按键可控计时电路的设计 - 图文

2013届本科生毕业设计

题目：800米第一名计时电路的设计

作 者 姓 名： xyh

学 号： 2009 系 (院): 机械与电子工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师姓名： 曹老师 指导教师职称： 副教授

2013年 5月 1日

SuZhou University

Year 2013 Bachelor Graduation Design

800 Meter First Timing Circuit Design

Author:

Student ID:2009080404

Department: Electronic and Electrotonically Engineering

Major:Electrotonically Engineering and Automation Instructor:

Professional Title:Associate Professor、Engineer

May 1st, 2013

摘 要

800米计时电路的设计主要是通过软件编程，按键控制，驱动单片机控制LED数码管的显示功能。电路设计是由数码管显示、电源模块、复位模块、晶振电路、MAX232串行通行、STC89C52单片机模块、按键显示控制模块等硬件部分组成。Keil3软件C语言编程，软件STC-ISP将程序下载到单片机内，单片机实现控制数码管计时显示。数码管显示可分为分、秒、10毫秒三段计时单元，计时精确度至10毫秒，当然我们可以根据具体的要求改编程序以实现更为精确的计时要求。此设计的计时范围从10毫秒0秒0分至59分60秒990毫秒，足够满足800米计时要求的计时范围。此设计分别通过开关按键S1和S2控制计时开始和计时结束，并显示最终计时时间。

关键词：单片机； 数码管； 发光二极管

ABSTRACT

800 meter time trial circuit design through software programming, key control, driven single-chip control LED digital tube display function.The circuit was designed by the digital display, power supply module, reset module, crystal oscillator circuit, MAX232 serial STC89C52 microcontroller module, key display control module and other hardware components. C language programming of KEIL3 software, software STC-ISP program is downloaded to the MCU, the MCU to control the timing of digital tube display. The digital display can be divided into minutes and seconds, 10ms three sections timing unit, timing accuracy to 10 ms, of course, we can according to the specific requirements of the adaptation program in order to achieve a more precise timing requirements.The timing of this design is sufficient to meet the requirements of 800-meter time Timing range of 0 to 59 points from 10ms0 seconds 60 seconds 990ms.This design by the switch button S1 and S2 control timing the start and the end of the timing, and final timing time.

Keywords:MCU; digital tube; light-emitting diodes

目 录

绪论 ................................................................... 1 1. 主要器件简介 ........................................................ 2

1.1显示单元简介 ......................................................................................................... 2

1.1.1 发光二极管 ................................................................................................. 2 1.1.2 数码管 ......................................................................................................... 3 1.2 主要芯片简介 ........................................................................................................ 4

1.2.1 STC89C52RC单片机 .................................................................................. 4 1.2.2MAX232 ........................................................................................................ 7

2.硬件原理图设计 ...................................................... 10

2.1数码显示原理论述 ............................................................................................... 10 2.2 数码模块电路设计 .............................................................................................. 11

2.2.1 数码管模块设计 ....................................................................................... 11 2.3控制模块电路设计 ............................................................................................... 13

2.3.1 基于STC89C52单片机的最小系统设计 ............................................... 13

2.4 Protel99se绘图软件简介 ..................................................................................... 15 3.系统软件设计 ........................................................ 17

3.1软件设计思想 ....................................................................................................... 17 3.2 keil编程软件简介 ................................................................................................ 17 结论 .................................................................. 19 参考文献 .............................................................. 20 附录一： 控制模块原理图 ............................................... 21 附录二： 显示模块原理图

...................................................................... 22 附录三：源程序...................................................................................................................23 致谢 .................................................................. 26

绪论

秒表计时器在现在应用场合非常的广泛，近年来，随着科学技术的进步和时代的发展，人们对计时器的功能和精度提出了越来越高的要求，各种计时器的设计也越来越重要。秒表计时器是在一种计时器上实现一种精确计时功能的一种器件。它广泛应用于各种比赛场所，同时，它以其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化，而受到广大消费者的喜爱。近年来随着计算机技术的飞速发展，计算机也正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统二个分支。单片机作为最典型的嵌入式系统，由于其微小的体积和极低的成本，广泛应用于家用电器、仪器仪表、工业控制单元以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。同时数模电技术、微电子技术也快速发展使得大量集成芯片出现，从而实现很多简单功能代替了原来的模拟电路。这样利用单片机、集成芯片和电子电路就可以很方便的进行设计，其中最典型、现在应用也很多的就是电子产品的设计。本设计就是利用单片机技术将秒表和时钟两种计时器的功能集中到一种计时装置上，从而实现计时器功能的集成化，使其使用起来更加方便。本设计的一大特点就使用C语言进行编程，STC89C52单片机进行控制，按键进行计时，数码管显示计时。

