摘要
单片机的应用已经广泛的渗透到国民经济的各个领域，随着社会对单片机应用人才的需要，它已成为工科大学生的必修课程之一。单片机技术包含有硬、软两个方面的技术。硬件是以单片机为核心，再加以其他各元器件组成的电子电路的一个实体。它既有单片机的技术，又有电子类专业所必须掌握的模拟、数字、高频等电子电路的综合运用。
单片机的种类繁多，目前单片机应用系统开发工具也有不少，但同一系列单片机的开发工具或实验系列基本相同。51系列单片机是国内目前应用最广泛的一种8位单片机之一。经过20多年的推广与发展，51系列单片机形成了一个规模庞大，功能齐全，资源丰富的产品群。随着嵌入式系统，片上系统等概念的提出和普遍接受及应用，51单片机的发展进入了一个新的阶段。许多专用功能芯片的内核集成了51单片机，与51系列单片机兼容的微控制器以IP核的方式不断地出现在FPGA的片上系统中。
通过本次毕业课题的设计、制作、调试，其目的是让电子信息工程专业的毕业生通过自己完全动手制作一些实际电子产品，掌握一定的电子产品设计、制作技能和调试技术，巩固电子技术的理论知识，锻炼和提高学生的动手能力和综合运用知识解决实际问题的能力及实践动手能力。让学生完全体验电子产品开发的全过程，把学生培养成为电子信息领域内的高级应用型技术人才。
【关键词】
单片机：STC89C51； LED数码管显示器； keil C51； 矩阵电路; 蜂鸣电路
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目 录
前言……………………………………………………..………………………………….….3 第一章 概述……………………………………………….………….……………………4
1.1 目的与要求……………………………………….………….……………………4 1.2 单片机的定义…………………………………………………..…………………4 1.3 单片机的发展……………………………………………………..………………4 1.4 单片机硬件概述…………………………………………………..………………5 1.5 单片机硬件结构…………………………………………………..………………6 第二章 硬件电路设计……………………………………………………..………………7
2.1 电源电路………………………………………………………..………………...7 2.2 复位电路……………………………………………………….…………………7 2.3 晶振电路……………………………………………………….…………………8 2.4 键盘电路…………………………………………………………..………….…..9 2.4.1 矩阵键盘的结构与工作原理………………………………………….…....9 2.4.2 矩阵式键盘的按键识别方法……………………………………….……..10 2.5 流水灯电路……………………………………………………………….……..11 2.6 蜂鸣器电路……………………………………………………….……………..12 2.7 数码管显示……………………………………………………….……………..13 2.7.1 LED数码管显示器概述…………………………………….……………...13 2.7.2 数码管参数………………………………………………….……………..14
第三章 软件设计……………………………………………………………………….…16 3.1 KEILC软件介绍………………………………………………….………………16
3.2 单片机应用系统的软件设计…………………………………….……………...16 3.3 单片机流水灯程序设计…………………………………………………………17 第四章 PCB板的制作…………………………………………………………………….20
4.1 PROTEL 99 se 概述……………………………………………………………..20 4.2 电路原理图设计…………………………………………………………………20 4.3 印制电路板设置…………………………………………………………………21 4.3.1 Protel99印制电路板设计工具的应用…………………………………...21 4.3.2 PCB布局布线规则………………………………………………………….22 4.3.3 印制电路板设计注意事项…………………………………………………..22 4.4 电路板的制作及其注意事项……………………………………………………23 第五章 元器件的安装……………………... ……………………………………………..25
5.1 元器件的安装……………………………………………………………………25 结论…………………………………………………………………………………………..28
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致谢…………………………………………………………………………………………..29 附录一 设计元件清单表…………………………………………………………………..30 附录二 电路原理图………………………………………………………………………..31 附录三 电路板底层布线图………………………………………………………………..32
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前言
单片机技术飞速发展，单片机的应用已经渗透到了国民经济的各个领域，处处影响着人们的生活，它的出现给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。目前，单片机仍以其高可靠性、高性价比，在工业控制系统、数据采集系统、智能画仪器仪表、智能家电等诸多领域得到了广泛的应用，因此，单片机应用技术是作为将要从事单片机开发方面的技术人员所必需掌握的。
单片机是应用系统的一个核心部件，为把单片机系统应用于不同的领域，只掌握单片机的基础知识是远远不够的，要想构成一个完善的应用系统，还要熟悉执行机构及硬件接口电路的应用特性，同时，还应该掌握系统的结构布局、印刷电路板的结构布局及软件的设计技巧这些书本上学不到的知识，因此为设计出完善的应用系统，必须在实际工作中勤于实践，逐步积累这方面的经验。 现代社会新技术层出不穷，在电子领域尤其是自动化智能控制领域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统，将很快被单片机这个后起之秀超越并取代。单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，因此，单片机将成为智能控制系统的核心。
根据这次课程设计的内容和要求，首先进行整体方案的构思，通过在图书馆和上网查阅资料，并分析和比较，选取了一种简单而且可行性高的方案。此方案主要由延时电路、定时计数电路、主控电路、程序译码驱动电路等组成。通过查阅有关书籍、上网和综合已学的电子技术知识，并考虑到电路的工作稳定性，设计成本低，鉴于此选用了比较常见的元器件来构成各单元电路，选取所须的元件后，对各电路元件的参数进行了计算，然后进实验室进行电路的安装和调试。经过几天紧张的电路安装和调试，期间还进行了部分方案的的单片修改和改进，实现了课程设计的主要任务和具体要求。
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第一章 概述
1.1 目的与要求
本次的设计需要符合的要求有：
用矩阵键盘实现流水灯的暗灭，左循环，右循环及有暂停，停止，复位等一系列功能于一体的单片机系统。
1.2 单片机的定义
