电子系统设计专题实验报告实验一、基于 AVR ATMega128 的硬件(PCB)设计 一、 实验目的和要求目的： (1)掌握印制电路板设计的基本原则及印制电路板的设计制作流程。

(2)掌握 Protel DXP 2004 SP2 软件的基本功能。

(3)在 Protel DXP 2004 SP2 软件平台，完成电路图到 PCB 图的设计制作过 程。

要求： (1)根据实验要求， 完成原理图的设计，并在 Protel DXP 2004 SP2 软件平台 上设计制作出相应的 PCB 图。

(2)要求 PCB 图布局布线美观，抗干扰性能强。

图中所用到的元件封装必须 符合实际的元件尺寸。

二、 实验设备及设计开发环境操作系统: XP 软件：Protel DXP 2004 SP 2三、 实验内容根据 ATMega128 的电路图设计一个单片机电路板，其中包括基本电路、复位 电路、时钟振荡器（ISP、键盘、RT Clock）。

MCU 原理图如图四、 实验步骤1. 创建新的工程项目，并新建原理图图纸 2. 设置工程参数，包括基本原理图参数设置。

3. 绘制原理图：在元件库中查找所用元件，并进行必要说明，如标签、总线、 端口等。

4. 放置各个模块与图纸合适位置，方便之后端口的对接及导入。

5. 对原理图进行电气检查，编译查错时，直至消除后保存原理图。

6. 创建新的 PCB 文件，并对 PCB 进行正确合理的参数设置（注意：在设置尺 寸时，不宜设置太小，不利于元件布局及布线），保存文件。

7. 导入原理图，将元件合理放置，原则：组合功能的元件（键盘开关）有序放 置在一起，使得各个元件布线交叉尽可能的少。

8. 对电路板自动布线，进行规则检查，注意检查 PCB 有没有缺线、缺元件的 情况修改错误的地方，并注意印刷线路的宽度设置，不宜太宽。

9. 重复步骤 8，对电路板布局不断进行修改优化，直到 PCB 的规则检查没有警告、错误，电路板元件布局思路清晰，布线方式正确合理。

10. 对工程文件进行保存，完成整个硬件设计流程。

五、 实验结果1.整体电路原理图如图2.PCB 图如下图（手动放置元件位置，自动布线）：六、 实验总结硬件是设计的基础，认真学习掌握硬件设计的原理有助于更好的在软件 层面进行设计。

同时一个正确标准的项目设计方案，方便设计人员阅读的同 时，可以更高效的实现加工。

将理论上的电路原理图真真实实的做成了可以加工生产的电路板， 又一 次真切的感受到了理论与实际的联系。

电路图不再仅仅是停留在纸面和考试中 的分析对象，更是可以加工成为电路板，是设计实现实际功能的基础。

布线过程中， 看着元件之间密密麻麻的线路，也深切体会到优秀的设计对 于实际生产的重要性，对于实现的难易程度，容错能力，产品性能等多方面都 有着重大的影响。

这就要求设计人员，不仅仅是能够实现产品的功能，而是尽 可能将设计做到最好。

这也对我们学习提出了更高的要求，做一件事情不难， 难的是做好一件事情。

实验二、按键灭灯软件程序设计 一． 实验目的和任务要求根据规则要求实现按键灭灯小游戏的基本功能， 演示游戏过程并计算显示最 终游戏结果。

规则： 1. LED 灯随机地出现；每次闪一个灯； 2. 在 1s 内按键可以把灯灭掉； 3. 超时没按键或按错键，则灯换一个位置； 4. 每灭一个灯，马上会闪亮另外一个灯； 5. 计算 10 次灯的分数。

比如 按错一次 -5；超时一次-3；及时灭一次 +1-3 分。

使用 timer 来计时比较准确。

显示结果。

二． 实验设备及软件开发环境1. 单片机平台：AVR ATmega128 实验开发板； 2. 开发环境平台： 计算机，Windows XP 操作系统，软件开发平台：AVR Studio 4.16 集成开 发软件；WinAVR(GCC) 20080610 C 语言编译器； 下载编程工具：JTAGICE mkII 在线仿真器；三． 实验的电路原理1.LED 指示灯的硬件电路连接如下图所示。

