命令進(jìn)行畫圖工作，將事先放置好的元器件用具有電氣意義的導(dǎo)線、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)等連接起來，構(gòu)成一張完整的電路原理圖。
5 )調(diào)整、檢查和修改
執(zhí)行菜單命令Tool/REC對畫好的電路原理圖進(jìn)行電氣規(guī)則檢查，進(jìn)一步調(diào)整和修改，以保證原理圖的正確和美觀。
6 )產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表
執(zhí)行Design/Create Netlist命令，彈出Netlist Creation對話框，采用默認(rèn)的設(shè)置，點(diǎn)擊確認(rèn)后產(chǎn)生了后綴名為.NET網(wǎng)絡(luò)報(bào)表。
2、印制電路板設(shè)計(jì)
印刷電路板設(shè)計(jì)是從電路原理圖變成一個(gè)具體產(chǎn)品的必經(jīng)之路：
1)規(guī)劃電路板
根據(jù)要設(shè)計(jì)電路板的尺寸。選取Keep Out Layer復(fù)選框，執(zhí)行菜單命令Place/Keep out/Track，繪制電路板的邊框。執(zhí)行菜單Design/Options，在“Signal Lager”中選擇Bottom Lager，把電路板定義為單面板。
2)設(shè)置參數(shù)
參數(shù)設(shè)置是電路板設(shè)計(jì)的非常重要的步驟，執(zhí)行菜單命令Design/Rules，左鍵單擊Routing按鈕，根據(jù)要求設(shè)置布線工作層、線寬。
3)裝入網(wǎng)絡(luò)表和元件封裝庫
執(zhí)行菜單Design/Load Nets命令，然后在彈出的窗口中單擊Browse按鈕，再在彈出的窗口中選擇電路原理圖設(shè)計(jì)生成的網(wǎng)絡(luò)表文件(擴(kuò)展名為Net)，如果沒有錯(cuò)誤，單擊Execute。若出現(xiàn)錯(cuò)誤提示，必須糾正。執(zhí)行菜單命令Design/Add/Remove Library，在“添加/刪除元件庫” 對話框中選取所有元件所對應(yīng)的元件封裝庫。
4)元器件布局
Protel既可以進(jìn)行自動(dòng)布局也可以進(jìn)行手工布局，執(zhí)行菜單命令Tools/Auto Placement/Auto Placer可以自動(dòng)布局。
5)自動(dòng)布線
Protel采用世界最先進(jìn)的無網(wǎng)格、基于形狀的對角線自動(dòng)布線技術(shù)。執(zhí)行菜單命令A(yù)uto Routing/All進(jìn)行自動(dòng)布線。
6)手工調(diào)整使布局更加合理美觀。
晶振連線應(yīng)該最短化，四個(gè)數(shù)碼管應(yīng)該放在一條線上，可調(diào)電阻應(yīng)該放在邊上，5個(gè)按鍵和8個(gè)模擬輸入應(yīng)該按次序排放等，在PCB設(shè)計(jì)中， 在整個(gè)PCB中，以布線的設(shè)計(jì)過程限定最高，技巧最細(xì)、工作量最大。
3、PCB技巧總結(jié)
PCB布線有單面布線、雙面布線及多層布線。有自動(dòng)布線及交互式布線兩種方式。在自動(dòng)布線之前，可以用交互式預(yù)先對要求比較嚴(yán)格的線進(jìn)行布線，輸入端與輸出端的邊線應(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)生干擾。必要時(shí)應(yīng)加地線隔離，兩相鄰層的布線要互相垂直，平行容易產(chǎn)生寄生耦合。自動(dòng)布線的布通率，依賴于良好的布局，布線規(guī)則可以預(yù)先設(shè)定，包括走線的彎曲次數(shù)、導(dǎo)通孔的數(shù)目、步進(jìn)的數(shù)目等。一般先進(jìn)行探索式布經(jīng)線，快速地把短線連通， 然后進(jìn)行迷宮式布線，先把要布的連線進(jìn)行全局的布線路徑優(yōu)化，它可以根據(jù)需要斷開已布的線。 并試著重新再布線，以改進(jìn)總體效果。
1)電源、地線的處理
既使在整個(gè)PCB板中的布線完成得都很好，但由于電源、地線的考慮不周到而引起的干擾，會(huì)使產(chǎn)品的性能下降，有時(shí)甚至影響到產(chǎn)品的成功率。
在電源、地線之間加上去耦電容。 加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關(guān)系是：地線>電源線>信號(hào)線。對數(shù)字電路的PCB可用寬的地導(dǎo)線組成一個(gè)回路, 即構(gòu)成一個(gè)地網(wǎng)來使用(模擬電路的地不能這樣使用) 用大面積銅層作地線用,在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用。或是做成多層板，電源，地線各占用一層。