单片机又称为微处理器它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机是一种集成电路芯片，是采用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（Central Processing Unit）、随机存储器RAM(Random Access Memory)、只读存储器ROM(Read Only Memory)、多种I/O口(Input/Output Ports)和中断系统、定时器/计数器等功能电路（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机的应用领域 ：
1.单片机在智能仪器仪表中的应用； 2.单片机在工业测控中的应用；
3.单片机在计算机网络和通讯技术中的应用； 4.单片机在日常生活及家电中的应用； 5.单片机在办公自动化方面。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
1.3 单片机的发展
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1971年微处理器研制成功后不久，就出现了一位的单芯片的微型计算机即单片机。
1976年Intel公司推出了第一代8位单片机的代表产品-----MCS-48系列单片机8048，它将CPU、串行口、定时器和128BRAM集成在一块芯片内，使用的是NMOS工艺。在MCS-48成功的刺激下，出现了第二代单片机产品。在第二代单片机中，IntelMCS-51进入中国市场最早，过渡到CMOS工艺的80C51要迟一些。1982年以后，高速低功耗CHMOS工艺的出现，使许多公司生产与80C51兼容的单片机，并扩展了其功能。8位单片机后，还出现了16位的单片机，1983年Intel公司推出的MCS-96系列单片机就是其中的典型代表之一。
近10年来出现的具有许多新特点的单片机，可以称之为第三代单片机。目前单片机的内存容量可以做得相当大，I/O功能也已足够地丰富，可以不用外加扩展芯片；大多数单片机都提供可由用户编程的OTPROM型式；随着单片机程序存储空间的扩大，在空余空间可以嵌入实时操作系统等软件，以提高单片机的性能和产品开发效率；扩展方式从并行总线型发展出各种串行总线，如IC总线、USB总线、CAN总线等；有的单片机集成了多个CPU，将数字信号处理器、精简指令集计算机等集成到单片机中的产品也不断出现；另外，在抗干扰、抗噪声、提高可靠性、功耗管理等方面的新技术也不断的出现。单片机虽然种类繁多，但就其应用情况看，功能最强的16位机属于日立公司的H8/3048系列，8位机要数Intel公司的MCS-51系列。
1.4单片机的硬件概述
在单片机的应用中，以单片机芯片为核心组建的一个能完成特定应用功能的硬件组合实体，称为单片机的硬件系统。它能在我们为它所编制的程序下完成预定的任务。
软件是相对硬件而言的，它是指由计算机硬件执行，用来完成一定任务的所有程序及数据，即为运行、管理和维护计算机所编制的程序的总和。 单片机的软件系统比较简单，它不需要复杂的操作系统来进行系统管理，只使用于管理单片机系统工作的管理程序（称为监控程序）和用于完成实际具体任务的应用程序。而对于简单的单片机应用系统，只要有为实现控制目的而直接行的应用程序就行了。单片机应用系统有三种编程方式：机器语言、汇编语言和高级语言。
按照单片机系统扩展与系统配置状况，单片机应用系统可分为最小系统、最小功耗系统及典型系统等。STC89C51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，具有丰富的内部资源：4kB闪存、128BRAM、32根I/O口线、2个16位定时/计数器、5个向量两级中断结构、2个全双工的串行口具有4.25～5.50V的电压工作范围和0～24MHz工作频率，使用STC89C51单片机时无须外扩存储器。因此，本流水灯实际上就是一个带有八个发光二极管的单片机
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最小应用系统，即为由STC89C51单片机、7407单片机、电阻、发光二极管、晶振、复位、电源等电路和必要的软件组成的单个单片。
1.5 单片机的硬件结构
89C51单片机主要特性： 与MCS-51 兼容 ;4K字节可编程闪烁存储器 ;全静态工作：0Hz-24Hz ;三级程序存储器锁定 ;128*8位内部RAM;32可编程I/O线 ;两个16位定时器/计数器 ;5个中断源 ;可编程串行通道 ;低功耗的闲置和掉电模式 ;片内振荡器和时钟电路
MCS-51系列单片机的内部结构框图如图1.5.1所示。
数据 存储器 P0口 CPU （运算部件） P1口 P3口 串行定时/ 计数器 中断系统 特殊 功能 寄存器P2口 程序 存储器
图1.5.1 MCS-51系列单片机的内部结构框图
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第二章 硬件电路设计
2.1 电源电路
电源是每一个电子系统必不可少的组成部分，它的作用是为整个系统提供能量来源。电源性能的好坏直接影响整个系统的工作情况。该部分提供单片机工作所需的5V直流电源。外接220V交流电源，经过变压器8V连接到J1端，随后整流滤波稳压，得到5V左右的直流电源，整流部分由4只普通的二极管连接为桥式整流，通过电容滤波，稳压由7805完成，7805需加散热片。
图2.1.1 电源电路原理图
2.2 复位电路
复位电路原理图：
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2.2.1 复位电路原理图
复位即是在复位端加不小于指定宽度的低电平(低电平复位)或高电平(高电平复位)信号使单片机的硬件处于初始状态。以MCS一51系列单片机为例，复位端为RST/Vpd,高电平复位。在振荡电路运行时，使RST引脚至少保持两个机器周期(24个振荡周期)高电平，实现一次复位动作。CPU响应内部复位，将ALE和PSEN引脚置为输入方式，并在RST端变低以前重复执行内部复位。
复位后主要的特殊功能寄存器均被置为初值。我们编写程序时，第一条指令总是从0000H单元开始。 若上电时或掉电后再上电不能正常复位，PC等寄存器为随机数，程序就不能正确执行，此时称为“死机”。单片机复位电路有多种，图中是一种最简单的复位电路，该复位电路简单易行，但缺点是在遇到较强干扰或瞬间断电时，复位端电平随电容器充放电特性变化，往往电源电压低至RAM区数据不能保持时，复位端电容器上仍储有相当的电荷，致电源电压恢复时复位端不能产生复位信号，程序跑飞或造成死机。
2.3 晶振电路
2.3.1 晶振电路原理图
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晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。
石英晶片所以能做振荡电晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。
一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。
一般的晶振的负载电容为15p或12.5p ，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。 谐振振荡器包括石英（或其晶体材料）晶体谐振器，陶瓷谐振器，LC谐振器等。晶振与谐振振荡器有其共同的交集有源晶体谐振振荡器。路（谐振）是基于它的压电效应，从物理学中知道，若在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之，若在极板间施加机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。如在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。一般来说，这种机械振动的振幅是比较小的，其振动频率则是很稳定的。但当外加交变电压的频率与晶片的固有频率（决定于晶片的尺寸）相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振，因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。 其特点是频率稳定度很高。
