简析温度检测系统的原理
摘要：本文主要讲述采用Protel99SE软件设计多点温度检测与显示系统的原理图和印刷电路板的概要过程及设计技巧。
关键词：PROTEL;51单片机;温度监测;RS23
一、设计要求、环境、理论基础、步骤
1.要求
用8个热电阻Pt100做温度传感器，采用惠斯登电桥测量电路，将热电阻变化量转换成模拟电压信号;用LM324设计放大电路;以ADS7816将模拟电压信号转换成为数字信号;单片机将采集到的数字信号经过平滑处理、变换成温度量用数码管显示出来、用按键设置报警温度的上下限值,并具有声光报警功能。
2.软、硬件环境
硬件：PC机、电烙铁、元器件，镊子、数据采集试验台等。
软件：Protel(制图)、STC-ISP(下载)、WAVE2000(调试)。
3.理论基础
单片机、数据采集基础、Protel软件、串行通信
4.步骤
设计分为硬件设计和软件设计，开发步骤如下 ：
1)需求分析,方案论证和总体设计阶段。
2)器件选择，电路设计，测试程序的编制阶段。
3)整个系统的设计与性能测定。
4)文档编制阶段。
二、硬件电路设计
掌握各种芯片的资料及性能差异，选择合适的芯片，用Protel进行原理图设计和印制电路板设计。
1、 原理图设计
1 )设置电路图纸参数及相关信息
执行菜单Design/Options和Tool/Preferences，根据电路图的复杂程度等要求，设置图纸格式、大小、方向、捕捉栅格、电气栅格等。
2 )装入所需要的元件库
在Browse区域中的下拉框中选择Library，然后单击ADD/Remove按钮将包含所需元件的元件库装入设计系统中。
3 )放置元件
将选定的元件放置到已建立好的工作平面上，并对其位置进行调整，对其序号、封装形式、显示状态等进行定义和设置。
4 )电路图布线
利用 Protel所提供的各种工具、命令进行画图工作，将事先放置好的元器件用具有电气意义的导线、网络标号等连接起来，构成一张完整的电路原理图。
5 )调整、检查和修改
执行菜单命令Tool/REC对画好的电路原理图进行电气规则检查，进一步调整和修改，以保证原理图的正确和美观。
6 )产生网络表
执行Design/Create Netlist命令，弹出Netlist Creation对话框，采用默认的设置，点击确认后产生了后缀名为.NET网络报表。
2、印制电路板设计
印刷电路板设计是从电路原理图变成一个具体产品的必经之路：
1)规划电路板
根据要设计电路板的尺寸。选取Keep Out Layer复选框，执行菜单命令Place/Keep out/Track，绘制电路板的边框。执行菜单Design/Options，在“Signal Lager”中选择Bottom Lager，把电路板定义为单面板。
2)设置参数
参数设置是电路板设计的非常重要的步骤，执行菜单命令Design/Rules，左键单击Routing按钮，根据要求设置布线工作层、线宽。
3)装入网络表和元件封装库
执行菜单Design/Load Nets命令，然后在弹出的窗口中单击Browse按钮，再在弹出的窗口中选择电路原理图设计生成的网络表文件(扩展名为Net)，如果没有错误，单击Execute。若出现错误提示，必须纠正。执行菜单命令Design/Add/Remove Library，在“添加/删除元件库” 对话框中选取所有元件所对应的元件封装库。
4)元器件布局
Protel既可以进行自动布局也可以进行手工布局，执行菜单命令Tools/Auto Placement/Auto Placer可以自动布局。
5)自动布线
Protel采用世界最先进的无网格、基于形状的对角线自动布线技术。执行菜单命令Auto Routing/All进行自动布线。
6)手工调整使布局更加合理美观。
晶振连线应该最短化，四个数码管应该放在一条线上，可调电阻应该放在边上，5个按键和8个模拟输入应该按次序排放等，在PCB设计中， 在整个PCB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。
3、PCB技巧总结
PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线。有自动布线及交互式布线两种方式。在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。自动布线的布通率，依赖于良好的布局，布线规则可以预先设定，包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。一般先进行探索式布经线，快速地把短线连通， 然后进行迷宫式布线，先把要布的连线进行全局的布线路径优化，它可以根据需要断开已布的线。 并试着重新再布线，以改进总体效果。
1)电源、地线的处理
既使在整个PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。
在电源、地线之间加上去耦电容。 加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线>电源线>信号线。对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用(模拟电路的地不能这样使用) 用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板，电源，地线各占用一层。
2)数字电路与模拟电路的共地处理
现在有许多PCB是由数字电路和模拟电路混合构成的。数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整个PCB对外界只有一个结点，所以必须在PCB内部进行处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连，只是在PCB与外界连接的接口处(如插头等)。数字地与模拟地有一点短接，请注意，只有一个连接点。也有在PCB上不共地的，这由系统设计来决定。
3)信号线布在电(地)层上
在多层印制板布线时，由于信号线层没有布完的`线剩下已经不多，再多加层数就会造成浪费也会给生产增加一定的工作量，成本也相应增加了，为解决这个矛盾，可以考虑在电(地)层上进行布线。
4)大面积导体中连接腿的处理
在大面积的接地(电)中，常用元器件的腿与其连接，就电气性能而言，元件腿的焊盘与铜面满接为好，但对元件的焊接装配就存在一些不良隐患如：焊接需要大功率加热器，容易造成虚焊点。
5)布线中网络系统的作用
网格过密，通路虽然有所增加，但步进太小，数据量过大，这必然对设备的存贮空间有更高的要求，同时也对运算速度有极大的影响。而有些通路是无效的，如被元件腿的焊盘占用的或被安装孔、定位孔所占用的等。网格过疏，通路太少对布通率的影响极大。所以要有一个疏密合理的网格系统来支持布线的进行。 标准元器件两腿之间的距离为2.54mm，所以网格系统的基础一般就定为2.54 或小于其的整倍数。
6)设计规则检查(DRC)
布线设计完成后，需认真检查布线是否符合印制板生产工艺的需求：线与线，线与元件焊盘，线与贯通孔，元件焊盘与贯通孔，贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。
三、总结
本温度采集系统实用性强，测量精度较高，结构较为简单，成本低，能巡回采集8路信号。适用范围广泛，可以单独使用作为监控仪，用于农业温室大棚监测植物生长的环境变化，工业厂房测量各部分的温度等等，也可以作为智能控制系统的一部分，与其它设备协同工作;系统可扩展性强，只需传感器类型，就可在此基础上修改为其他非电量参数的测量系统。
参考文献
[1]Protel 99SE 电路设计与制版 赵光林 编著 电子工业出版社
[2]微型计算机技术与应用 第3版 戴梅萼 编著 清华大学出版社
[3]单片机原理及接口技术 胡汉才 编著 清华大学出版社
[4]半导体器件手册邮电部电信总局编 人民邮电出版社
[5]单片机课程设计实训教材 陈明荧.8051清华大学出版社
[6]自动控制原理 胡寿松 国防工业出版社
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