单片机最小系统电路板设计

江西机电职业技术学院 电子 CAD 实训报告 班 级 姓 名 实训地点：实验楼 电气系专业机房 指导教师： 2013 年 5 月 实训课题 单片机最小系统电路设计 一、实训目的 1、熟悉 Protel DXP 的操作 2、掌握用 Protel DXP 绘制原理图的方法 3、掌握用 Protel DXP 制作 PCB 板的方法 二、实训要求 利用 protel DXP 软件完成单片机最小系统的 PCB 板的设计。 三、实训内容 1、元件符号及封装编辑。 2、原理图绘制。 3、PCB 板。 4、DRC 报告。 四、报告内容、设计数据及附图 1、电路原理基本分析。 2、电路模块功能的介绍。 （电源模块、单片机最小系统：复位电路、 晶振电路（离 X1，X2 引脚近些，否则不易起振） 、P1 口 LED 电路） （1）电源供电模块 图 4.1.1 电源模块电路图 对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的 稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是 在实际用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，单片机更容易受到干扰 而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳 定可靠的电源供电模块。 此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的 USB 口供给，也可使用外部稳定的 5V 电源供电模块供给。电源电路中接入了电源指示 LED ，图中 R11 为 LED 的限流电阻。S1 为电源开关。 来源：/view/88152227192e45361066f53d.html （2 ）复位电路 图 4.1.2 复位电路图 复位电路:由电容串联电阻构成,由图并结合“电容电压不能突变“的性质,可以知道,当系统 一上电,RST 脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的 RC 值来决定.典型的 单片机当 RST 脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合 RC 的取值就可以 保证可靠的复位. 一般教科书推荐 C 取 10u,R 取 8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让 RC 组合可以在 RST 脚上产生不少于 2 个机周期的高电平. 复位电路的用途 单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机， 按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受 到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。 复位电路的工作原理： 在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果 释放后再按下，系统还会复位。所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复 位。 在电路图中，电容的的大小是 10uF，电阻的大小是 10k。所以根据公式，可以算出电容充 电到电源电压的 0.7 倍（单片机的电源是 5V，所以充电到 0.7 倍即为 3.5V） ，需要的时间 是 10K*10UF=0.1S。 也就是说在电脑启动的 0.1S 内，电容两端的电压时在 03.5V 增加。这个时候 10K 电阻两 端的电压为从 51.5V 减少（串联电路各处电压之和为总电压） 。所以在 0.1S 内，RST 引脚 所接收到的电压是 5V1.5V。在 5V 正常工作的 51 单片机中小于 1.5V 的电压信号为低电平信号，而大于 1.5V 的电压信号 为高电平 信号。所以在开机 0.1S 内，单片机系统自动复位（RST 引脚接收到的高电平信 号时间为 0.1S 左右） 。 在单片机启动 0.1S 后，电容 C 两端的电压持续充电为 5V，这是时候 10k 电阻两端的电压 接近于 0V，RST 处于低电平所以系统正常工作。 当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在 按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。 随着时间的推移，电容的电压在 0.1S 内，从 5V 释放到变为了 1.5V，甚至更小。根据串联 电路电压为各处之和，这个时候 10K 电阻两端的电压为 3.5V，甚至更大，所以 RST 引脚又 接收到高电平。单片机系统自动复位。 总结： 1、复位电路的原理是单片机 RST 引脚接收到 2US 以上的电平信号，要保证电容的充放电时 间大于 2US，即可实现复位，所以电路中的电容值是可以改变的。 2、按键按下系统复位，是电容处于一个短路电路中，释放了所有的电能，电阻两端的电压 增加引起的。 来源： /view/0579449d51e79b8968022616.html （3）单片机晶振电路原理及作用 在设计时钟电路之前，让我们先了解下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。 