石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供稳定电路频率的一种电子器件。石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应来起振，而石英晶体谐振器是利用石英晶体和内置IC来共同作用来工作的。振荡器直接应用于电路中，谐振器工作时一般需要提供3.3V电压来维持工作。振荡器比谐振器多了一个重要技术参数为：谐振电阻（RR），谐振器没有电阻要求。RR的大小直接影响电路的性能，也是各商家竞争的一个重要参数。
2.4 键盘电路
2.4．1矩阵键盘的结构与工作原理
在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图1所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，
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而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。
2.4.1 矩阵电路图
由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。
矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。 2.4．2矩阵式键盘的按键识别方法
确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。
行扫描法 行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下。
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1.判断键盘中有无键按下 将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。
2.判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。
下面给出一个具体的例子：
图仍如上所示。8031单片机的P1口用作键盘I/O口，键盘的列线接到P1口的低4位，键盘的行线接到P1口的高4位。列线P1.0-P1.3分别接有4个上拉电阻到正电源+5V，并把列线P1.0-P1.3设置为输入线，行线P1.4-P.17设置为输出线。4根行线和4根列线形成16个相交点。
1.检测当前是否有键被按下。检测的方法是P1.4-P1.7输出全“0”，读取P1.0-P1.3的状态，若P1.0-P1.3为全“1”，则无键闭合，否则有键闭合。
2.去除键抖动。当检测到有键按下后，延时一段时间再做下一步的检测判断。 3.若有键被按下，应识别出是哪一个键闭合。方法是对键盘的行线进行扫描。P1.4-P1.7按下述4种组合依次输出：
4.P1.7 1 1 1 0 P1.6 1 1 0 1 P1.5 1 0 1 1 P1.4 0 1 1 1
在每组行输出时读取P1.0-P1.3，若全为“1”，则表示为“0”这一行没有键闭合，否则有键闭合。由此得到闭合键的行值和列值，然后可采用计算法或查表法将闭合键的行值和列值转换成所定义的键值为了保证键每闭合一次CPU仅作一次处理，必须却除键释放时的抖动。
2.5 流水灯电路
流水灯原理图
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2.5.1 流水灯原理图
从原理图中可以看出，如果要让接在P1.0口的LED1亮起来，那么只要把P1.0口的电平变为低电平就可以了；相反，如果要接在P1.0口的LED1熄灭，就要把P1.0口的电平变为高电平；同理，接在P1.1～P1.7口的其他7个LED的点亮和熄灭的方法同LED1。因此，要实现流水灯功能，我们只要将发光二极管LED1～LED8依次点亮、熄灭，8只LED灯便会一亮一暗的做流水灯了。在此我们还应注意一点，由于人眼的视觉暂留效应以及单片机执行每条指令的时间很短，我们在控制二极管亮灭的时候应该延时一段时间，否则我们就看不到“流水”效果了。
2.6 蜂鸣器电路
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
1.电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。
2.压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5~15V直流工作电压），多谐振荡器起振,输出1.5～2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路
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蜂鸣器驱动原理图：
2.6.1 蜂鸣器驱动原理图
蜂鸣器的正极接到VCC（＋5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R1后由单片机的P2.0引脚控制，当P2.0输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P2.0输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制P2.0脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。
程序中改变单片机P2.0引脚输出波形的频率，就可以调整控制蜂鸣器音调，产生各种不同音色、音调的声音。另外，改变P2.0输出电平的高低电平占空比，则可以控制蜂鸣器的声音大小，这些我们都可以通过编程实验来验证。
2.7 数码管显示
2.7.1 LED数码管显示器概述
1. LED数码显示器的结构与显示段码 （1）LED数码显示器的结构
LED数码显示器是一种有LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了12个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，四个用于片选，一个用于显示小数点，故通常称之为7段发光二极管数码器。其内部结构如下图所示。
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2.7.1 LED数码显示器的结构 LED数码显示器有两种连接方法如下。
共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。
共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。
（2）LED数码显示器的显示段码。 为了显示字符，要为LED显示器段码（或称字形代码），组成一个8字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED显示器的显示段码为1个字节。各段码位的对应关系如下表所示.十六进制数及空白字符与P的显示段码. 2.7.2数码管参数
8字高度：8字上沿与下沿的距离。比外型高度小。通常用英寸来表示。范围一般为0.25-20英寸。 长*宽*高：长——数码管正放时，水平方向的长度；宽——数码管正放时，垂直方向上的长度；高——数码管的厚度。 时钟点：四位数码管中，第二位8与第三位8字中间的二个点。一般用于显示时钟中的秒。
注：即使是短时间的电流过载也可能对发光管造成永久性的损坏。 怎样测量数码管引脚，分共阴和共阳?
