基于51單片機數字時鐘的PCB設計與制作

（滁州職業技術學院 安徽·滁州 239000）

0 引言

根據電子信息類專業發展需要和職業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及實際工作過程序化教學內容，以印刷電路板層數為邏輯主線，將教學內容設計為單面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單片機的數字鐘為原型。用單片機設計的數字鐘走時準確、顯示直觀、性能穩定、可靠性高，具備暫停、復位、校時、整點報時功能。利用單片機實現的數字時鐘具有編程靈活，便于功能的擴充等優點。數字時鐘PCB板的設計能將已學過的專業知識有機的、系統的聯系起來用于實際，來培養學生的電路設計、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。用軟件實現數字時鐘的功能，計時改變數據的具體原理為：在單片機內部存儲器設三個字節分別存放時鐘的時、分、秒信息。利用定時器與軟件結合實現1秒定時中斷，每產生一次中斷，存儲器內相應的秒值加1；若秒值達到60，則將其清零，并將相應的分字節值加1；若分值達到60，則清零分字節，并將時字節值加1；若時值達到24，則將十字節清零。該方案具有硬件電路簡單的特點。但由于每次執行程序時，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，當單片機不上電，程序不執行時，時鐘將不工作[1]。除了計時改變數據外軟件還要完成三個功能：顯示數據、開關控制狀態、整點報時，最終通過狀態變量在顯示數據和計時數據中建立聯系。

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，數碼顯示電路組成。其中復位電路的上電復位是指在給系統上電時，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電容，就構成了一個穩定的自激振蕩器，作為單片機的時鐘電路。開關電路用來實現電路的暫停、復位、校時功能。利用單片機對多數碼管進行控制時，采用的是動態顯示驅動模式，這樣就需要一組I/O口就可以控制所有數碼管的數據段，大大節約了硬件材料。電路中用P0端口作為數碼管的數據控制端P2.0、P2.1、P2.4～P2.7作為數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。執行菜單命令【設計】/【Update PCB Document..】，系統會彈出【工程變化訂單（ECO)】，單擊【使變化生效】，【執行變化】后，將原理圖的網絡關系調入PCB圖。

執行菜單命令【設計】/【規則】，彈出【PCB規則和約束編輯器】對話框，單擊【Routing】選項卡設置如下布線規則（1）線寬規則：電源線、地線線寬30mil，信號線20mil。（2）布線層規則：選中Bottom Layer單面布線；（3）布線轉角規則：45°轉角；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 電路的組裝與調試

首先識別各元件的屬性及正負極，然后根據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，若數碼管能正確顯示時間，并能實現相應功能，則表明電路安裝正確。若數碼管能點亮，但不能正確顯示完整的時間，首先檢查數碼管的 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、虛焊等現象，出現問題及時修正。若數碼管不工作，不顯示任何字符，應首先檢查單片機是否正常工作，其次檢查數碼管與單片機之間的連線是否正確，焊點是否合格，出現問題及時修正。

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，培養了學生印刷電路板設計與制作的能力和團結協作、探索創新的能力，課堂教學的質量也得到極大的提高。