单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单 片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机 运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。 在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些 晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO） 。晶振用一种能把 电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。 单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部 分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保 持同步。 晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同 频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。 下面我就具体的介绍一下晶振的作用以及原理，晶振一般采用如图 1a 的电容三端式(考毕 兹) 交流等效振荡电路；实际的晶振交流等效电路如图 1b，其中 Cv 是用来调节振荡频率， 一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现，这也是压控作用的机理；把晶体的等效电 路代替晶体后如图 1c。其中 Co，C1，L1，RR 是晶体的等效电路。 分析整个振荡槽路可知，利用 Cv 来改变频率是有限的：决定振荡频率的整个槽路电容 C=Cbe,Cce,Cv 三个电容串联后和 Co 并联再和 C1 串联。可以看出：C1 越小，Co 越大，Cv 变化时对整个槽路电容的作用就越小。因而能“压控”的频率范围也越小。实际上，由于 C1 很小(1E-15 量级)，Co 不能忽略(1E-12 量级，几 PF)。所以，Cv 变大时，降低槽路频率 的作用越来越小，Cv 变小时，升高槽路频率的作用却越来越大。这一方面引起压控特性的 非线性，压控范围越大，非线性就越厉害；另一方面，分给振荡的反馈电压(Cbe 上的电压)却 越来越小，最后导致停振。通过晶振的原理图你应该大致了解了晶振的作用以及工作过程 了吧。采用泛音次数越高的晶振，其等效电容 C1 就越小；因此频率的变化范围也就越小。 微控制器的时钟源可以分为两类：基于机械谐振器件的时钟源，如晶振、陶瓷谐振槽路； RC（电阻、电容）振荡器。一种是皮尔斯振荡器配置，适用于晶振和陶瓷谐振槽路。另一 种为简单的分立 RC 振荡器。 用万用表测量晶体振荡器是否工作的方法：测量两个引脚电压是否是芯片工作电压的一半， 比如工作电压是 51 单片机的+5V 则是否是 2.5V 左右。另外如果用镊子碰晶体另外一个脚， 这个电压有明显变化，证明是起振了的。 晶振的类型有 SMD 和 DIP 型，即贴片和插脚型 。 来源： /view/b649962ccfc789eb172dc84a.html （4）发光二极管指示电路 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 1.7V2.4V，蓝或白颜色的 LED 工作电压为 2.74.2V， 直径为 3mm LED 的 工作电流 2mA10mA。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 A 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 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 2mA10mA。 （5）ISP 在线编程电路 ISP（In-System Programming）在系统可编程，指电路板上的空白器件可以编程写入最终 用户代码， 而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用 ISP 方式擦除或再编 程。无论在单片机上，还是在 CPLD/FPGA 上都得到了广泛的应用，ISP 技术是未来发展方 向！ 传统的编程方式，以单片机应用系统开发为例，如果想要对单片机进行写入程序，必须 要先把单片机从电路板上取下来，然后用编程器进行编程烧写，写入程序后再次插入电路 板调试，如果产品的单片机已经焊接到电路板上，想要进行程序升级，那么要拆单片机下 来就很困难了。可以看出，这种传统的开发方式有以下缺点： 1）需要频繁地拔插单片机芯片，很容易造成芯片引脚折断，损坏芯片（当然采用了零拔 插力 ZIF 插座的实验板除外） 2）如果单片机学习开发，那么需要频繁的刷新程序，就必须重复地拔插芯片，大大降低 了开发效率 3）开发产品的可维护性低 ISP 在系统可编程技术彻底地改变了传统的开发模式，它只要在设计时电路板上预留一 个标准的 ISP 接口，配合 ISP 下载电缆，就可以不用拔出芯片，在电路板上就可以对芯片 进行编程配置，对比传统的开发系统，有以下优势： 1）工程师在开发产品时彻底告别频繁拔插芯片的烦恼，避免频繁拔插损坏芯片的引脚 2）ISP 技术可以加速产品的上市并降低开发成本 3）ISP 技术帮助工程师缩短从设计、生产到现场调试、简化生产流程并采用经证实更有 效的方式进行现场升级和产品维护，大大提高了工作效率 4）在试验新品或学习试验等经常需要用不同的程序调试芯片的场合中，在线编程技术尤 为重要，实用。 