找公共共阴和公共共阳首先，我们找个电源（3到5伏）和1个1K（几百的也欧的也行）的电阻， VCC串接个电阻后和GND接在任意2个脚上，组合有很多，但总有一个LED会发光的找到一个就够了，，然后用GND不动，VCC（串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阴的了。相
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反用VCC不动，GND逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阳的。也可以直接用数字万用表，红表笔是电源的正极，黑表笔是电源的负极。
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第三章 软件
3.1
KEILC软件介绍
1.Keil C是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，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，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。 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。
2、Keil C单片机软件开发系统的整体结构
Keil C软件集成开发环境(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A51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。
3.2 单片机应用系统的软件设计
软件设计是应用系统研制中工作量最大最重要也是最困难的任务，它可以分为两部分:一是用于管理单片机系统工作的监控管理程序；二是用于执行完成实际具体任务的功能程序。
而功能程序通常应包括数据采集和处理程序、控制算法实现程序、人机联系程序和数据管理程序。监控程序是控制单片机系统按预定操作方式运转的程序，它的任务是：
1. 在系统投入运行的最初时刻，应对系统进行自检和初始化。当用户操作键盘时，必须对键盘操作进行解释，调用相应的功能模块，完成预定的任务，并通过显示等方式给出执行的结果，即完成处理键盘命令的任务。
2. 对于具有遥控通信接口的单片机系统，监控程序还应包括通信解释程序，即具有处理接口命令的功能。
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3. 单片机系统在运行时也能被某些预定的条件触发而完成规定的操作，这类条件中有定时信号、外部触发信号等，监控程序也应考虑处理条件触发并完成显示的功能。软件设计通常才用模块化程序设计、自顶向下的程序设计方法。
3.3 单片机流水灯程序设计
单片机的应用系统由硬件和软件组成，上述原理图搭建完成通电之后，我们还不能看到流水灯循环点亮的现象，我们还需要告诉单片机怎么来进行工作，即编写程序控制单片机管脚电平的高低变化，来实现发光二极管的一亮一灭。软件编程是单片机应用系统中的一个重要的组成部分，是单片机学习的重点和难点。
蜂鸣器程序 void didi() { }
void delay(uint z) { }
uint x,y; for(x=z;x>0;x--)
for(y=110;y>0;y--); beep=0; delay(50); beep=1; delay(100); beep=0; delay(50); beep=1;
数码计时器程序
void display(uchar shi，uchar fen1,uchar fen2,uchar miao) {
dula=1;
P0=table[shi]; dula=0; P0=0xff;
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wela=1; P0=0xfe; wela=0; delay(1); dula=1;
P0=table[fen1]; dula=0; P0=0xff; wela=1; P0=0xfe; wela=0; delay(1); dula=1;
P0=table[fen2]; dula=0; P0=0xff; wela=1; P0=0xfd; wela=0; delay(1); dula=1;
P0=table[miao]; dula=0; P0=0xff; wela=1; P0=0xfb; wela=0;
delay(1);
}
左移右移程序
void leftyi() {
for(num=0;num<8;num++) //左移
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{
P1=temp;
delay(100);
temp=_crol_(temp,1); } }
void rightyi() {
for(num=0;num<8;num++) //右移{
P1=temp; delay(100);
temp=_iror_(temp,1); } }
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第四章 PCB板的制作
4.1 Protel99 SE 概述
