基于单片机的光电计数器

摘要

摘 要

计数器对某物件进行自动计数，在实际生产生活中具有广泛的应用，对通过的物体进行计数，实现统计数据的搜集，如在生产流水线包装数量控制等领域的应用，能节省劳动力有能高效地完成任务。光电计数器采用光电传感器构成的广电门实现对通过光电门的物体进行计数，是一种非接触式计数，在部分场合有着其无比的优越性，从而使其广泛应用于工业生产、实时监测、自动化控制等领域。

本作品为实现光电计数器的功能，采用模数结合的电路，以光敏电阻传感器为传感器件。电路主要分为信号采集电路、单片机电路、数码显示电路、复位电路四个模块，分别实现对通过光敏传感器正对面产生的阴影的物体感应，计数，显示，并可随时进行复位,计数范围为99。

本作品电路主要采用常用分立元件和小规模集成电路，结构简单可靠，能够提供准确的统计值，成本低廉，实用性强，二次开发性高

关键词：单片机 计数器 光敏传感器 数码显示

ABSTRACT

ABSTRACT

Counter automatically count on an article, has broad application in the actual production, to count the number of objects through to achieve statistical data collection, such as in control applications in areas such as production line size, saving labor to effectively fulfil its mandate. Photoelectric Counter constitute broadcasting achieved through using photoelectric sensor photoelectric counts the number of objects, is a non-contact counting, on some occasions has its advantages, making it widely used in industrial production, real time monitoring, automation and other fields.

This work is the ability to photoelectric counter for, the use of modulus combination circuits, photosensitive resistance sensors to sensors. Circuit can be divided into signal acquisition circuit, monolithic integrated circuits, digital display circuits, reset circuit of four modules, respectively, through induction of photosensitive sensors directly across from shadow of the objects, the count, display, and can be reset at any time, count to 99.

This circuit works mainly uses the standard discrete components and SSI, the structure is simple and reliable, and can provide accurate statistics, low cost, practicality, high secondary development

keywords: Microcontroller Unit counter transducer numerical cod

目录 i

目 录

第一章 绪 论 ...................................................... 1

1.1 概述 ......................................................... 1 1.2 光电计数的现状及发展前景 ..................................... 1 1.3 数字单片机的技术发展 ......................................... 2

1.3.1 内部结构的变化 ......................................... 2 1.3.2 功耗、封装及电源电压的发展 ............................. 2 1.4 此次设计研究的主要内容应解决问题 ............................. 3 1.5 本研究课题的发展趋势 ......................................... 3 第二章 光电计数器的方案设计 ....................................... 5

2.1 系统的设计要求 ............................................... 5 2.2 系统的组成与结构 ............................................. 5 2.3 中断方式计数 ................................................. 6 2.4 串行通信接口 ................................................. 6 第三章 光电计数器的硬件电路设计 ................................... 9

3.1 光敏电阻 ..................................................... 9

3.1.1 光敏电阻的组成 .......................................... 9 3.1.2 光敏电阻的作用 .......................................... 9 3.1.3 光敏电阻的规格型号 ...................................... 9 3.2 AT89S52单片机 .............................................. 10 3.3 LM393芯片 .................................................. 11

3.3.1 LM393特性(Features) ................................... 11 3.3.2 LM393主要参数 ......................................... 12 3.3.3 LM393内部结构 ......................................... 12 3.4 单片机最小系统设计 ......................................... 13 3.5 总电路原理图 ............................................... 15 第四章 光电计数器系统软件设计 .................................... 17

ii 目录

4.1 系统控制主程序设计 ........................................... 17 4.2 系统初始化子程序设计 ......................................... 17 4.3 显示子程序设计 ............................................... 18 4.4 光电计数处理子字程序设计 ..................................... 18 4.5 C语言介绍 .................................................. 20 4.6 软件的程序设计 ............................................... 21 4.7 keil软件调试 ................................................ 23

4.7.1 软件介绍 ............................................... 23 4.7.2 系统概述 ............................................... 24 4.7.3 Keil C51单片机软件开发系统的整体结构 ................... 24

第五章 光电计数器的系统仿真及调试 .................................. 25

5.1 Proteus简介 ................................................. 25 5.2电路仿真 ..................................................... 27 第六章 PCB板及Protel的介绍 ....................................... 31

6.1 PCB板简介 ................................................... 31 6.2 PCB板制作 ................................................... 32 6.2 Protel简介 .................................................. 35 第七章 焊接调试................................................... 37

