单片机小系统PCB的设计Word文档格式.docx
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2.2.8剪切和删除操作16
2.2.9元件的排列和对齐操作17
2.3元件属性的设置17
2.3.1电源与接地属性设置18
2.3.2网络标号属性设置19
2.3.5总线和总线分支线属性设置19
2.3.6放置连接器和注释20
第三章单片机小系统PCB的设计21
3.1PCB设计流程21
3.1.1创建新的PCB文件21
3.1.2将PCB文档添加到设计项目22
3.1.3转换设计22
3.2元件的布局23
3.2.1自动布局23
3.2.2元件对齐23
3.2.3自动布线23
3.2.4覆铜24
3.2.5单片机小系统PCB设计成功后的3D效果图25
3.3文件的打印与输出26
第四章致谢27
第五章参考文献29
摘要
单片机小系统是以51单片机为基础上的拓展，使其能更方便地运用于测试系统中。
单片机小系统电路板在单片机开发市场和大学生电子设计方面十分流行，设计单片机小系统电路板，能够让设计者迅速掌握单片机应用的技术特点与实际要求。
印制电路板技术正在飞速发展，在各个领域得到了广泛应用。
本次设计以此为出发点，首先介绍了单片机小系统的原理和组成部分以及单片机小系统的功能。
以STC89C51为核心，通过ProtelDXP软件对电路完成设计，并在ProtelDXP平台下，以单片机小系统为载体，设计出一个电路原理图以及制成PCB板的过程，并熟悉PCB设计的参数设置，布线规则等内容。
希望大家对单片机小系统有更深层次的认识，也可以对单片机小系统PCB的制作过程有一个更全面的了解。
关键词：
单片机，小系统
Abstract
Smallsingle-chipsystemisbasedona51singlechipmicrocomputertoexpand,sothatitcanmoreeasilyappliedtotestsystem.ChipsystemboardintheMCUdevelopmarketandcollegestudentelectronicdesignisverypopular,thedesignofmicrocontrollersystemcircuitboard,allowingdesignerstoquicklygraspthetechnicalcharacteristicsofMCUapplicationandrequirements.Printedcircuitboardtechnologyisdevelopingrapidly,isappliedwidelyinmanyfields.Thisdesignasastartingpoint,firstintroducedthesmallSCMsystemprincipleandcomponentsaswellassmallSCMsystemfunction.BasedonSTC89C51,ProtelDXPplatformforcircuitdesign,andintheProtelDXPplatform,withsmallSCMsystemasthecarrier,todesignacircuitdiagramandthePCBboardmadeoftheprocess,italsodescribesthePCBdesignparametersetting,thecontentsuchaswiringrules.Ihopeeveryoneonchipsystematadeeperlevelofunderstanding,canalsobeasmallSCMsystemPCBproductionprocesshasamorecomprehensiveunderstandingof.
Keywords:
singlechipmicrocomputer,smallsystem
第一章单片机小系统基础知识
我们在了解单片机小系统之前，必须要先了解什么是单片机。
那么，什么是单片机呢？
单片机有什么用途呢？
单片机是一种集成在电路芯片，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随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（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。
目前单片机技术应用已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。
如导弹的导航装置，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，录像机、摄像机、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、医疗器械以及各种智能机械了。
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。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：
1.在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