Protel 99SE是一套电路集成设计系统，主要应用于电子原理图的设计、电路板的设计和绘制，以及电子逻辑分析和仿真等。它凭借其强大的功能大大提高了电子线路设计的效率，现已成为电子线路设计工作者的计算机辅助电子线路设计软件，特别适合初级电路设计者。我们需要了解电子线路设计的基本过程以及在设计中主要注意的细节，我们选用Protel 99SE来设计电子线路。该软件操作简单，易掌握。同时，工作效率较高。
4.2 电路原理图设计
电路原理图的设计步骤
（1）进入protel99SE设计界面点击WINDOWS任务栏上的开始菜单上的protel99SE，进入设计管理器。
（2）新建一个原理图文件执行FILE/NEW或FILE/，弹出NEW DOCUMNT对话框，选取SCHEMATIC DOCUMENT图标，然后单击OK按钮，这时，系统默认的文件名为“SHEET1”，用户也可以在设计管理器中更改该文件名，更改后显示在设计数据库中，如选择FILE文件中的对话框为NEW DESIGN DATABASE，则可在DATABSE FILE文件栏中输入你要创建的文件名。例如创建FAA。DDB只要将栏中的字母清除掉输入FAA字母，点OK即可。则在设计界面的标题栏中新创建了一个FAA的数据库文档，这时再执行文件设计管理器中的FILE/NEW则在弹出的NEW DOCUMENT对话框中选中SCHEMATIC DOCUMENT图标，操作方法同上。
（3）装载元件库
在设计绘制电路原理图时，首先要在内存中装入所要设计绘制的电路原理图元器件，以备调用，一般只载入常用的元件库，特殊的元件库则当需要时临时载入。这样才不会因装载过多的文件库占用较多的资源，而降低应用程序的执行速度。
（4）设置电路图大小
用鼠标点击设计管理器DESIGN EXPLORE下菜单的DESIGN/OPTIONS，按图纸要求选STANDARD项的A4，最后按OK钮则设置完毕。
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（5）放置元器件库
用鼠标键点击设计管理器中的BROWSE SCH选项卡，然后单击ADD/REMOBE按钮，屏幕将出现一对话框，CHANGE LIBRARY FILE LIST 改变元件库文件一览表，选取菜单C：/PROGRAM FILES/CESIGN EXPLORER99/LIBRARY/SCH。
（6）放置节点和连接线路
Protel99SE/SCHEMATIC电路图的设计和绘制工具在一些情况下会自动在连线上加上电气节点但通常还是要靠我们自己动手加上，例如缺省情况下十字交叉的连线是不会自动加上节点的，如要自行放置节点，可激活主菜单PLACE/JUNCTION或VIEW/TOOLBARS/WIRING选中第一排的最左边图或激活PLACE/WIRE将编辑状态切换到连线模式，到时鼠标指针由空心箭头变为大十字型。到时只需要将鼠标十字光标移动到要连线的元器件一端，按住鼠标左键，移动到另一元器件的一端，如连线到另一器件时要转弯时，可单击鼠标左键一次则可定位一次转弯，当连线拉到终止元器件的指定位置时，可按一次鼠标左键，这时连线还连在该点上，可通过该连线，再进行第二根电气节点的连线，一直到全部连线联结完之后，这时可双击鼠标右键来终止该次连线的操作，到此为止。一张电路图就设计绘制完成。
（7）放置电路输入输出点
如电路图需要输入输出点可选WIRING TOOLS工具条的第二排第三图即可。 （8）检查原理图。
使用Protel 99 SE的电气规则检查功能检查原理图的连接是否合理与正确，给出检查报告。若有错误就需要根据错误进行改正。
值得注意的是给功能只是检测电气连接性质，如果绘制的原理图连接错了但没有电器连接性质的错误它是检查不出来的，所以绘制时要特别仔细、小心。
（9）保存与打印。
电路图绘制完毕后要保存起来，以供日后取出修改或使用，可执行主菜单的FILE/SAVE可自动按原文件名保存起来。保存就是将所绘制的原理图存盘。
4.3 印制电路板设置
因为设计目标为“试验样机”，同时实验室的生产工艺受到一定限制，制作双面印制板有一定难度，所以印制的设计要求为单面板，对于少量难以布通的导线采用“飞线”解决。实际上，在实际产品中，为了降低成本，也常常采用这种方式，最典型的例子就是电视机和收录机。
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4.3．1 Protel99印制电路板设计工具的应用
（1）进入Protel99SE编辑环境：执行FILE/NEW将弹出NEW DOCUMENT对话框,DATABASE FILE NAME 栏里则显示系统的默认值。MYDESIGN.DDB为系统默认指定新建的未题数据库文件。如要改变路径,则可按BROWSE以更改.如不更改系统指定的路径,则按OK钮即可。该系统新建一个MY DESIGNL.DDB的数据库文件。也可执行FILE/OPEN操作。将弹出OPEN DESIGN DATABASE 对话框,可从中选取Protel 99SE内原已建立的数据库文件,如选取ZHONGLIANG,则只要用鼠标箭头指向ZHONGLIANG击鼠标左键,则可进入到该数据库文件,在对话框的文件名中显示出来,再点击打开钮就可进入到该系统。紧接着再启动FILE菜单中的NEW命令。移动鼠标箭头PCB DOCUMENT位置,双击鼠标左键,或按OK按钮,即会产生一个PCB1的图标。
（2）从电原理图导入元器件封装图和电气连接
