protel课程设计-交通灯控制器.doc

1、成 绩 评 定 表学生姓名班级学号专 业通信工程课程设计题目交通灯控制电路评语组长签字：成绩日期 20 年 月 日课程设计任务书学 院信息科学与工程学院专 业通信工程学生姓名班级学号课程设计题目交通灯控制电路实践教学要求与任务:1、绘制具有一定规模、一定复杂程度的电路原理图*.sch。2、绘制电路原理图相应的双面印刷板图*.pcb。3、熟悉Protel 99 SE环境。4、综合应用数字电路知识设计一个交通灯控制器。工作计划与进度安排: 指导教师： 201 年 月 日专业负责人：201 年 月 日学院教学副院长：201 年 月 日目 录1 课程设计目的12 总体方案的设计13 单元电路的设计33

2、.1 秒脉冲产生电路33.2 计时器部分电路43.3 主控电路53.4 红绿灯显示电路54 protel软件实现过程64.1 protel 99 SE简介64.2 protel制作电路图74.2.1 绘制电路的原理图（*.SCH）74.2.2 元件封装104.2.3 原理图的检查104.3 pcb双面印刷版制作114.3.1 创建pcb文件114.3.2 生成网络表124.3.3 设置pcb设计环境134.3.4 布置零件封装位置134.3.5自动布线155 设计体会176 参考文献181 课程设计目的1. 综合应用数字电路知识设计一个交通灯控制器。了解各种元器件的原理及其应用。2. 深入了解

3、交通灯的工作原理。3. 熟悉protel环境。绘制交通灯控制器电路原理图*.sch和相应的双面印刷板图*.pcb。4. 锻炼自己的动手能力和实际解决问题的能力。2 总体方案的设计（1）通过分析系统的逻辑功能，画出其机构框图如图1。交通灯控制系统的原理框图如图1所示。它主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码器和计时显示电路等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。图1 系统的原理框图（2）具体分析1. 东西干道绿灯亮，南北干道红灯亮。南北干道禁止通行。绿灯亮规定的时间隔30s时，转

4、到下一工作状态。2. 东西干道黄灯亮，南北干道红灯亮。南北干道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔2s时，转到下一工作状态。3. 东西干道红灯亮，南北干道绿灯亮。表示东西干道禁止通行，南北干道上的车辆允许通行绿灯亮规定的时间间隔30s时，转到下一工作状态。4. 东西干道红灯亮，南北干道黄灯亮。表示东西干道禁止通行，黄灯亮足规定的时间间隔2s时，电路又转换到第种1工作状态。交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S2、S3表示，则控制器的工作状态及功能如表所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。并作如下规定：

5、控制状态 信号灯状态 车道运行状态S0（00）东西干道绿，南北干道红 东西干道通行，南北干道禁止通行S1（01）东西干道黄，南北干道红 东西干道停车，南北干道禁止通行S2（11）东西干道红，南北干道绿 东西干道禁止通行，南北干道通行S3（10）东西干道红，南北干道黄 东西干道禁止通行，南北干道停车其状态表为：表1状态东西车道南北车道时间s0绿灯亮红灯亮25秒s1黄灯亮红灯亮5秒s2红灯亮绿灯亮25秒s3红灯亮黄灯亮5秒设： A: 表示东西干道绿灯亮的时间间隔为25秒，定时时间到A=1，否则，A=0。B:表示南北干道绿灯亮的时间间隔为25秒，定时时间到B=1，否则，B=0。C:表示黄灯亮的时间间

6、隔为5秒，定时时间到C=1，否则，C=0。状态图如下S1(01)S0（00） A=0 C=0 A=1 S2（11）S3（10）C=1 C=1B=1C=0 图2 工作状态转换图B=03 单元电路的设计3.1 秒脉冲产生电路是一个能产生稳定而精确的时间延迟和频率的控制器。有触发和复位功能。外接电阻、电容各一个就能精确控制时间延迟。作为振荡工作时，振荡频率和占空因子由二个外接电阻和一个外接电容精确控制。图3 秒脉冲产生电路原理图电路图如图4所示图43.2 计时器部分电路74LS190是单时钟同步十进制加/减计数器，当U/D=0时做加法计数；当U/D=1时做减法计数。引出端符号及功能：MAX/MIN进

7、位输出/错位输出端；CLK时钟输入端（上升沿有效）；CTEN计数控制端（低电平有效）；AD并行数据输入端；LOAD异步并行置入控制端（低电平有效）；QAQD输出端； RCO并行波时钟输出端（低电平有效）；U/D加/减计数方式控制端。表2 CLKCTENLOADU/D工作状态*11*保持*0*预置数上升沿010加法计数上升沿011减法计数本课设通过用两片74LS190级联实现交通灯控制电路的倒计时功能. 倒计时显示部分通过BCD7段字形译码器和共阳极7段发光二极管显示器相连来实现。电路图结果如图5所示。图53.3 主控电路控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换