2)數(shù)字電路與模擬電路的共地處理
現(xiàn)在有許多PCB是由數(shù)字電路和模擬電路混合構(gòu)成的。數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強(qiáng)，對信號(hào)線來說，高頻的信號(hào)線盡可能遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件，對地線來說，整個(gè)PCB對外界只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)，所以必須在PCB內(nèi)部進(jìn)行處理數(shù)、模共地的問題，而在板內(nèi)部數(shù)字地和模擬地實(shí)際上是分開的它們之間互不相連，只是在PCB與外界連接的接口處(如插頭等)。數(shù)字地與模擬地有一點(diǎn)短接，請注意，只有一個(gè)連接點(diǎn)。也有在PCB上不共地的，這由系統(tǒng)設(shè)計(jì)來決定。
3)信號(hào)線布在電(地)層上
在多層印制板布線時(shí)，由于信號(hào)線層沒有布完的線剩下已經(jīng)不多，再多加層數(shù)就會(huì)造成浪費(fèi)也會(huì)給生產(chǎn)增加一定的工作量，成本也相應(yīng)增加了，為解決這個(gè)矛盾，可以考慮在電(地)層上進(jìn)行布線。
4)大面積導(dǎo)體中連接腿的處理
在大面積的接地(電)中，常用元器件的腿與其連接，就電氣性能而言，元件腿的焊盤與銅面滿接為好，但對元件的焊接裝配就存在一些不良隱患如：焊接需要大功率加熱器，容易造成虛焊點(diǎn)。
5)布線中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的作用
網(wǎng)格過密，通路雖然有所增加，但步進(jìn)太小，數(shù)據(jù)量過大，這必然對設(shè)備的存貯空間有更高的要求，同時(shí)也對運(yùn)算速度有極大的影響。而有些通路是無效的，如被元件腿的焊盤占用的或被安裝孔、定位孔所占用的等。網(wǎng)格過疏，通路太少對布通率的影響極大。所以要有一個(gè)疏密合理的網(wǎng)格系統(tǒng)來支持布線的進(jìn)行。 標(biāo)準(zhǔn)元器件兩腿之間的距離為2.54mm，所以網(wǎng)格系統(tǒng)的基礎(chǔ)一般就定為2.54 或小于其的整倍數(shù)。
6)設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)
布線設(shè)計(jì)完成后，需認(rèn)真檢查布線是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求：線與線，線與元件焊盤，線與貫通孔，元件焊盤與貫通孔，貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理，是否滿足生產(chǎn)要求。
三、總結(jié)
本溫度采集系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，測量精度較高，結(jié)構(gòu)較為簡單，成本低，能巡回采集8路信號(hào)。適用范圍廣泛，可以單獨(dú)使用作為監(jiān)控儀，用于農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)測植物生長的環(huán)境變化，工業(yè)廠房測量各部分的溫度等等，也可以作為智能控制系統(tǒng)的一部分，與其它設(shè)備協(xié)同工作;系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，只需傳感器類型，就可在此基礎(chǔ)上修改為其他非電量參數(shù)的測量系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
[1]Protel 99SE 電路設(shè)計(jì)與制版 趙光林 編著 電子工業(yè)出版社
[2]微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用 第3版 戴梅萼 編著 清華大學(xué)出版社
[3]單片機(jī)原理及接口技術(shù) 胡漢才 編著 清華大學(xué)出版社
[4]半導(dǎo)體器件手冊郵電部電信總局編 人民郵電出版社
[5]單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教材 陳明熒.8051清華大學(xué)出版社
[6]自動(dòng)控制原理 胡壽松 國防工業(yè)出版社
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