打开电原理图（全图）点击Design—Update PCB，即可自动从电原理图生成网络表，并与当前的印制板图比较，完成更新。第一次调入时，实际上印制板图上是空白，所以会全部调入而不是修改更新。与Protel 98不同的是，网络表的生成是自动的在后台完成，并不需要人工干预，仅提供人工预览更新内容，大大方便了使用。如果原理图中有标注错误、封装指定错误等，在预览时可以发现并予以更正。
（3） 人工调整好各封装元器件的位置,使得设计美观大方且连线短捷,交叉较少为佳。
（4）采用Protel99SE的先进自动布线功能进行布线。布线以前，设置好设计规则，包括导线宽度、焊盘大小、走线间距等。
（5）在自动布线结束后,最后进行手工调整把自动布线中不尽人意的地方调整到满意时为止。对于单面无法布通的线路，人工设置飞线。在实际操作中，可以视为人工进行的双面板设计，只是在元件面走线尽量少，因为它实际上是飞线，在制作印制板时并不做的。
（6）对于绘制的PCB图进行必要的存盘处理,保存以备需要时调用。 4.3.2 PCB布局布线规则
根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则： ①按照电路的流程安排各个功能电路单元位置使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致方向。
②以每个功能电路的核心器件为中心，围绕它来进行布局，元件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB板上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。
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③在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数，一般电路应尽可能使元器件平行排列，这样不仅美观，而且装焊容易，易于批量生产。布线规则: 印刷电路板中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决，即让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去，在特殊情况下如果电路很复杂，为简化设计也允许导线跨接，解决交叉电路问题。
同一级的电路接点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。特别是本级晶体管基极、发射极的接点不能离得太远，否则因两个接地点间的铜箔太长会引起干扰与自激，采用把接地点都连在一起接地，这样工作才稳定，不易自激。
4.3.3印制电路板设计注意事项
①元件封装——纯粹的元件封装仅仅是空间的概念，因此不同的零件可以共用封装，同时，同种元件也可以用不同的封装。在实际的设计中，元件的封装图最好根据实际的元件自制，以避免出错。
②焊盘大小——无论是在调用封装还是在自制封装的过程中，需要特别注意的是元件焊盘大小的设计。由于我们的制作工艺是有限的，所以我们尽可能把焊盘大点，但不要太大。焊盘小了，在钻孔的时候很容易损坏，即使没有在钻空时损坏，但它对焊接技术的要求是比较高的；焊盘太大，可能会造成“路径堵塞”，给走线造成困难。焊盘孔小了，元件插不进去，焊盘孔太大，在焊接的时候，高温的锡液就很容易通过通孔流向在面板另一面上的元件引脚，这样就很容易使元件受高温影响而坏掉。
③工作层——Keep Out禁止布线层，它限制了走线的范围，一般常用它作为印制板的轮廓界限，但是并不好。实际上，元件布局和走线都应该与印制板边沿保持大约1mm的间隙，所以应该选取一个机械层绘制印制板轮廓，而适当“缩小”，用禁布层绘制真实的布线限制范围。
④走线----电源线和接地的导线应比元件之间的走线要宽，本设计中的电源走线为1mm，其他走线0.3mm。
总之，设计电路原理图和PCB图时，首先要保证图纸的质量。所有的元件标示要清晰准确，器件的型号也要清楚，然后要求美观。在元件布局和布线时尽量优化网格。除此之外，对于一个产品的开发而言还要考虑实际的成本。
4．4 电路板的制作及其注意事项
(1)电路板的制作:
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印制电路板图设计好了后，可以通过激光打印机打印到转印纸上。然后根据图纸的大小合理的切取铜板，从成本、和抗噪声能力等方面考虑，电路板越小越好 ，但是太小会使得焊接安装调试都很困难。接下来是对板子的加工处理，首先用锉刀把板子的边和角磨圆滑，一是以免刺手，二是讲究工艺的美观。然后用牙刷加牙膏清洗，洗掉板子上的赃物和铜箔上的氧化物后，晒干。将全图紧贴于到铜板上，在贴图时要小心，不要损坏图纸上的连线，应将全图紧贴于铜板上。开启转印机待温度上升到150°后将贴好转印纸的铜板水平送进转印机转印。为了完全转印可将铜板转印两次，但第二次温度不易过高，温度过高的话会把铜板烤弯，所以第二次转印要根据铜板的厚度来决定温度，一般在130℃左右。转印后取出铜板冷却后，取掉转印纸，检查是否有断线等，通路有断线用防腐蚀油墨顺着这条通路进行勾描修补。
经检查无误后将铜板放进腐蚀桶开启腐蚀桶电源腐蚀。腐蚀液是一份的三氯化铁和两份的水合成浓度在28％-40％之间。将腐蚀液倒进桶里开启电源腐蚀 ，为了加快腐蚀反应，可用软毛笔轻轻刷扫板面，但不要用力过猛，过猛会把保护层刮掉。腐蚀完后取出用清水洗干净晒干后就可以打孔，在打之前要根据元器件引脚粗细选择钻头，集成块、电阻、电容等一般选择0.8-1.0直径的钻头。将钻头垂直紧固在台架上，在钻头尖饶一圈细丝，只留2-3cm的钻头尖在外面以防打断了还可以用。钻头上好了后应检查是否对准打孔台的正中间部份，否则在打孔时会打到台架上将钻头打断。人工打孔误差很大，为了减小人为误差可将活动台架调高一点，离钻头距离3-5cm为宜，这样在打孔时可以减小人为误差、瞄不准、打斜、打歪等。