2.数码管硬件电路连接如下图所示。

3.矩阵键盘硬件电路连接如图 6-1 所示。

按键灭灯程序由以上三大部分构成，将 led 灯与键盘按键编码对应起来，实现按键对 led 灯的控制，最后将总得分显示在数码管上。

软件设计的难度不大，主要在于 led 灯与键盘按键端口的对应。

四． 软件设计及关键过程分析软件设计流程图 游戏开始： 蜂鸣器提示PORTE |= (1 << PE3); 使 PA3 输出高电平，使蜂鸣器鸣叫 延迟一段时间之后关闭蜂鸣器设置中断计时器的 参数，计时时间 1s中断计时函数 SIGNAL(SIG_OUTPUT_COMPARE1A)执行换灯程序 switchLed（） No 亮灯计数 count<10Yes调用函数 ledkeepping(){ PORTB = ~random[number]; }执行亮灯程序有无按键按下No中断计时 1s，进入中断函数 grade=grade+2;Yes按键是否正确No按键不正确，不加分 grade=grade+0;Yes按键正确加分 grade=grade+5;游戏结束 显示游戏总得分 grade数码管显示 PORTB = code[calculate()(number)]; 其中，calculate 函数计算相应位码显示得分五． 程序运行结果1.根据随机数组 random[10]使得 led 灯“随机”亮起2.十次亮灯结束，数码管显示总得分六． 实验总结软件编程设计的难度不大，关键在于如何使得 led 灯与键盘按键端口对应， 并实现按键正确时将对应的 led 灯“灭掉”。

具体实现时，采取当按键正确就切 换到下一个随机 led 灯， 而不是去改变按键对应的 led 灯的端口值，一定程度上 使得问题简化。

程序采用将学过的知识模块联合， 主要由 led 灯， 键盘， 数码管三部分构成。

实验中也发现了一些问题： 当按键时间过长时，可能使得下一个 led 灯亮时也判断到了该按键已经按 下，错误的记录下该按键，得分记录不准确。

处理思路： 当下一个 led 灯亮起， 且判断到有按键按下时， 判断按键是否与之前按键编 码相同，如果不同，则为一次独立的按键；如果相同，则为上一个 led 灯的延迟 按键，需重新对键盘进行一次 scan。