2．在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管芯片理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
3．在家用电器中的应用
可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
4．在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
5．单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
6．在各种大型电器中的模块化应用
某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。
如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。
如：
音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。
在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。
7．单片机在汽车设备领域中的应用
单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。
此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
1.1单片机小系统的组成部分及工作原理
在简单了解了什么是单片机之后，然后我们来构建单片机的最小系统，单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：
单片机、时钟电路、复位电路、输入/输出设备等（见图1-1）。
图1-1单片机最小系统框图
单片机小系统电路详解
依据上文的内容，设计51系列单片机最小系统见图1-2。
图1-251系列单片机最小系统
下面就图1-2所示的单片机最小系统各部分电路进行详细说明。
1.时钟电路
在设计时钟电路之前，让我们先了解下51单片机上的时钟管脚：
XTAL1（19脚）：
芯片内部振荡电路输入端。
XTAL2（18脚）：
芯片内部振荡电路输出端。
XTAL1和XTAL2是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。
图2中采用的是内时钟模式，即采用利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。
一般来说晶振可以在1.2～12MHz之间任选，甚至可以达到24MHz或者更高，但是频率越高功耗也就越大。
在本实验套件中采用的11.0592M的石英晶振。
和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。
当采用石英晶振时，电容可以在20～40pF之间选择（本实验套件使用30pF）；
当采用陶瓷谐振器件时，电容要适当地增大一些，在30～50pF之间。
通常选取33pF的陶瓷电容就可以了。
另外值得一提的是如果读者自己在设计单片机系统的印刷电路板（PCB）时，晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少引线的寄生电容，保证振荡器可靠工作。
检测晶振是否起振的方法可以用示波器可以观察到XTAL2输出的十分漂亮的正弦波，也可以使用万用表测量（把挡位打到直流挡，这个时候测得的是有效值）XTAL2和地之间的电压时，可以看到2V左右一点的电压。
2.复位电路
在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。
MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（第9管脚）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。
如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。
复位操作通常有两种基本形式：
上电自动复位和开关复位。
图2中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。
上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET相连，电压全部加在了电阻上，RESET的输入为高，芯片被复位。
随之+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。
并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。
一般来说，只要RST管脚上保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效的复位。
图中所示的复位电阻和电容为经典值，实际制作是可以用同一数量级的电阻和电容代替，读者也可自行计算RC充电时间或在工作环境实际测量，以确保单片机的复位电路可靠。
3.EA/VPP（31脚）的功能和接法
51单片机的EA/VPP（31脚）是内部和外部程序存储器的选择管脚。
当EA保持高电平时，单片机访问内部程序存储器；