打完孔后可用砂纸打去保护层。除去保护层后用布在板面上反复擦拭，去掉铜板上的氧化膜，使线条及焊盘露出铜的光亮本色。在擦时应向一个固定方向试擦，这样可使铜板反光方向一致看起来更加美观。擦试后用清水冲洗 、晾干。最后涂助焊剂，把助焊剂立即涂在洗净晾干的印制电路板上，使它分布均匀且很薄，再加热烘干到不粘手为止，它可以使板面受到保护，提高可焊性。
(2)电路板的制作的注意事项:
（1）三氯化铁溶液对人体皮肤不会有不良影响。但三氯化溶液溅到衣服上或地面上，那是难以洗掉的，所以使用时一定要特别小心。待腐蚀液出现沉渣变绿的时候就作为废液，不要倒入下水道。
（2）电气通断检测。如果我们检测到在印制板上导线有断开处，我们可以在断开处的两端以导线或焊锡将它们相连接。如果我们在腐蚀板前，烘板后发现布线图上有走线断开处，我们可以在断开处用防腐蚀油墨连接后再进行腐板。
（4）钻孔时，手不要抖动，避免孔被钻偏。
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第五章 元器件的安装
5.1 元器件的安装
在电子线路装配工作中，安装和焊接技术是很重要的，它是电子线路从设计到制造的一个重要过程。安装和焊接技术质量的好坏，直接影响到仪器的性能（如准确度，灵敏度，稳定性，可靠性等），有时因为虚焊，焊点脱落等电路不通或接触不良致使仪器电路不能正常工作。因此，我们有必要较为熟练掌握电子线路的安装和焊接技术。 (1)元器件的安装
元件的排列对仪器的性能影响很大，不同的电路元件在排列时，有不同的要求。因此，要先理解电路原理图，根据要求，将元件合理地安放在印制板上（插装），再焊接。
元件排列时，一般就应注意以下几点：
a）电阻，二极管（发光二极管除外）均采用水平安装，贴紧印刷板。电阻的色环方向因该一致。
b）集成电路，蜂鸣器，轻触式按键与印制板贴紧。
c）插件装配美观，均匀，端正，整齐，不能歪斜，高矮有序。 (2)电路板的焊接
1）电烙铁
电烙铁是焊接的主要工具，它主要由烙铁头和烙铁芯组成。常用的电烙铁按功率分有；20w,25w,30w,35w,45w，75w等。根据焊接点处的面积大小及散热快慢决定所选用电烙铁的功率。焊接一般晶体管电路可先用25w.35w.焊接集成电路最好先用20w内热式电烙铁，正确使用电烙铁是做好焊接毁作的必要条件，使用时应注意：新烙铁在使用前，先用细的金刚砂布轻轻将烙铁头表面的氧化物砂去，然后接通电源，当烙铁头热到开始变成紫色时，先涂上一层松香，再放到焊锡上轻擦，使烙铁头均匀地涂上一层薄薄的锡，这就算上好了锡。对于旧烙铁，如果烙铁头表面上有一层黑色氧化物，或出凹孔，都须用锉刀锉除，然后按新烙铁上锡的方法重新上锡。烙铁经过长时间通电使用以后，因为热过度, 烙铁铜头氧化，氧化部分不再传热，锡就沾不上去，要重新上锡处理后才能使用，这种情况就叫“烧死”为了保护烙铁，在加热一定时间后，需切断电源冷却一会，然后
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再加热继续使用。使用烙铁时，不要猛力敲打，以免电阻丝或引线震断。
2）焊料和焊剂
焊接是依靠焊剂的化学作用通过烙铁加热将两种或两种以上的金属良好地熔合起来。因此，焊料和焊剂是焊接中必不可少的材料。
a) 焊料：焊接电子线路所用的焊料，一般要求是：熔点低，凝结快，附着力强，坚固，导电率高而且表面光洁。通常都是使用熔点在250℃左右的铅锡合金作为焊料，称为焊锡。在焊锡中加入一些锑，可以增强它的坚固性。焊锡通常是做成条状，电子线路尤其是印制电路板的焊接，常用的是松香焊锡丝。 b) 焊剂：焊接电子线路时，常用松香焊剂，因为当松香受热气化时，能将金属表面的氧化膜同时带走，它还具有价廉，无腐蚀性，干后不易沾积灰尘等优点。
3）焊接方法
焊接技术是电子线路实验技能中的基本技能。要保证焊接质量应注意以下几点：
a) 焊件和焊接点要刮干净。
焊接前焊件的清洁工作是保证焊接质量的关键。一般金属暴露在空气里，时间久后会氧化，而氧化物对焊锡吸附力小，导电性能差。因此，焊接前一定要将焊件和焊接点的金属表面用小刀或砂纸刮除其绝缘漆或氧化层，使其呈现金属光泽，随即进行上锡。然后将焊件放在焊接点处焊接起来。这样既保证质量，又能提高速度和不至于烫坏元件。已经上过锡的金属，如果失去光泽，可再重新上锡。如果不重视这道工序，不仅焊不牢，还容易出现虚焊。
b) 烙铁头温度和焊接时间要适当。
焊接时，只有当烙铁头的温度高于焊锡的熔点，并掌握好焊接时间和烙铁头与焊件的接触面，才能使焊锡牢固地附着在金属物上。
如果烙铁头的功率太小或焊接时间太短，焊接点处温度底，焊出来的焊点锡面不光滑，结晶粗脆，象一团胶合的砂粒。同时焊剂也未充分挥发，在焊锡和金属面之间就会隔一层焊剂，形成“虚焊”。反之温度过高，焊接时间过长，金属面上的焊锡容易流散，则接头处焊锡不够，反而不牢固。同时也会使电子元件烫坏或变值，还会损失印刷电路板。
c) 焊接时，点上的焊锡量要合适。焊接点处的焊锡量过少，会焊接不牢，但焊锡过多则内部不一定焊透，有时反而不牢。同时还容易和附近的焊接点发生短路。因此焊锡只需将焊接点处的接线头适当包裹就行了。在焊锡还没有凝固时，切勿移动被焊接的元件或接线，否则焊锡就会凝成砂状，造成虚焊。