7.1 电路的优缺点 ................................................. 37 7.2 电路的改进方法 ............................................... 37 7.3 电路调试过程中出现的问题及解决办法 ........................... 37 第八章 总 结 ..................................................... 39 致 谢 ............................................................ 41 参考文献 .......................................................... 43

第一章 绪论

1

第一章 绪 论

1.1 概述

工业生产中常常需要自动统计产品的数量，计数器在这里有其用武之地。光电计数器采用光电传感器利用光学原理实现对物件的数目统计。光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器。它的理论基础是光电效应。这类效应大致可分为三类。第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变。这类器件包括各类半导体光敏电阻。第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。这类器件包括光电池、光电晶体管等。光电效应都是利用光电元件受光照后，电特性发生变化。敏感的光波长是在可见光附近，包括红外波长和紫外波长。市场上的光电计数器采用的光电传感器有摄像头、光电管等，采用的光的种类有普通光和激光，可见光和不可见光等。

1.2 光电计数的现状及发展前景

随着科学技术的发展，电子计数器的辅助功能也逐渐增加，现在已经出现了多功能计数器，多功能计数器产品的响应度较高，交直、流电两用、耗能低、价格低、无机械碰撞、无磨损、使用寿命长，既可计数，又可计算。例如在毛衣编织机上运用，除可计数和计算外，还可实现断线报警。通用计数器不仅可测频率、周期还可以测多周期平均、时间间隔、频率比和累计等。频率计数器专门用于测量高频和微波频率的计数器。微波计数器是以通用计数器和频率计数器为主配以测频扩展器而组成的微波频率计。它的测频上限已进入毫米波段，有手动、半自动、全自动3类。系列化微波计数器是电子计数器发展的一个重要方面。

第二章 光电计数器的方案设计

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TXD(P3.1) 发送SBUF 门 串行控发送控制器 定 串行口中断 ≥1 RI 接收控制器 TI 制寄存器SCON 内部总线时器1 据，起缓冲作用，TXD是发送引脚，数据从TXD一位一位的向外设发送，RXD是接收引脚，数据从RXD一位一位的接收到单片机内。

接收SBUF 输入移位寄存器 RXD(P3.0) 图2-2 串行口内部结构

SBUF是独立的两个缓冲器，主要功能存放接收到的数据和存放将要发送的数

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第三章 主要芯片元器件引脚图及功能介绍

9

第三章 光电计数器的硬件电路设计

3.1光敏电阻

光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

3.1.1 光敏电阻的组成

光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

3.1.2光敏电阻的作用

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。 3.1.3光敏电阻的规格型号

通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内 就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩

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膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。一般光敏电阻器结构如图所示。

3-1 光敏结构图

光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示

光敏电阻常用硫化镉（CdS）制成。它分为环氧树脂封装和金属封装两款，同属于导线型（DIP型），环氧树脂封装光敏电阻按陶瓷基板直径分为￠3mm、￠4mm、￠5mm、￠7mm、￠11mm、￠12mm、￠20mm、￠25mm 。

3.2 AT89S52单片机

AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS -51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S52具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个 全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

第三章 主要芯片元器件引脚图及功能介绍

11

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断 系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三 种封装形式，以适应不同产品的需求，AT89S52的引脚图如图3-2所示。

主要功能特性：兼容MCS-51指令系统、8k可反复擦写(>1000次）ISP Flash ROM、32个双向I/O口、4.5-5.5V工作电压、3个16位可编程定时/计数器、时钟频率0-33MHz、全双工UART串行中断口线、256x8bit内部RAM、2个外部中断源、低功耗空闲和省电模式、中断唤醒省电模式、3级加密位、看门狗（WDT）电路、软件设置空闲和省电功能、灵活的ISP字节和分页编程、双数据寄存器指针。

图3-2 AT89S52引脚图

3.3 LM393芯片

LM393内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工 作条件下，电源电流与 电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

3.3.1 LM393特性(Features)

内部频率补偿。 直流电压增益高(约100dB) 。

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单位增益频带宽(约1MHz) 。

电源电压范围宽：单电源(3—30V)；双电源(±1.5~±15V) 。 低功耗电流，适合于电池供电。 低输入偏流。

低输入失调电压和失调电流。 共模输入电压范围宽，包括接地。

差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。 输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V) 。 3.3.2 LM393主要参数 输入偏置电流45 nA 输入失调电流50 nA 输入失调电压2.9mV