当EA保持低电平时，则不管是否有内部程序存储器，只访问外部存储器。
对于现今的绝大部分单片机来说，其内部的程序存储器（一般为flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存储器，而是直接使用内部的存储器。
在本实验套件中，EA管脚接到了VCC上，只使用内部的程序存储器。
这一点一定要注意，很多初学者常常将EA管脚悬空，从而导致程序执行不正常。
4.P0口外接上拉电阻
51单片机的P0端口为开漏输出，内部无上拉电阻（见图1-3）。
所以在当做普通I/O输出数据时，由于V2截止，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号（即高电平）正常输出，必须外接上拉电阻。
图1-3P0端口的1位结构
另外，避免输入时读取数据出错，也需外接上拉电阻。
在这里简要的说下其原因：
在输入状态下，从锁存器和从引脚上读来的信号一般是一致的，但也有例外。
例如，当从内部总线输出低电平后，锁存器Q＝0，Q＝1，场效应管V1开通，端口线呈低电平状态。
此时无论端口线上外接的信号是低电平还是高电平，从引脚读入单片机的信号都是低电平，因而不能正确地读入端口引脚上的信号。
又如，当从内部总线输出高电平后，锁存器Q＝1,Q＝0,场效应管V1截止。
如外接引脚信号为低电平，从引脚上读入的信号就与从锁存器读入的信号不同。
所以当P0口作为通用I/O接口输入使用时，在输入数据前，应先向P0口写“1”，此时锁存器的Q端为“0”，使输出级的两个场效应管V1、V2均截止，引脚处于悬浮状态，才可作高阻输入。
总结来说：
为了能使P0口在输出时能驱动NMOS电路和避免输入时读取数据出错，需外接上拉电阻。
在本实验套件中采用的是外加一个10K排阻。
此外，51单片机在对端口P0—P3的输入操作上，为避免读错，应先向电路中的锁存器写入“1”，使场效应管截止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的干扰。
5.LED驱动电路
细心的读者可能已经发现，在最小系统中，发光二极管（LED）的接法是采取了电源接到二极管正极再经过1K电阻接到单片机I/O口上的（见图4中的接法1）。
为什么这么接呢？
首先我们要知道LED的发光工作条件，不同的LED其额定电压和额定电流不同，一般而言，红或绿颜色的LED的工作电压为1.7V~2.4V，蓝或白颜色的LED工作电压为2.7~4.2V，直径为3mmLED的工作电流2mA~10mA。
在这里采用红色的3mm的LED。
其次，51单片机（如本实验板中所使用的STC89C52单片机）的I/O口作为输出口时，拉电流（向外输出电流）的能力是μA级别，是不足以点亮一个发光二极管的。
而灌电流（往内输入电流）的方式可高达20mA，故采用灌电流的方式驱动发光二极管。
当然，现今的一些增强型单片机，是采用拉电流输出（接法2）的，只要单片机的输出电流能力足够强即可。
另外，图1-4中的电阻为1K阻值，是为了限制电流，让发光二极管的工作电流限定在2mA~10mA。
图1-4LED的接法
1.2单片机小系统具有的功能
（1）具有2位LED数码管显示功能。
（2）具有八路发光二极管显示各种流水灯。
（3）可以完成各种奏乐,报警等发声音类实验。
（4）具有复位功能。
1.3本章小结
本章主要介绍了什么是单片机,单片机小系统在生活中各方面的应用,单片机小系统的工作原理,以及单片机小系统具有的功能。
还详细介绍了单片机小系统是由时钟电路,复位电路,P0口外接上拉电阻,LED驱动电路等部分组成的.这将为我们第二章绘制电路原理图奠定基础。
第二章绘制单片机小系统原理图
通过第一章内容，已经了解了单片机小系统的组成部分，知晓单片机小系统在各方面有非常广泛的应用。
如在智能仪器仪表、工业控制、家用电器、计算机网络和通信领域、医用设备、各种大型电器中的模块和汽车设备领域等各方面的应用。
相信大家对单片机小系统已经很熟悉，并且已经知道单片机小系统在电路中的作用与功能。
大家对如何制作PCB板已经很期待了吧！
那么，在这一章，我们将会以单片机小系统为载体，以ProtelDXP为平台，绘制一个电路原理图。
2.1常规设计流程
真正要绘制出一张合格的原理图，要具备多方面的知识：
不仅要熟悉电路及其原理、元器件的参数及选用，还要熟悉世界各大元器件厂商的升级换代产品，新型元器件的封装，做许多绘图外的具体工作。
在绘制过程中还要进行许多编辑操作，即包括通常的移动、复制、粘贴等编辑，也包括各类元器件的属性编辑，必要时，还要进行自定义元件的操作，此外，系统设置、页面设置、模板设置等软件应用的专业知识对绘原理图也起着重要的作用。
创建项目文件和原理图文件
↓
设置图纸参数
调入元件库
放置各类元器件
进行布局和布线
文件保存和打印输出
图2-1设计原理图的常规流程图
2.2常规设计步骤
2.2.1新建工程项目和原理图文件
绘制原理图之前，一般要先建立一个工程项目，在工程项目中再建立一个原理图文件。
启动ProtelDXP后，新建工程项目和原理图文件的步骤如下：
1、“开始”——>
ProtelDXP——>
File——>
New——>
PCBProject——>
保存。
2、“开始”——>
Schematic——>
执行新建原理图文件操作后，进入默认的Sheel1.SchDoc原理图编辑界面。
然后就可以开始绘制原理图了。