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d) 集成电路组件的焊接。集成电路组件的外形有直立式和扁平式两种。直立式组件的焊接方法与焊接晶体管相同。扁平式由于引线与引线之间的地间隙很小，焊接不得法就会造成邻近引线短路。因此在焊接前，先将集成电路组件的引线和印刷电路板上与集成电路相连接的接点处。分别上好锡。烙铁头不要沾很多锡，其前端与要上锡的那根引线接触，注意不要和邻近的引线同时接触，然后将集成电路字件放在印刷电路板上，使其引线连接点的位置一一对应进行焊接，焊接时动作要快，最好一次成功。焊接完后应仔细检查，不是同一个网络的两个接点不能连接在一起。
e) 本设计中所有元器件的封装都选用引线式，插入焊盘孔的引脚都应剪脚，留头在焊接面上约1.5mm，焊点要求圆滑、光亮，防止虚焊、搭焊和散锡。
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结论
通过这次毕业设计我们主要了解了单片机控制流水灯的工作原理，发光二极管以及STC89C51的应用，使我认识到了单片机的重要性。在设计中，我们可以写出各种各样的程序，使流水灯亮灭看起来更新颖漂亮。在这次设计中，不但使我学到了许多理论上的知识，而且还提高了我的动手实践能力。首先通过Protel99SE的强化训练，使我学会了如何绘制原理图、封装图以及PCB板图纸；其次是电路板的制作，这个环节注重的是我们的动手实践能力。通过PCB板的制作，使我了解到了电路板的制作过程，也对电子信息工程技术有了更深刻的了解；最后一个环节就是仿真调试和论文的撰写，仿真调试主要就是对程序的编译和写入。撰写论文时首先要做的就是对资料的收集，它们主要来自于一些参考文献、集成芯片和元器件功能的介绍。下一步就是把资料组织成一篇具有逻辑的文章，从整个论文的撰写中，使我学会了对资料的组织能力。终于在三个月的时间里完成了毕业设计的任务，通过三个月的实习实训，从Protel99SE原理图的绘制到最后论文的撰写的整个过程中使我学到了关于电子技术工程上的许多东西。特别是在制板的整个过程中，在这个过程中使我体会到动手实践在工程技术上的重要性。也使我知道了理论知识与实践相结合的重要性。除此之外我还学会了焊接电路板，掌握了许多书本以外的电子技术知识，培养了专心工作学习的习惯，懂得了相互之间的帮助与理解，这次毕业设计使我受益匪浅。
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致谢
在这大学三年的生活里,要谢谢学校以及老师们的教育培养，在老师的细心教导下，我学到了很多的知识。
这次毕业设计能够完成离不开老师指教和同学的合作，首先我要感谢我们的指导老师—焦敏老师，他能够在百忙之中给我指导，耐心解答我的疑难问题如果没有你的教导我是很难做出来这个设计的。比如电路的分析、元件的选购、调试等，都是离不开你的耐心的教导。
其次是xxx老师，他作为我们的Protel99老师，我经常向他请教这方面的知识，使我能够顺利完成电路设计图。还有xxx老师等，他们时刻关心着我们的设计进展情况，并随时给我没提供帮助，再次谢谢他们给我们关心和帮助。 我还要感谢我的小组的同学们，他们在这次设计过程中与我并肩作战，通过相互交流，相互合作，相互沟通，相互学习，相互帮助，使我锻炼了很强的团队合作精神。
最后，我向所有关心过我，支持过我的老师，同学以及朋友表示由衷的感谢。
参考文献
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3.《数字电路设计实用手册》 电子工业出版社 主编: 荀殿栋 徐志军等 4.《电工电子实验技术》 重庆大学出版社 主编: 李雪瑶
5.《电子课程设计指导书》 焦作工学院电气工程系 主编：艾永乐 付子义 6.《电子电路实验及仿真》 清华大学出版社 主编：路勇 高文焕 7．常用电子元器件简明手册》 机械工业出版社 主编：沈任元、吴勇 8．《单片机应用技术》 电子科技大学出版社 主编：周平 伍云辉
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附录一 设计的元件清单表
元件 集成块 集成块 集成块 稳压模块 瓷片电容 瓷片电容 电解电容 电阻 电阻 电阻 电源连接器 发光二极管 晶振 开关 复位开关 跳线插针 NPN三极管 下载串口 排阻 蜂鸣器 四位数码管 型号 8051 74HC673 MAX232 7805 104p 30p 10uF 1KΩ 10KΩ 18Ω DIANYUAN LED 11.0592MHz 4脚 4脚 100MIL TO-92A DB9/M A102J FENGMING SHUMAGUAN 数量 1只 2只 1只 1只 1只 2只 1只 1只 1只 1只 1个 8个 1个 1个 1个 4个 1个 1个 2只 1个 1个 位号 U1 U2,U3 U8 U1 C1.C2.C3.C4.C5 C7,C8 C6 R9 R10 R11 J2 D1---D8 Y1 S2.S3.S4.S5 S1 Q1 J1 P1.P2 LS1 U4
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附录二 电路原理图
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附录三 电路板底层布线图
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