基于51單片機數(shù)字時鐘的PCB設計與制作

（滁州職業(yè)技術學院 安徽·滁州 239000）

0 引言

根據(jù)電子信息類專業(yè)發(fā)展需要和職業(yè)崗位實際工作能力的需要在高職 PCB設計與制作課程教學中以項目實現(xiàn)及實際工作過程序化教學內(nèi)容，以印刷電路板層數(shù)為邏輯主線，將教學內(nèi)容設計為單面PCB設計與制作、雙面PCB設計與制作、多層PCB設計與制作3個學習情境。對每個學習情境，依托電子產(chǎn)品，實施課程教學。其中單面PCB設計與制作可以選擇基于51單片機的數(shù)字鐘為原型。用單片機設計的數(shù)字鐘走時準確、顯示直觀、性能穩(wěn)定、可靠性高，具備暫停、復位、校時、整點報時功能。利用單片機實現(xiàn)的數(shù)字時鐘具有編程靈活，便于功能的擴充等優(yōu)點。數(shù)字時鐘PCB板的設計能將已學過的專業(yè)知識有機的、系統(tǒng)的聯(lián)系起來用于實際，來培養(yǎng)學生的電路設計、PCB設計與制作的能力，提高學生的綜合分析和電路組裝、調(diào)試的能力。

1 設計方案

本方案用51單片機作為主要器件，硬件電路設計框圖見圖1。用軟件實現(xiàn)數(shù)字時鐘的功能，計時改變數(shù)據(jù)的具體原理為：在單片機內(nèi)部存儲器設三個字節(jié)分別存放時鐘的時、分、秒信息。利用定時器與軟件結合實現(xiàn)1秒定時中斷，每產(chǎn)生一次中斷，存儲器內(nèi)相應的秒值加1；若秒值達到60，則將其清零，并將相應的分字節(jié)值加1；若分值達到60，則清零分字節(jié)，并將時字節(jié)值加1；若時值達到24，則將十字節(jié)清零。該方案具有硬件電路簡單的特點。但由于每次執(zhí)行程序時，定時器都要重新賦初值，所以該時鐘精度不高。而且，由于是軟件實現(xiàn)，當單片機不上電，程序不執(zhí)行時，時鐘將不工作[1]。除了計時改變數(shù)據(jù)外軟件還要完成三個功能：顯示數(shù)據(jù)、開關控制狀態(tài)、整點報時，最終通過狀態(tài)變量在顯示數(shù)據(jù)和計時數(shù)據(jù)中建立聯(lián)系。

圖1：設計框圖

2 單元電路設計

電路主要由復位電路、時鐘電路，數(shù)碼顯示電路組成。其中復位電路的上電復位是指在給系統(tǒng)上電時，復位電路通過電容加到RST復位引腳一個短暫的高電平信號，這個復位信號隨著VCC對電容的充電過程而回落，所以RST引腳復位的高電平維持時間取決于電容的充電時間。為了保持系統(tǒng)可靠的復位，RST引腳的高電平必須維持足夠長的時間。單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準，有條不紊的一拍一拍的工作。AT89C51單片機內(nèi)部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個引腳跨接石英振蕩器和微調(diào)電容，就構成了一個穩(wěn)定的自激振蕩器，作為單片機的時鐘電路。開關電路用來實現(xiàn)電路的暫停、復位、校時功能。利用單片機對多數(shù)碼管進行控制時，采用的是動態(tài)顯示驅(qū)動模式，這樣就需要一組I/O口就可以控制所有數(shù)碼管的數(shù)據(jù)段，大大節(jié)約了硬件材料。電路中用P0端口作為數(shù)碼管的數(shù)據(jù)控制端P2.0、P2.1、P2.4～P2.7作為數(shù)碼管的使能控制端從而構成顯示電路。

3 電路功能仿真

Proteus軟件是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺。Proteus能直觀評估硬件電路的設計正確性，直觀的對硬件原理圖進行調(diào)試軟件從而驗證整個設計的功能。使用Proteus的ISIS模塊的工作界面，新建工程并保存，在元件庫中選擇電路所用元件，畫出硬件電路圖，添加仿真文件，測試電路功能是否正確。仿真結果圖如圖2所示。

圖2：仿真圖

圖3：電路圖

4 電路PCB設計與制作

使用Protel軟件繪制電路原理圖，將原理圖和PCB圖置于同一項目文件中，并保存好。執(zhí)行菜單命令【設計】/【Update PCB Document..】，系統(tǒng)會彈出【工程變化訂單（ECO)】，單擊【使變化生效】，【執(zhí)行變化】后，將原理圖的網(wǎng)絡關系調(diào)入PCB圖。

執(zhí)行菜單命令【設計】/【規(guī)則】，彈出【PCB規(guī)則和約束編輯器】對話框，單擊【Routing】選項卡設置如下布線規(guī)則（1）線寬規(guī)則：電源線、地線線寬30mil，信號線20mil。（2）布線層規(guī)則：選中Bottom Layer單面布線；（3）布線轉(zhuǎn)角規(guī)則：45°轉(zhuǎn)角；在【Electrical】選項卡設置【Clearance】布線安全間距為 15mil。完成以上操作后，進行手動布線，完成PCB文件的設計，如圖4所示。

圖 4：PCB圖

PCB圖繪制完成后，點擊【文件】/【頁面設定】，進行PCB圖打印設置。打印設置時，需要對PCB板底層進行鏡像并正確設置打印的層。設置完成后，用普通A4紙或硫酸紙將設計好的線路板圖形通過打印機打印出來。選擇PCB板時，應選擇與線路圖大小相符的光印板，利用線路板裁板機上的精確刻度，裁切出我們想要的板子大小。使用制板機對電路板進行紫外線曝光、顯影、蝕刻，使用鉆孔機對電路板進行鉆孔，最后制作出單面PCB板。

圖5：電路板實物

5 電路的組裝與調(diào)試

首先識別各元件的屬性及正負極，然后根據(jù)PCB圖和原理圖安裝各元件，對各元器件進行焊接并剪去多余引腳。接通5V電源后，若數(shù)碼管能正確顯示時間，并能實現(xiàn)相應功能，則表明電路安裝正確。若數(shù)碼管能點亮，但不能正確顯示完整的時間，首先檢查數(shù)碼管的 a、b、c、d、e、f、g 和 DP 與單片機的 P1口之間的連線是否正確，其次檢查焊點是否存在漏焊、虛焊等現(xiàn)象，出現(xiàn)問題及時修正。若數(shù)碼管不工作，不顯示任何字符，應首先檢查單片機是否正常工作，其次檢查數(shù)碼管與單片機之間的連線是否正確，焊點是否合格，出現(xiàn)問題及時修正。

故障的排除：正常時小時、分鐘、秒正常計時。若數(shù)碼管不亮，檢查程序是否編寫錯誤，若無錯誤，檢查硬件電路連線與焊點是否正常。

6 總結

本文通過基于51單片機數(shù)字時鐘的設計，介紹了電路的設計方案與單元電路設計，利用Proteus軟件對電路的電路功能進行仿真，并運用Protel的軟件對電路進行PCB的設計，使用制板機做出印刷電路板，從而完成了一個電路從設計到制作的完整步驟。該設計作為PCB設計與制作課程中的單面板設計項目，通過項目教學法教學使得學生的學習積極性和主動性得以大大提高，培養(yǎng)了學生印刷電路板設計與制作的能力和團結協(xié)作、探索創(chuàng)新的能力，課堂教學的質(zhì)量也得到極大的提高。