附录 1 软件源代码#include <avr/io.h> #include <util/delay.h> #include <stdio.h> #include <avr/signal.h> #include "digitron.h" #define LINE1_SCAN() PORTC = (PORTC | _BV(PC7)) & ~_BV(PC6) #define MASK 0xFF #include "led.h" uint8_t code[10] = { 0xC0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8, 0x80,0x90 }; uint8_t random[11] = { 0x01,0x04,0x02,0x10,0x40,0x80,0x02,0x08, 0x80,0x20,0x40 }; uint8_t led_sel=0x01; int number=1,grade=0,count=0; int com = 1; void system_init() //系统初始化 { //关闭 8 个 LED 灯 DDRB = 0xff; //设置 PB 端口为输出 DDRC |= _BV(PC5); //设置 PC5 为输出 PORTC |= _BV(PC5); //置 PC5 为高电平，使能 led 锁存 PORTB = 0xff; PORTB = PB_MASK; DDRB = PB_MASK; PORTC |= _BV(LED_CS); DDRC |= _BV(LED_CS); //关闭数码管显示 DDRG |= _BV(PG3); //设置 PG3 为输出，PG3 控制数码管的位选择锁存器； DDRG |= _BV(PG4); //设置 PG4 为输出，PG4 控制数码管的段码锁存器； PORTG |= _BV(PG3); //使能数码管位选择锁存器 PORTG &= ~_BV(PG4); PORTB = 0x00; //关闭字型码锁存器 DDRB = 0xff; //设置端口 PB 为输出 //送数码管位码 //关闭 8 个 led 灯 PORTC &= ~_BV(PC5); //PC5 置低，关闭 led 锁存器器PORTG &= ~_BV(PG3); //关闭数码管位选择锁存器PORTG |= _BV(PG4); //使能段码锁存器PORTB = 0xff; //送段码PORTG &= ~_BV(PG4); //关闭段码锁存器//关闭蜂鸣器DDRE |= _BV(PE3);PORTE |= _BV(PE3); //喇叭电路断开，喇叭停止鸣响}void DIG_Init(){PORTB = ~PB_MASK;DDRB = PB_MASK;PORTG &= 0x00;DDRG |= _BV(DIG_CS1) | _BV(DIG_CS2);}void KP_Init(){// CHIP_Init();系统端口初始化DDRB = 0xFF;DDRC = 0xFF;DDRD = 0xFF;DDRE = 0xFF;DDRF = 0xFF;DDRG = 0xFF;PORTD = 0x00;PORTE = 0x08;PORTF = 0x00;PORTC |= 0x20;PORTB = 0xFF;PORTC = 0x02;PORTG |= 0x18;PORTB = 0x00;PORTG = 0x00;// 键盘端口初始化PORTC &= 0x3F;DDRC |= 0xC0;PORTB = 0xFF;DDRB = 0x00;uint8_t KP_read(){_delay_ms(10);asm("nop");uint8_t read = PINB;return read;}uint8_t KP_scan(){uint8_t code = MASK;uint8_t key = MASK;//scan the first lineLINE1_SCAN();LINE1_SCAN();code = KP_read();if(code != MASK){_delay_ms(10);code = KP_read();if(code != MASK){switch(code){case 0xFE:key = 0x01;break; case 0xFD:key = 0x02;break; case 0xFB:key = 0x04;break; case 0xF7:key = 0x08;break; case 0xEF:key = 0x10;break; case 0xDF:key = 0x20;break; case 0xBF:key = 0x40;break; case 0x7F:key = 0x80;break; }}}//if no key is pressed, return 0x00 return key;}void LED_Init(){PORTB = PB_MASK;DDRB = PB_MASK;PORTC |= _BV(LED_CS);DDRC |= _BV(LED_CS);}int calculate(int number){switch (number){case 0:return grade/10;break;case 1:return grade%10;break;default:return 10;}}//亮灯程序不变k；void ledkeepping(){LED_Init();PORTB = ~random[number];_delay_ms(5);}//亮灯程序void switchLed(){TCNT1H = 0x00; //T/C1计数值清零 TCNT1L = 0x00;LED_Init();PORTB = ~random[number];number=number+1;count=count+1;_delay_ms(5);if(number==10){number=1;}if(count>10){TCCR1B = 0x00;}}//中断程序SIGNAL(SIG_OUTPUT_COMPARE1A){TCNT1H = 0x00; //T/C1计数值清零TCNT1L = 0x00;grade=grade+2;switchLed();}void DIG_Dispaly();{com=1;for(number = 0; number < 2; number++){PORTG |= _BV(DIG_CS2);PORTG &= ~_BV(DIG_CS1);PORTB = code[calculate()(number)];PORTG |= _BV(DIG_CS1);PORTG &= ~_BV(DIG_CS2);PORTB = com;com *= 2;PORTG &= ~_BV(DIG_CS1);PORTG &= ~_BV(DIG_CS2);_delay_ms(2);}}int main(void){system_init(); //系统初始化PORTE |= (1 << PE3); //使PA3输出高电平，使蜂鸣器鸣叫_delay_ms(100);_delay_ms(100);PORTE |= (1 << PE3); //使PA3输出高电平，使蜂鸣器不响TCCR1B = 0x00; //中断控制寄存器清零，停止T/Cl计数OCR1AH = 0xAA; //设置8MHz、256分频、定时1s的比较值，OCR1AL = 0x12; //与TCNTl的计数值进行比较，若匹配产生中断 TCCR1A = 0x00; //T/C1普通端口模式TCCR1B = 0x04; //启动定时器T/C1，256分频TIMSK |= 0x10; //使能C/Tl比较匹配中断sei(); //允许全局中断while(1){if(count<10){KP_Init();uint8_t led_press,led_temp;led_press=KP_scan();ledkeepping();KP_Init();led_temp=KP_scan();if(led_press!=MASK){if(led_press!=led_temp){if(led_press==random[number]) {grade=grade+5;}else{grade=grade+0;}switchLed();_delay_ms(5);}}else{ledkeepping();_delay_ms(1);}}else{DIG_Init();//数码管初始化DIG_Dispaly();//数码管显示得分}}}。