输入共模电压最大值VCC~1.5 V 共模抑制比80dB 电源抑制比100dB 3.3.3 LM393内部结构

图3-3 LM393内部结构图

第三章 主要芯片元器件引脚及功能介绍 13

3.4 单片机最小系统设计

+5V+5V1S2R71KC21C3133pf233pf2OUT12345C1610uF7891011R31210K131415161718192012MHZP1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5P0.4STC1P1.6P0.5STC40P1.7P0.6RSTP0.7P3.0/RXDEX_LVDP3.1/TXDALEP3.2 INT0NAP3.3/INT1P2.7P3.4/T0P2.6P3.5/T1P2.5P3.6/WPP2.4P3.7/RDP2.3XTAL2P2.2XTAL1P2.1GNDP2.040393837363534333231302928272625242322212 图3-4 单片机最小系统基本电路图

单片机的最小系统是由电源、复位、晶振、/EA=1组成，下面介绍一下每一个组成部分。 1.电源引脚 Vcc 40 电源端 GND 20 接地端

工作电压为5V，另有STC89S52工作电压则是2.7-6V,引脚功能一样。 2.外接晶体引脚

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图3-5 晶振连接的内部、外部方式图

XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。电容取30PF左右。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为22μF。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作

第三章 主要芯片元器件引脚及功能介绍 15

3.5 总电路原理图

J32LED+5VJ29排阻J1CON212R110K1234D2PHOTOABCDEFGDP12345678912345678JP1OUTAVCCINA-OUTBINA+INB-GNDINB+LM393+5V8765+5VS1SW SPSTD1LEDD3LEDR4510R510KR210K+5VR61KOUT1234S25C1610uF78910R7111KR31210K1314151617C218133pf219C3201212MHZ33pf+5VOUT21P1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5P0.4STC1P1.6P0.5STC40P1.7P0.6RSTP0.7P3.0/RXDEX_LVDP3.1/TXDALEP3.2 INT0NAP3.3/INT1P2.7P3.4/T0P2.6P3.5/T1P2.5P3.6/WPP2.4P3.7/RDP2.3XTAL2P2.2XTAL1P2.1GNDP2.04039383736353433323130292827262524232221910P1P2 3-6 总电路图

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第四章 光电计数器的系统软件设计 17

第四章 光电计数器系统软件设计

系统上电初始化之后，主程序不断地扫描键盘和显示程序；同时判断外部中断标志是否有效。如果外部中断标志有效，则调用光电计数处理子程序，刷新数码管的显示值

4.1系统控制主程序设计

定义蜂鸣器接口P3.6，初始状态为0，蜂鸣器不报警，当有高电平触发P3.6是，蜂鸣器开始报警。当下一个脉冲是1时外部中断T0则产生中断，计数器停止加计数，同样若外部中断T1也是高电平则T1产生中断，计数器停止减计数。

4.2 系统初始化子程序设计

设定外部中断T0、T1的标志位置0即中断处于关闭状态，蜂鸣器控制标志位也置0，处于关闭状态，系统初始化流程图如图4-1所示。

图4-1 系统初始化流程图

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4.3 显示子程序设计

定义数码管的段码表、位选码，定义计数器的显示缓存区，在统计过程中，当一个信号传到单片机中，系统调用延时子程序进行延时，计数器对十位和个位进行计数判断，将数据通过数码管显示出来，显示子程序的电路图如图4-2所示。

图4-2 动态显示电路流程图

4.4 光电计数处理子字程序设计

外部中断T0和T1初始化后都处于关闭状态，当其中断标志有效时进行加计

第四章 光电计数器的系统软件设计 19

数，当外部中断T0处于关闭时，外部中断T1进行加计数且判断计数器是否达到计满值99，若大于等于99则KEYBOARD=1蜂鸣器报警。外部中断T1关闭，开外部中断T0，则减计数，再开外部中断T0。最后将计数值通过数码管显示，其流程图如图4-3所示。

开始 系统初始化 外部中断初始显示 键盘扫描 是否有按键 键盘处理 是否有外部中断 调用光电计数处理程序 返回 图4-3 光电计数处理子程序流程图

20 基于单片机的光电计数器

4.5 C语言介绍

C语言是一种面向过程的计算机程序设计语言，它是目前举世公认的优秀的结构程序设计语言之一。它由美国贝尔研究所的D.M.Ritchie于1972年推出。1978后，C语言已先后被移植到大、中、小及微型机上。