8、。本课程设计用二十进制计数器74LS190实现，采用反馈归零法构成四进制计数器，即可从输出端QB、QA得到所要求的4个状态。输入端为计数器数值为5、0时产生的两个信号相与得到一个控制信号。3.4 红绿灯显示电路译码器的主要任务是将控制器的输出 QA、 QB的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表2所示。表中A、B代表甲、乙车道。表3QB QAAG绿灯AY黄灯AR红灯BG绿灯BY黄灯 BR红灯0 01000010 10100011 00011001 1001010由计数器部分电路产生的控制信号脉冲脉冲，送给控制器的74LS190芯片。

9、从而使控制器状态发生转换。电路原理图如图6所示。图64 protel软件实现过程4.1 protel 99 SE简介Protel99SE是Protel公司在80年代末推出的EDA软件,应用广泛功能强大,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。Protel 99 SE不仅在绘制原理图、PCB版布局布线等方面功能更加完善，而且为用户提供功能强大、使用方便的仿真器，它可以对当前所画的电路原理图进行即时仿真，因此在电路的整个设计周期都可以仿真查看和

10、分析其性能指标，以便及时发现设计中存在的问题并加以改正，从而更好的完成电路设计。 Protel99se软件中提供了SIM99se数模混合仿真器集成软件可以对许多电子线路进行模拟设计，模拟运行，反复修改。提供了接近6000个仿真元件和大量的数学模型，可以对电工电路，低频电子线路、高频电子线路和脉冲数字电路在一定范围内进行仿真分析。 仿真结果以多种图形方式输出，直观明了，可以单图精细分析，也可以多图综合比较分析、并可通过不同的角度进行分析，以获得对电路设计的准确判断。Protel 99 se仿真方面其具有的特点有：强大的分析功能、丰富的信号源、充分的仿真模型库、友好的操作界面。4.2 protel

11、制作电路图4.2.1 绘制电路的原理图（*.SCH）(1) 创建一个项目首先启动protel 99 SE 系统。如图7所示，创建一个项目，名称为JiaoTongDeng.ddb。图7单机【OK】，显示结果如图8图8 (2) 创建原理图文件（*.SCH）打开Documents文件夹，单击右键，选择New，结果如图9所示图9选择Schematic Document文件夹，单击【OK】，结果如图10所示图10(3) 添加元件库执行菜单命令【Dsign】/【Add/Remove Library】，单击Add按钮添加所需要的元件库。本课程设计需要从【Protel DOS Schematic】库中添加NE

12、555定时器；从【sim】库中添加7段数码管AMBERCA、BCD7段字形译码器7446和十进制加/减计数器74LS190；从【Miscellaneous Device】库中添加LED、电阻、电容、与或非门逻辑器件。(4) 按设计的电路原理图添加元件并连接电路，结果如图11所示图114.2.2 元件封装双击元件，为每个元件设置封装号和元件名称。电阻R1的封装号如图12所示。图12电阻R1R8的封装号相同。无极性1的封装号为RAD0.1，有极性电容C2的封装号为POLAR0.8，LED的封装号为DIODE0.4，集成芯片的封装号再添加元件时自动给出。4.2.3 原理图的检查原理图绘制完成后，要进

13、行检查。因为原理图与其他的图不同，不是简单的电路的点和线，而是代表着实际的电器元件和它们之间的相互连接。因此，它们之间不仅仅具有一定的拓扑结构，还必须遵循一定的电气规则。电气规则检查（ERC）是进行电路原理图设计过程中非常重要的步骤之一；原理图的电气规则检查是发现一些不应该出现的短路、开路、多个输出端子短路和未连接的输入端子等。电气规则检查还对原理图中所用元件里，若有元件输入端有定义，则对该元件的输入端进行是否有信号源的检查，若没有直接信号源，系统会提出警告。做好的办法就是在该端放置“NO ERC”。执行菜单命令【Tools】/【ERC】，对原理图进行电气特性检查，运行结果如图13所示。图13

14、结果显示电路原理图无电气特性错误。4.3 pcb双面印刷版制作印制电路板，又称印刷电路板、印刷电路板，简称印制板，英文简称PCB (printed circuit board )或PWB(printed wiring board)，以绝缘板为基材，切成一定尺寸，其上至少附有一个导电图形，并布有孔（如元件孔、紧固孔、金属化孔等），用来代替以往装置电子元器件的底盘，并实现电子元器件之间的相互连接。由于这种板是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。习惯称“印制线路板”为“印制电路”是不确切的，因为在印制板上并没有“印制元件”而仅有布线。 它是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体。4.3.1