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宿州学院毕业论文（设计） 基于单片机的800米第一名计时器的设计

1. 主要器件简介

本章主要介绍了设计中所涉及到的主要元器件及芯片，其中包括51系列的STC89C52单片机、MAX232、LED点阵显示单元等。通过对这些器件的了解，我们不仅更加巩固了所学的基础理论知识，而且真做到能够将它们运用到实际当中。

1.1 显示单元简介

1.1.1 发光二极管

发光二极管简称为LED，其英文全称是Light Emitting Diode。发光二极管有多种化合物制作而成，比如由镓(Ga)与磷(P)、砷(AS)等的化合物制成。图1-1，当空穴与电子复合时能辐射出可见光，发光二极管就是根据此原理制成。在电路及仪器中发光二极管可用作指示灯，或组成数字或汉字显示。发光二极管根据所含化学元素不同会发出不同颜色的光。比如：磷砷化镓二极管发红光，碳化硅二极管发黄光，磷化镓二极管发绿光。

发光二极管是半导体二极管的一种，其可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极管一样都由一个PN结组成，因此也同半导体二极管一样具有单向导电性能。当给发光二极管正向偏置时，在电场的作用下，P区的多子空穴将向N区移动；N区的多子电子将向P区移动。在约为几微米至几十微米的空间电荷区内，从P区扩散到N区的空穴与空间电荷区的一部分负离子中和和从N区扩散至P区的电子与空间电荷区的一部分正离子发生中和，并能产生自发辐射的荧光。[7]由于半导体材料不同，因此空穴和电子所处的能量状态也不尽相同。根据空穴和电子复合时所释放出的能量大小、多少不同，其发出光的波长也不同。若复合时释放的能量如果越多，那么发出的光的波长就会越短。通常采用的是发黄光、红光或绿光的二极管，如图1-2。

图1-1 LED结构图 图1-2 LED

同普通二极管差不多，当反向电压超过5V时，发光二极管就会被反向击穿。发光二极管的正向的伏安曲线随着电压的增值会越来越陡。因此使用时需要串联一个电阻限流以免流过管子的电流过大导致二极管烧毁。限流电阻R可用串联公式计算：

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公式:R=(E-UF)/IF

上式中的E表示所接电源电压，UF为LED的正向压降， 压降范围在1.8V-2.4V之间，IF表示发光二极管的一般工作电流，电流范围在0.02A-0.03A之间。

1.1.2 数码管

由于数码管能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、TTL电路兼容、且发光响应时间及其短，高频特性好，单色性能好，亮度高，体积小，重量轻、性能简易检测、抗冲击性能好、使用寿命长、成本低。因此他被广泛用作数字仪器仪表、数控装置、计算机的显示器件。

LED数码管简称数码管。由于所从事的行业不同，人们对数码管的称呼也有所不同，其实表示的都是同样的产品。

根据数码管显示数段的同数码管可分为七段和八段数码管。与七段数码管相比，八段数码管较其多了一个数码管，即多一位小数点（dp）显示段位。我们根据显示“8”的位数多少，可分为1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位、8位等数码管。

根据二极管单元连接方式的不同，发光二极管可分为共阳极和共阴极两种数码管。共阳极数码管指的是发光二级光所有的阳极端接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。因此共阳数码管在使用时应将公共极端接到+5V电源上。当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就会点亮，如果该字段的阴极为高电平时，相应字段就不会被点亮。与共阳极数码管的接法相反，共阴数码管则是将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极的数码管，共阴数码管在应用时，公共极端接到地线Gnd上。如果想点亮某一字段，就应该使相应字段二极管的阳极为高电平时。若该字段二极管的阳极为低电平时，相应字段就不可能会被点亮。

数码管属于显示屏中的一类， 通过对其不同的管脚输入相对的电流，使其发亮，从而显示出不同数字。例如：能够显示 时间、日期、温度等所有可以用数字表示的参数。

由于数码管的价格便宜和使用简单，因此其被广泛使用的在电器方面，尤其是在家电领域的应用十分广泛。比如应用在空调、热水器、冰箱等家电上面。绝大多数热水器使用的是数码管显示，其他家电也有用液晶屏和荧光屏。此设计中，我们使用的是8段共阳极数码管。通过STC89C52RC单片机P1口控制数字显示，P2控制锻码显示，以达到设计需要。实现分、秒、10ms计时显示。图1-3 给出了一部分数码管的实物图如下：