在绘制原理图的过程当中应当注意元器件的选择和摆放。
先后放置单片机，电容，电阻，开关等元器件，放置好后，还应该注意元器件的排列和对齐。
2.2.2图纸页面设置
执行菜单Design|Options命令。
在弹出的文档选项DocumentOptions对话框中，可以进行图纸参数设置。
这里有两个标签，一个是参数Parameters标签，通常是显示页面选项SheetOptions标签，如图2-2示。
图2-2图纸页面设置
2.2.3图纸选项设置
（1）设定图纸方向Orientation。
（2）设定图纸标题栏TitleBlock。
（3）设定显示图纸分度边框ShowReferenceZones。
（4）设定显示图纸边框ShowBorder。
（5）设定显示图纸模板图标信息ShowTemplateGraphics。
（6）设定图纸边框颜色BorderColor。
（7）设定工作区颜色SheetColor。
2.2.4库内元件的查找
ProtelDXP提供了二个常用的电气元器件杂项库（MiscellaneousDevices.IntLib），常用的接插件杂项库（MiscellaneousConnectors.IntLib），常用的元件都能在这两个库内找到。
单击工作窗口右边的Libraries标签，在元件库中查找需要的元件。
可以逐个查看库内元件的有关资料，找到合适的再放置到原理图编辑窗口中；
也可以在关键字栏目中输入元件的分类名字（如LED），在库中按指定的关键字快速查找，如图2-3所示。
图2-3库内元件查找
2.2.5元件的选择依据和布局原则
选择的依据大致有以下几点：
（1）阅读习惯。
（2）在同一张原理图中，各种元件要选用同一类型模式，以保证风格的统一。
（3）要结合产品的生产、PCB板的设计要求，考虑其电气参数和封装形式进行选择；
布局大致要考虑以下几个原则：
（1）按输入信号从左向右分布元件，输出端在最右边；
（2）单电源在上，地线在下，双电源正极在上，负极在下；
（3）元件编号按电路功能模块编号，在简单的电路中也可以按上下左右顺序编号；
（4）元件在图纸中的摆放要分布均匀，排列整齐；
（5）元件的编号标注，参数及单位要符合行业规则。
2.2.6原理图工具栏
在原理图编辑器中有许多工具栏，执行菜单命令View|Toolbars可以选择显示各类工具栏，值得指出的是，利用ProtelDXP提供图形工具栏（Drawing）中的画线工具除了可以自定义元件以外还可以画出各种图形，如图2-4所示。
图2-4利用图形工具栏画图
2.2.7、选取和取消操作
1、单个元件和多个元件的选取
单击要选取的对象，可以选中一个对象，再次单击另一个对象，结果是选中后一个而前一个被取消，如图2-5所示。
2、选中元件的取消
提示：
除了使用鼠标以外，选中和取消操作可以通过菜单命令Edit|Deselect下的子菜单进行。
图2-5单击选中一个元件
2.2.8剪切和删除操作
1、剪切和粘贴操作
首先选中要剪切的一个或多个对象，执行菜单命令Edit|Cut，再用鼠标点中被选取的对象，就能将其剪切掉（类似的，使用快捷键E/T或者使用快捷键Shift/Delete也相当于执行菜单命令Edit|Cut）。
2、删除操作
先选中要删除的一个或多个对象后，按Delete键就能删除所选定的对象。
使用快捷键E/D后，出现十字光标，每指向一个对象单击鼠标左键都可以将其删除，直至右击鼠标取消删除操作。
2.2.9元件的排列和对齐操作
在对原理图的编辑过程中，除了对元件和线段进行选中、移动、旋转、反转等编辑以外，ProtelDXP提供了一系列用于元件排列和对齐的命令，通过菜单命令Edit|Align下的各个子命令来完成（菜单的右边为其快捷键方式），如图2-6所示。
图2-6元件对齐的菜单命令
2.3元件属性的设置
在元件位置调整完成之后，元件的名字标号等属性是直接从元件库中带过来的，为了适应当前设计的原理图的需要，必须对元件属性（ComponentProperties）重新进行设置，这是ProtelDXP绘图过程中相当重要的一环，涉及到元件的序号、封装形式（Footprint）、管脚定义及元件的技术参数等等。
在放置元件时按Tab键弹出元件属性对话框ComponentProperties，如图2-7所示。
图2-7元件属性的设置
2.3.1电源与接地属性设置
LocationXY符号的位置坐标；
Orientation电源、接地符号的放置方向，有00、900、1800、2700等四种选择；
Net网络标号，设定该符号所具有的电气连接点名称，如GND，Vcc等；
Color电源、接地符号的颜色；
Style电源端口的电气特性。
当鼠标移到该选项右边时，出现一个下拉箭头，单击该下拉箭头，弹出七种不同的选项。
2.3.2端口属性的设置
设置电路端口的属性，用鼠标左键双击已经放置好的电路端口，打开端口属性对话框，如图2-8所示。
在该对话框中对端口的属性进行设置，如：
设置端口的名称，外形，电气特性等，在这些属性设置完成后，单击OK按钮进行确认。
图2-8端口属性对话框
2.3.3网络标号属性设置
除了通过画导线来进行电气连接之外，网络标号（NetLabel）也具有电气连接特性。
所谓网络标号，就是电气接点，其用途是将两个或两个以上没有相互连接的网络，通过命名为同一网络标号的方
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