C语言发展如此迅速，而且成为最受欢迎的语言之一，主要因为它具有强大的功能。许多著名的系统软件，如DBASE Ⅳ都是由C 语言编写的。用C 语言加上一些汇编语言子程序，就更能显示C 语言的优势了，像PC- DOS 、WORDSTAR等就是用这种方法编写的。

C语言是一种成功的系统描述语言，用C语言开发的UNIX操作系统就是一个成功的范例;同时C语言又是一种通用的程序设计语言，在国际上广泛流行。世界上很多著名的计算公司都成功的开发了不同版本的C语言，很多优秀的应用程序也都使用C语言开发的，它是一种很有发展前途的高级程序设计语言。

1.C是中级语言。它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。C 语言可以像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作， 而这三者是计算机最基本的工作单元。

2.C是结构式语言。结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。C 语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化。

3.C语言功能齐全。具有各种各样的数据类型，并引入了指针概念，可使程序效率更高。而且计算功能、逻辑判断功能也比较强大，可以实现决策目的的游戏。

4.C语言适用范围大。适合于多种操作系统，如Windows、DOS、UNIX等等；也适用于多种机型。

C语言对编写需要硬件进行操作的场合，明显优于其它解释型高级语言，有一些大型应用软件也是用C语言编写的。

第四章 光电计数器的系统软件设计 21

C语言具有较好的可移植性，并具备很强的数据处理能力，因此适于编写系统软件，三维，二维图形和动画。它是数值计算的高级语言。

4.6软件的程序设计

#include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar

code

table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4F,0x66,0x6D,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x40}; sbit Shiwei=P2^1; sbit Gewei=P2^0; sbit In=P1^0; //输入

int TK,flag;

/******************************************* 函数名称：Delay_Nms 功 能：延时约Nms的时间 参 数：uint n 返回值 ：无

********************************************/ void delay(uint n) { uint i; while(n--)

{for(i=0;i<125;i++); } }

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/**********显示*********/ void Display(void) { Shiwei=0; P0=table[TK/10]; delay(1); Shiwei=1; P0=0x00; Gewei=0; P0=table[TK]; delay(1); Gewei=1; P0=0x00; }

void delay1(uint n) { uint i; while(n--) {

for(i=0;i<125;i++); Display(); } }

//***********************/ void main(void) { while(1) { if(In==1) delay1(100);

第四章 光电计数器的系统软件设计 23

if(In==1) { flag=1; }

if(In==0&&flag==1) { TK++; flag=0; }

if(TK==100) { TK=99 }

Display(); } }

;

4.7 keil软件调试

4.7.1 软件介绍

Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。

24 基于单片机的光电计数器

4.7.2 系统概述

目前流行的51系列单片机开发软件是德国Keil公司推出的Keil C51软件，Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。下面详细介绍Keil C51开发系统各部分功能和使用。

4.7.3 Keil C51单片机软件开发系统的整体结构

C51工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以

与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。

Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

第五章 光电计数器的系统仿真及调试 25

第五章 光电计数器的系统仿真及调试

5.1 Proteus 简介

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路

仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。 功能特点：

Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是： （1）原理布图

（2）PCB自动或人工布线 （3）SPICE电路仿真 革命性的特点： （1）互动的电路仿真

用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 （2）仿真处理器及其外围电路

可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。

26 基于单片机的光电计数器

配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。 功能模块：

能原理图设计（ISIS）

丰富的器件库：超过27000种元器件，可方便地创建新元件； 智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；

智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间； 支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰； 可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用完善的电路仿真功能（Prospice）

PROSPICE混合仿真：基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；

多样的激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入； 丰富的虚拟仪器：13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等；

生动的仿真显示：用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动；

高级图形仿真功能（ASF）：基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析；

独特的单片机协同仿真功能（VSM）。

PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。

它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。

第五章 光电计数器的系统仿真及调试 27

课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台

随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中PROTEUS也能获得愈来愈广泛的应用。使用Proteus 软件进行单片机系统仿真设计, 是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力；在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用 Proteus 开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用 Proteus 进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计。

5.2电路仿真

在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.DSN，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。 1、建立光电计数器项目

点击菜单：File→New Design，选择设计模板。一般选择A4图纸即可，点击OK，关闭对话框，完成设计图纸的模板选择，出现一个空白的设计空间。这时设计名称为UNTITLED(未命名)，点击菜单file→save design来给设计命名。也可以在设计的过程中任何时候命名。 2、调入元件