15、创建pcb文件(1) 立空白PCB文件。执行菜单命令【File】/【New】/【PCB】，即可完成PCB文件的建立。(2) 命名PCB文件 在PCB编译环境中，执行菜单命令【File】/【Save As】将“PCB1”更名为“jiaotongdeng”。新创建的PCB编辑界面如图14所示。图144.3.2 生成网络表打开原理图编辑窗口，执行菜单命令【Dsign】/【create Netlist】，如图15所示。图15单击【OK】，运行结果如图16所示。图164.3.3 设置pcb设计环境(1) 进入PCB系统后的第一步就是设置PCB设计环境，包括设置格点大小和类型，光标类型，版层参数，布线参数

16、等等。大多数参数都可以用系统默认值，而且这些参数经过设置之后，符合个人的习惯，以后无须再去修改。(2) 规划电路版，主要是确定电路版的边框，包括电路版的尺寸大小等等。在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘。对于3mm 的螺丝可用6.58mm 的外径和3.23.5mm 内径的焊盘对于标准板可从其它板或PCB izard 中调入。(3) 在绘制电路版地边框前，一定要将当前层设置成Keep Out层，即禁止布线层。4.3.4 布置零件封装位置Protel99可以进行自动布局,也可以进行手动布局。如果进行自动布局，运行Tools下面的Auto Place,用这个命令，你需要有足够的耐心。布线的关键是

17、布局，多数设计者采用手动布局的形式。用鼠标选中一个元件，按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键，将该元件固定。Protel99在布局方面新增加了一些技巧。新的交互式布局选项包含自动选择和自动对齐。使用自动选择方式可以很快地收集相似封装的元件，然后旋转、展开和整理成组，就可以移动到板上所需位置上了。当简易的布局完成后，使用自动对齐方式整齐地展开或缩紧一组封装相似的元件。(1) 打开PCB编辑界面，执行菜单命令【Design】/【Load Netlist】，如图17所示图17（2）单击Browse，选择jiaotongdeng.NET并单击【OK】，结果如图18所示图18(3) 单击【

18、Execute】，然后手动布线，如图19所示。图194.3.5自动布线(1) 设置电路板的禁止布线区域首先在PCB编辑器工作状态下，设定当前的工作层面为“Keep-Out Layer”。然后确定电路板的电器边界。执行菜单命令【Place】【Line】，光标变为十字状。将光标移到工作窗口中的适当位置，确定一边界的起点。然后拖动光标至某一点，再确定电器边界一边的终点。(2) 自动布线执行菜单命令【Auto Route】，选择自动布线的方式为all。选中除了Add Testpoints 以外的所有项，特别是选中其中的Lock All Pre-Route 选项，Routing Grid 可选1mil

19、等。自动布线开始前PROTEL 会给你一个推荐值可不去理它或改为它的推荐值，此值越小板越容易100%布通，但布线难度和所花时间越大。在弹出窗口中单击【Route all】，单击【OK】，运行结果如图20所示。图20假如不能完全布通则可手工继续完成或UNDO 一次（千万不要用撤消全部布线功能，它会删除所有的预布线和自由焊盘、过孔）后调整一下布局或布线规则，再重新布线。完成后做一次DRC，有错则改正。布局和布线过程中，若发现原理图有错则应及时更新原理图和网络表，手工更改网络表（同第一步），并重装网络表后再布。需加粗的地线、电源线、功率输出线等加粗，某几根绕得太多的线重布一下，消除部分不必要的过孔，

20、再次用VIEW3D 功能察看实际效果。手工调整中可选Tools-Density Map 查看布线密度，红色为最密，黄色次之，绿色为较松，看完后可按键盘上的End 键刷新屏幕。红色部分一般应将走线调整得松一些，直到变成黄色或绿色。设计体会这次课程设计使我进一步熟悉了Protel 99 SE。本次课程设计通过使用Protel 99 SE软件来设计实现交通灯控制电路。电路由脉冲产生电路、倒计时器部分电路、主控制电路、红绿灯显示电路4部分组成。其中脉冲产生电路由555定时器构成的多谢振荡器实现；倒计数器由十进制加/减计数器实现，输出结果通过BCD7段字形译码器和共阳极7段发光二极管显示器相连，显示倒计

21、时时间；主控制电路用二十进制计数器74LS190实现；控制器输出的信号体内通过译码电路控制交通灯的变化。通过此次课设，我深深地认识到了Protel 99 SE的强大功能。Protel 99 SE通过把电路图设计、PCB绘制编辑、电路的仿真等技术的完美融合，为用户提供了全线的设计解决方案，使用户可以轻松地进行各种复杂的电子电路设计工作。尤其是其强大的绘制原理图和PCB的功能，更是给我留下了深刻地印象。此次课程设计让我收获颇多，为我以后的学习和工作都奠定了良好的基础。参考文献1 余孟尝.数字电子技术基础简明教程.第三版.北京:高等教育出版社,2006:254-3012 王永华. 现代电气控制及PLC应用技术.第5版.北京: 北京航空航天大学出版,2003:50-953 康华光.电子技术基础（数字部分）.第5版.北京:清华大学出版社,2010:48-79- 18 -