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图1-3 4段共阳极数码管实物图

1.2 主要芯片简介

1.2.1 STC89C52RC单片机

单片机又被称为单片微型计算机，英文字母的缩写MCU。单片机不是完成某一简单逻辑功能的芯片，而是一种集成电路芯片。单片机是一种把计算机系统集成到一个芯片上的集成电路芯片。单片机是通过超大规模集成电路技术 把具有数据处理能力的中央处理器（CPU）、定时器/计时器、随机处理器RAM、中断系统、多种I/O和只读存储器ROM口等功能集成在一块硅片上的小而完善的微型计算机系统。其被广泛的应用在工业控制等领域。

STC89C52RC单片机是MCS-51单片机系列单片机的派生产品，它的指令系统、硬件结构和片内资源上与8051单片机完全兼容，采用DIP40封装(如图1-4所示)，即40引脚双列直插式。STC89C52RC单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52RC为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

主要特性有：

1.工作频率范围：0～40MHz； 2.用户应用程序空间为8K字节； 3.片上集成512字节RAM； 4.片上集成512字节RAM； 5.具有EEPROM功能； 6.具有看门狗功能；

7.5个外部中断源，两级中断优先级； 8.通用异步串行口；

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9.工作电压：3.3伏～5.5伏；

10.增强型8051单片机，指令系统完全兼容传统8051；

11.PDIP40封装。工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）； 12.通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏开

路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。 13.ISP（In-System Programming）（系统可编程）/IAP（In Application Programming） （应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口直接下载用户 程序，数秒即可完成。 STC89C52单片机的工作模式：

? 掉电模式：典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序 ? 空闲模式：典型功耗2mA

? 正常工作模式：典型功耗4MA～7mA ? 掉电模式可由外部中断唤醒

图1-4 STC89C52单片机实物图 图1-5 STC89C52单片机引脚图

STC89C52单片机的实物图如图1-4，引脚图如上图1-5所示： GND（20引脚）：接地 VSS（40引脚）：接电源 I/O引脚：

P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口； P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口；

P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O

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端口；

P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3口除作为一般I/O口外，还有一些其他复用功能，如下表1-6所示：

表1-6 STC89C52单片机P3口复用功能对照表

引脚号 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7

复用功能 RXD（串行数据输入口） TXD（串行数据输出口） INT0 （外部中断0输入） INT1 （外部中断1输入） T0（定时器0外部计数输入） T1（定时器1外部计数输入） WR （外部数据存储器写选通输入） RD （外部数据存储器读选通输入） RST（9引脚）：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。

XTAL2（18引脚）：片内振荡器反相放大端的输入端

XTAL1（19引脚）：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端 PSEN （29引脚）：片外程序存储器的读选通信号

ALE/PROG （30引脚）：ALE为CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器提供一个地址所存信号，将低8位地址锁存在片外的地址锁存器储器编程时，此引脚（PROG ）也用作编程脉冲输入端。

EA /VPP（31引脚）：EA 为高电平是先进行片内程序存储器的读取，当PC值超

出，将自动转向读取片外；当EA 低电频时只读取外部程序存储器中的内容。VPP为该引脚的第二功能，即在对片内Flash进行编程时，VPP引脚接入编程电压。

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1.2.2 MAX232

MAX232是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口rs232电平是-10v +10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是ttl电平0 +5v,max232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。

该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。

1.关键特性

（1）对于低电压、集成ESD应用

MAX3222E/MAX3232E/MAX3237E/MAX3241E/MAX3246E：+3.0V至+5.5V、低功耗、最高1Mbps、真正的RS-232收发器，使用4个0.1µF外部电容(MAX3246E提供UCSP?封装)

（2）对于低成本应用MAX221E：±15kV ESD保护、+5V、1µA、单路RS-232收发器，带Auto-shutdown?