对话框左上角，有一个Keywords输入框，可以在此输入要用的元件名称（或名称的一部分），右边出现符合输入名称的元件列表。 3、设计原理图 3-1放置元件

28 基于单片机的光电计数器

在对象选择器中的元件列表中，单击所用元件，再在设计窗口单击，出现所用元件的轮廓，并随鼠标移动，找到合适位置，单击，元件被放到当前位置。至此，一个元件放置好了。继续放置要用的其他元件。 3-2移动元件

如果要移动元件的位置，可以先右击元件，元件颜色变红，表示被选中，然后拖动到需要的位置放下即可。放下后仍然是红色，还可以继续拖动，直到位置合适，在空白处单击鼠标左键，取消选中。 3-3移动多个元件

如果几个元件要一起移动，可以先把它们都选中，然后移动。选中多个元件的方法是，在空白处开始，点击左键并拖动，出现一个矩形框，让矩形框包含需要选中的元件再放开。如果选择的不合适，可以在空白处单击，取消选中，然后重新选择。 3-4连线

就是把元件的引脚按照需要用导线连接起来。方法是，在开始连线的元件引脚处点击左键，移动光标到另一个元件引脚的端点，单击即可。移动过程中会有一根线跟随光标延长，直到单击才停住。在第一根线画完后，第二根线可以自动复制前一根线，在一个新的起点双击即可。 3-5修改元件参数

电阻电容等元件的参数可以根据需要修改。 3-6添加电源和地

在左边工具栏点击终端图标即可出现可用的终端，在对象选择器中的对象列表中，单击POWER，在预览窗口出现电源符号，在需要放置电源的地方单击，即可放置电源符号，放置之后，就可以连线了。

放置接地符号（地线）的方法与放置电源类似，在对象选择列表中单击GROUND，然后在需要接地符号的地方单击，就可以了。 4、添加程序

单片机应用系统的原理图设计完成之后，还要设计和添加程序，否则无法仿真运行。实际的单片机也是这样。在Poteus的单片机仿真项目中添加源程序。 5、编译程序

利用program软件自带的编译器进行编译。

第五章 光电计数器的系统仿真及调试 29

6、仿真 6-1一般仿真

在原理图编辑窗口下面有一排按钮，利用它可以控制仿真的过程。点击第一个按钮开始仿真，开始以后按钮的小三角变成绿色，点击第二个按钮单步仿真，点击第三个按钮暂停和继续仿真切换，点击最后一个按钮停止仿真。 6-2调试选项

点击暂停按钮，出现暂停画面。由于我们是添加过源程序的，所以会出现源代码窗口。源代码窗口内容从左到右是：地址 指令 注释。在窗口内点击鼠标右键，在出现的选项中点击所需要的项目就可以了。另外单击一个元件，可以显示这个元件当时的状态，如逻辑电平和电流电压的具体值等。 7、通过仿真实现功能

5-1 计数部分仿真图

30 基于单片机的光电计数器

第六章 PCB板及Protel的介绍 31

第六章 PCB板及Protel的介绍

6.1 PCB板简介

PCB（PrintedCircuitBoard），中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板,简单的说就是置有集成电路和其他电子组件的薄板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者，是低能耗、低污染的，由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。

印制电路板的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现，复杂的版图设计需要借助计算机辅助设计（CAD）实现。

根据电路层数分类：分为单面板、双面板和多层板。常见的多层板一般为4层板或6层板，复杂的多层板可达十几层。 PCB板有以下三种主要的划分类型： 1.单面板

单面板（Single-Sided Boards） 在最基本的PCB上，零件集中在其中一面，导线则集中在另一面上。因为导线只出现在其中一面，所以这种PCB叫作单面板（Single-sided）。因为单面板在设计线路上有许多严格的限制（因为只有一面，布线间不能交叉而必须绕独自的路径），所以只有早期的电路才使用这类的板子。 2.双面板

双面板（Double-Sided Boards） 这种电路板的两面都有布线，不过要用两面的导线，必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的“桥梁”叫做导孔（via）。导孔是在PCB上，充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍，而且因为布线可以互相交错（可以绕到另

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一面），它更适合用在比单面板更复杂的电路上。 3.多层板

