基于51单片机数字时钟的PCB设计与制作

（滁州职业技术学院 安徽·滁州 239000）

0 引言

根据电子信息类专业发展需要和职业岗位实际工作能力的需要在高职 PCB设计与制作课程教学中以项目实现及实际工作过程序化教学内容，以印刷电路板层数为逻辑主线，将教学内容设计为单面PCB设计与制作、双面PCB设计与制作、多层PCB设计与制作3个学习情境。对每个学习情境，依托电子产品，实施课程教学。其中单面PCB设计与制作可以选择基于51单片机的数字钟为原型。用单片机设计的数字钟走时准确、显示直观、性能稳定、可靠性高，具备暂停、复位、校时、整点报时功能。利用单片机实现的数字时钟具有编程灵活，便于功能的扩充等优点。数字时钟PCB板的设计能将已学过的专业知识有机的、系统的联系起来用于实际，来培养学生的电路设计、PCB设计与制作的能力，提高学生的综合分析和电路组装、调试的能力。

1 设计方案

本方案用51单片机作为主要器件，硬件电路设计框图见图1。用软件实现数字时钟的功能，计时改变数据的具体原理为：在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。利用定时器与软件结合实现1秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加1；若秒值达到60，则将其清零，并将相应的分字节值加1；若分值达到60，则清零分字节，并将时字节值加1；若时值达到24，则将十字节清零。该方案具有硬件电路简单的特点。但由于每次执行程序时，定时器都要重新赋初值，所以该时钟精度不高。而且，由于是软件实现，当单片机不上电，程序不执行时，时钟将不工作[1]。除了计时改变数据外软件还要完成三个功能：显示数据、开关控制状态、整点报时，最终通过状态变量在显示数据和计时数据中建立联系。

图1：设计框图

2 单元电路设计

电路主要由复位电路、时钟电路，数码显示电路组成。其中复位电路的上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落，所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。为了保持系统可靠的复位，RST引脚的高电平必须维持足够长的时间。单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍的工作。AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器，作为单片机的时钟电路。开关电路用来实现电路的暂停、复位、校时功能。利用单片机对多数码管进行控制时，采用的是动态显示驱动模式，这样就需要一组I/O口就可以控制所有数码管的数据段，大大节约了硬件材料。电路中用P0端口作为数码管的数据控制端P2.0、P2.1、P2.4～P2.7作为数码管的使能控制端从而构成显示电路。

3 电路功能仿真

Proteus软件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。Proteus能直观评估硬件电路的设计正确性，直观的对硬件原理图进行调试软件从而验证整个设计的功能。使用Proteus的ISIS模块的工作界面，新建工程并保存，在元件库中选择电路所用元件，画出硬件电路图，添加仿真文件，测试电路功能是否正确。仿真结果图如图2所示。

图2：仿真图

图3：电路图

4 电路PCB设计与制作

使用Protel软件绘制电路原理图，将原理图和PCB图置于同一项目文件中，并保存好。执行菜单命令【设计】/【Update PCB Document..】，系统会弹出【工程变化订单（ECO)】，单击【使变化生效】，【执行变化】后，将原理图的网络关系调入PCB图。

执行菜单命令【设计】/【规则】，弹出【PCB规则和约束编辑器】对话框，单击【Routing】选项卡设置如下布线规则（1）线宽规则：电源线、地线线宽30mil，信号线20mil。（2）布线层规则：选中Bottom Layer单面布线；（3）布线转角规则：45°转角；在【Electrical】选项卡设置【Clearance】布线安全间距为 15mil。完成以上操作后，进行手动布线，完成PCB文件的设计，如图4所示。

图 4：PCB图

PCB图绘制完成后，点击【文件】/【页面设定】，进行PCB图打印设置。打印设置时，需要对PCB板底层进行镜像并正确设置打印的层。设置完成后，用普通A4纸或硫酸纸将设计好的线路板图形通过打印机打印出来。选择PCB板时，应选择与线路图大小相符的光印板，利用线路板裁板机上的精确刻度，裁切出我们想要的板子大小。使用制板机对电路板进行紫外线曝光、显影、蚀刻，使用钻孔机对电路板进行钻孔，最后制作出单面PCB板。

图5：电路板实物

5 电路的组装与调试

首先识别各元件的属性及正负极，然后根据PCB图和原理图安装各元件，对各元器件进行焊接并剪去多余引脚。接通5V电源后，若数码管能正确显示时间，并能实现相应功能，则表明电路安装正确。若数码管能点亮，但不能正确显示完整的时间，首先检查数码管的 a、b、c、d、e、f、g 和 DP 与单片机的 P1口之间的连线是否正确，其次检查焊点是否存在漏焊、虚焊等现象，出现问题及时修正。若数码管不工作，不显示任何字符，应首先检查单片机是否正常工作，其次检查数码管与单片机之间的连线是否正确，焊点是否合格，出现问题及时修正。

故障的排除：正常时小时、分钟、秒正常计时。若数码管不亮，检查程序是否编写错误，若无错误，检查硬件电路连线与焊点是否正常。

6 总结

本文通过基于51单片机数字时钟的设计，介绍了电路的设计方案与单元电路设计，利用Proteus软件对电路的电路功能进行仿真，并运用Protel的软件对电路进行PCB的设计，使用制板机做出印刷电路板，从而完成了一个电路从设计到制作的完整步骤。该设计作为PCB设计与制作课程中的单面板设计项目，通过项目教学法教学使得学生的学习积极性和主动性得以大大提高，培养了学生印刷电路板设计与制作的能力和团结协作、探索创新的能力，课堂教学的质量也得到极大的提高。