MAX232引脚图，如图1-7。

图1-7 MAX232引脚图 2.引脚介绍

第一部分：电荷泵电路。由1号引脚和3号引脚之间、4引脚和5引脚之间、2引脚、6引脚分别与4个电容相接构成。其功能是能够产生+12v和-12v两个电源，给RS-232串口电平的提供需要。

第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通

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道。

其中11脚（T1IN）、12脚（R1OUT）、13脚（R1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

脚（T2OUT）、8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）为第二数据通道。 TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。

第三部分是供电。 15脚接地（GND） 16脚+5伏电源电压（VCC） 3.主要功能

（1）符合所有的RS-232C技术标准 （2）只需要单一 +5V电源供电 （3）功耗低，典型供电电流5mA （4）内部集成2个RS-232C驱动器

（5）高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。

（6）片载电荷泵具有电压极性反转、升压能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-

4.标准应用电路,如图1-8。

图 1-8 MAX232内部结构图

对于电容器的选取一般采用1μF的电解电容。不过也有人曾用过10μF的代替1μF的电容。

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由于RS232电平较高，在接通时产生的瞬时电涌（即被称为瞬态过电，是电路中出现的一种短暂的电流、电压波动，在电路中通常持续约百万分之一秒）非常高，max232有可能会发生被击毁，因此使用中应尽量避免热插拔。

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2. 硬件原理图设计

本章主要介绍了数码显示显示原理、显示模块的设计以及基于STC89C52单片机的控制模块的设计，除此之外还简单的介绍了用于绘制硬件原理图的PROTEL99SE软件。

2.1 LED数码管显示原理论述

我们经常采用的是七段式或八段式LED数码管。与七段LED数码相比，八段式数码管多了一个小数点，其他的基本相同。八段其实就是在数码管里排列有八个小LED发光二极管。通过控制电流达到控制不同的LED的亮灭来显示出不同的数字或字符。数码管按其连接方式又分为共阴极和共阳极两种类型。共阴极LED数码管其实就是将八个LED的阴极一起接地。这时如果给一个LED的一端高电平，它就能被点亮。而共阳极LED数码管则是将八个LED的阳极连接在一起接上高电平。这时若给LED的一端低电平，他就能被点亮。[10]其原理图如图2-1所示。

图2-1 8段数码管原理图

其中引脚图的两个COM端连在一起构成公共端。共阴LED数码管要将公共端端接GND，共阳极LED码管则是将公共端接正5V电源。一个八段数码管称为一位，多个八段数码管并列在一起就构成了多位数码管。它们的段选线（即a,b,c,d,e,f,g,dp）连在一起，而各自的公共端称为位选线。显示时，从段选线送入字符编码，从而选中哪个位选线，相应的数码管便会被点亮。数码管的8段，对应一个字节的8位，其中dp对应最高位，a对应最高位。因此若想让LED数码管显示数字7，那么共阴数码

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管的字符编码为00000111，即0x07；共阳数码管的字符编码为11111000，即0xf8。可以看出两个编码的各位正好相反。如图2-2所示。

图2-2 共阳极和共阴极数码管显示 共阳极的数码管0~9的段编码是这样的：

unsigned char code table[]={ //共阳极0~9数码管编码 0xc0//0, 0xf9//1, 0xa4//2, 0xb0//3, 0x99//4, 0x92//5, 0x82//6, 0xf8//7, 0x80//8, 0x90//9 };

共阴极的数码管0~9的段编码是这样的：

unsigned char code table[]={//共阴极0~9数码管编码 0x3f//0, 0x06//1, 0x5b//2, 0x4f //3, 0x66//4, 0x6d//5, 0x7d//6, 0x07//7, 0x7f//8, 0x6f//9 };

2.2 显示模块电路设计

该部分介绍了显示模块中的数码管的硬件连接、行驱动电路以及列驱动电路的设计。

2.2.1 数码管模块电路设计

为了清楚的显示记录的时间，本设计在分、秒、10ms之间分别采用‘—’连接，

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因此本即使电路的设计需要8个数码管显示计时时间。STC89C52RC具有40个引脚，其中P0，P1,P2,P3口可供选择。此设计选择P1口作为数字显示控制端口，显示0至9十个数字以及分秒10ms之间的间隔符号。其部分引脚符号如图2—3所示：

图2-3数码管连接图

在上面介绍了数码管的显示原理，根据原理可以知道要想使该数码管显示就要对其加上相应的行驱动电路和列驱动电路，列驱动器用于输入数据，而行驱动器则用来控制扫描。由此我们可以得到结构框图如下图2-4所示：

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STC89C52 电 源

P1口段码控制 单片机 P2口位控制

数码管 S2未按下计时开始 y 计时终止 按键s1 ？按键s2

图2-4 系统结构框图

2.3 控制模块电路设计

该部分介绍了控制模块中的硬件原理图，单片机的最小系统。

2.3.1 基于STC89C52单片机的最小系统设计

单片机最小系统是指一个单片机能开始独立工作所需的最基本的外部电路连接。具体是VCC(40号引脚)脚接电源，VSS（20号引脚）接地，（18、19号引脚）外接好晶振，RST(9号引脚)连上RC复位电路，另外勿忘EA脚接高电平。