多层板（Multi-Layer Boards） 为了增加可以布线的面积，多层板用上了更多单或双面的布线板。用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的印刷线路板，通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印刷线路板就成为四层、六层印刷电路板了，也称为多层印刷线路板。板子的层数就代表了有几层独立的布线层，通常层数都是偶数，并且包含最外侧的两层。大部分的主机板都是4到8层的结构，不过技术上理可以做到近100层的PCB板。不过因为这类计算机已经可以用许多普通计算机的集群代替，超多层板已经渐渐不被使用了。因为PCB中的各层都紧密的结合，一般不太容易看出实际数目，不过如果仔细观察主机板，还是可以看出来。

6.2 PCB板制作

一、电路版设计的先期工作

利用原理图设计工具绘制原理图，并且生成对应的网络表。当然，有些特殊情况下，如电路版比较简单，已经有了网络表等情况下也可以不进行原理图的设计，直接进入PCB设计系统，在PCB设计系统中，可以直接取用零件封装，人工生成网络表。

二、画出自己定义的非标准器件的封装库 建议将自己所画的器件都放入一个自己建立的PCB 库专用设计文件。

三、设置PCB设计环境和绘制印刷电路的版框含中间的镂空等 1、进入PCB系统后的第一步就是设置PCB设计环境。 2、规划电路版

四、打开所有要用到的PCB 库文件后，调入网络表文件和修改零件封装 这一步是非常重要的一个环节，网络表是PCB自动布线的灵魂，也是原理图设计与印象电路版设计的接口，只有将网络表装入后，才能进行电路版的布线。 在原理图设计的过程中，ERC检查不会涉及到零件的封装问题。因此，原理图设计时，零件的封装可能被遗忘，在引进网络表时可以根据设计情况来修改或补充零件的封装。 当然，可以直接在PCB内人工生成网络表，并且指定零件封装。

五、布置零件封装的位置，也称零件布局 Protel99可以进行自动布局,也

第六章 PCB板及Protel的介绍 33

可以进行手动布局。

六、根据情况再作适当调整然后将全部器件锁定 假如板上空间允许则可在板上放上一些类似于实验板的布线区。

七、布线规则设置 布线规则是设置布线的各个规范（象使用层面、各组线宽、过孔间距、布线的拓朴结构等部分规则，可通过Design-Rules 的Menu 处从其它板导出后，再导入这块板）

八、自动布线和手工调整 1、点击菜单命令Auto Route/Setup 对自动布线功能进行设置 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 等。

九、切换到单层显示模式下（点击菜单命令Tools/Preferences，选中对话框中Display栏的Single Layer Mode） 将每个布线层的线拉整齐和美观。手工调整时应经常做DRC，因为有时候有些线会断开而你可能会从它断开处中间走上好几根线，快完成时可将每个布线层单独打印出来，以方便改线时参考，其间也要经常用3D显示和密度图功能查看。 最后取消单层显示模式，存盘。

6-1 PCB板制作截图（1）

34 基于单片机的光电计数器

6-2 PCB板制作截图（2）

6-3 PCB板制作截图（3）

6-4 PCB板设计图

第六章 PCB板及Protel的介绍 35

6.2 Protel简介

早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电路原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到DXP 2004，是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、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，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。

2005年年底，Protel软件的原厂商Altium公司推出了Protel系列的最新高端版本Altium Designer 6.0。Altium Designer 6.0，它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。Altium Designer 是业界首例将设计流程、集成化PCB 设计、可编程器件（如FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。

这款最新高端版本Altium Designer 6.除了全面继承包括99SE，Protel2004在内的先前一系列版本的功能和优点以外，还增加了许多改进和很多高端功能。Altium Designer 6.0拓宽了板级设计的传统界限，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程师能将系统设计中的FPGA与PCB设计以及嵌入式设计集成在一起。

Protel99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。以下介绍一些Protel99SE的部分最新功能：

◆可生成30多种格式的电气连接网络表； ◆强大的全局编辑功能；

◆在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中；

36 基于单片机的光电计数器

◆同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络

◆既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性；

◆满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）； * 方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE 3f5）；

◆支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件； * PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；

◆强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查； ◆智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；

◆提供大量的工业化标准电路板做为设计模版； ◆放置汉字功能；

◆可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AutoCAD等软件的数据交换； ◆智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）；

◆方便的打印预览功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果； ◆独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果；

◆强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等；

◆经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB启动；

◆反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合； ◆专家导航帮您解决信号完整性问题。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yir3.html