单片机最小系统如下图2-5所示：

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图2-5单片机最小系统

其中晶振电路即为单片机的工作提供相应的时钟脉冲（此设计选用的晶振是11.0952MHz）。使程序按照一定的节拍有序的运行，这个晶振频率就决定了单片机的运行速度，晶振频率越高则单片机的处理速度就越快。

复位电路的作用主要有两方面的，一是单片机在启动时都需要复位，使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并重新从初态开始工作。二是在程序进入到非正常状态，假如程序进入非预期的死循环，要想使其恢复到起始的工作状态时，就可以通过复位电路来实现。

对于单片机的复位电路分为手动复位和上电复位两种：

1、手动按钮复位即是手动按钮复位。需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是1k电阻（与电源或按键相接）、10k电阻（与地相接）、电源（+5V）和按钮串联，从两电阻之间引出一根线接到复位电路RST（9引脚）。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电压就会根据串联电路的分压，使得RST端的电位大于3.5v。由于人的反应存在时间会使按钮保持接通达数十毫秒。此条件完全足够复位所需要的时间，因而复位。

2、上电复位，即是在给单片机上电的时候能够给复位输入端RST上加入一段时间的高电平。在硬件上需要在RST两端分别接上一个电容C（10ufC另一端与电源相接）和10k电阻（另一端与地相接）。上电复位的工作过程是在加电时，由于电阻、

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电容电源串联，R和C构成一阶零响应电路。由于所选用的电容电阻都是比较大的，因而电容C充电所用时间也相对比较长一些。以至于该时间足够大于复位所需要的最大时间，从而达到复位的效果。

除了上述的基本电路外，在绘制最小系统的时候还应该注意的是EA /VPP引脚的连接，该引脚实现的是外部程序存储器访问允许控制端，当要访问外部的程序存储器的时候该引脚需要接低电平。但是对于本设计来说没有使用的外部程序存储器，因此可以接上0欧电阻再接到+5V的高电平上，这里的0欧电阻起到电气隔离作用，不加电阻引脚电势受其他信号干扰，不稳定；加上电阻后电阻只通直流隔绝了其他电磁波等信号干扰。

在单片机的4个8位的IO口中值得注意的是P0口，该端口是个双功能口，既是通用IO口也是地址/数据复用口。由于P0口具有第三态即高阻态，因此当P0口用作通用IO口时，需要在片外接上拉电阻，为了能使P0 口在输出时能驱动NMOS 电路和避免输入时读取数据出错，需外接上拉电阻。加个电阻相当于和P0口内部的电阻并联，让它的压降小一点，这样输出时的电压就能够驱动电路了。把电流上拉了。如果不加上拉电阻，则单片机输出时就不能驱动NMOS电路工作，会出现故障。此时为一个准双向口即可和其他三个端口同样使用。

2.4 Protel99se绘图软件简介

Protel99SE属于EAD设计软件，应用于2000/NT/Windows9X操作系统下。能够进行联网设计，并采用设计库管理模式，拥有较强的开放性和3D模拟功能及数据交换能力。Protel99se属于32位的设计软件，即其它位数的无法正常使用。Protel99se能

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够完成原理图、印刷设计、可编程逻辑器件设计和电路仿真。能够设计32个信号层，

16个电源--地层和16个机加工层。 1.PROTEL99SE主要功能模块如下：

（1）Advanced Schematic 99SE (原理图系统)：该模块主要用于电路原理图的设计、原理图元件的设计和各种原理图表的生成等。

（2)Advanced PCB 99SE （印刷电路板设计系统）：该模块提供了一个功能强大和交互友好的PCB设计环境。主要 用于PCB设计、元器件封装设计、报表形成及PCB输出。

(3)Advanced Route 99SE （自动布线系统）：该模块是一个集成的无网格自动布线系统，布线效率高。

(4)Advanced Integrity 99SE （PCB信号完整性分析）：该模块提供精确的板级屋里信号分析，可以检查出串扰、过冲、下冲、延迟和阻挠等问题，并能自动给出具体解决方案。

(5)Advanced SIM 99SE（电路仿真系统）：该模块是一个基于Spice 3.5标准的仿真器，为用户的设计前提供了完整、直观的解决方案。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ak97.html