3、电路图 4、元件清单 Report Generated From DXP Designat or LibRef Description Footprin t Comment C1 Cap Pol1 Polarized Capacitor (Radial) RB.1/.2 Cap Pol1 C2 Cap Capacito r RAD-0.2 Cap C3 Cap Capacito r RAD-0.2 Cap C4 Cap Capacito r RAD-0.2 Cap C5 Cap Pol1 Polarized Capacitor (Radial) RB.2/.4 Cap Pol1 JP1 Header 6 Header, 6-Pin HDR1X6 Header 6 JP2 Header 2 Header, 2-Pin HDR1X2 Header 2 JP3 Connector 40 Plug Assembly, 40-Pin Connector HDR2X20 Connector 40 R1 Res2 Resistor AXIAL- 0.3 Res2 R2 Res2 Resistor AXIAL- 0.3 Res2 S1 SW-PB Switch SPST-2 SW-PB U1 DS83C520-MCL DIP40 DS83C520-MCL VD1 LED1 Typical RED GaAs LED LED1 LED1 VD2 Diode Default Diode AXIAL- 0.3 Diode Y1 XTAL Crystal Oscillator BCY-W2/D3.1 XTAL 五月 14, 2013 10:11:31 PM Page 1 of 1 5、PCB 电路板元器件布局的一般原则: 设计人员在 PCB 电路板布局过程中需要遵循的一般原则如下。 （1）元器件最好单面放置。如果需要双面放置元器件，在底层（Bottom Layer）放置 插针式元器件， ）元器件最好单面放置。 就有可能造成电路板不易安放，也不利于焊接， 所以在底层（Bottom Layer）最好只放置贴片元器 在底层（ 在底层 ） 件，类似常见的 计算机显卡 PCB 板上的元器件布置方法。单面放置时只需在电路板的一个面上做丝 印层， 便于降低成本。 （2）合理安排接口元器件的位置和方向。一般来说，作为电路板和外界（电源、信号 线）连接的连 一般来说，作为电路板和外界（电源、信号线） 一般来说 接器元器件， 通常布置在电路板的边缘， 如串口和并口。 如果放置在电路板的中央， 显然不利于接线， 接器元器件， 通常布置在电路板的边缘， 如串口和并口。 也有可能因为其他元器件的阻碍而无法连接。另外在放置接口时要注意接口的方向， 使得连接线可以 另外在放置接口时要注意接口的方向， 另外在放置接口时要注意接口的 方向 顺利地引出，远离电路板。 顺利地引出，远离电路板。接口放置完毕后，应当利用 接口元器件的 String（字符串）清晰地标明接 口的种类；对于电源类接口，应当标明电 压等级，防止因接线错误导致电路板烧毁。 对于电源类接口，应当标明电压等级，防止因 接线错误导致电路板烧毁。 对于电源类接口 （3）高压元器件和低压元器件之间最好要有较宽的电气隔离带。也就是说不要将电压 等级相差很大 ）高压元器件和低压元器件之间最好要有较宽的电气隔离带。 不要将电压 等级相差很大 的元器件摆放在一起， 的元器件摆放在一起，这样既有利于电气绝缘，对 信号的隔离和抗干扰也有很大好处。 局思想。 （4）电气连接关系密切的元器件最好放置在一起。这就是模块化的布局思 想。 ）电气连接关系密切的元器件最好放置在一起。这就是模块化的布局思想 （5）对于易产生噪声的元器件，例如时钟发生器和晶振等高频器件，在放置的时候应 当尽量把它们 ）对于易产生噪声的元器件，例如时钟发生器和晶振等高频器件， 的时钟 输入端。大电流电路和开关电路也容易产生噪声， 放置在靠近 CPU 的时钟输入端。大电 流电路和开关电路也容易产生噪声，在布局的时候这些元器件 或模块也应该远离逻辑控制 电路和存储电路等高速信号电路， 或模块也应该远离逻辑控制电路和存储电路等高速信号 电路，如果可能的话，尽量采用控制板结合功 率板的方式，利用接口来连接，以提高电路 板整体的抗干扰能力和工作可靠性。 （6）在电源和芯片周围尽量放置去耦电容和滤波电容。去耦电容和滤波电容的布置是 改善电路板电 ）在电源和芯片周围尽量放置去耦电容和滤波电容。 源质量，提高抗干扰 能力的一项重要措施。在实际应用中，印制电路板的走线、引脚连线和接线都有 在实际应 用中，印制电路板的走线、引脚连线和接线都有 在实际应用中 可能带来较大的寄生电感， 导致电源波形和信号波形中出现高频纹波和毛刺， 而在电源和地之间放置 可能带来较大 的寄生电感， 导致电源波形和信号波形中出现高频纹波和毛刺， 一个 0.1 F 的去耦电容 的去耦电容可以有效地滤除这些高频纹波和毛刺。如果电路板上使用的是贴片电容，应该 如果电路板上使用的是贴片电容， 如果电路板上使用的是贴片电容 将贴片电容紧靠元器 件的电源引脚。 将贴片电容紧靠元器件的电源引脚。对于电源转换芯片，或者电源输入端， 最好是布置一个 10 F 或 者更大的电容，以进一步改善电源质量。 （7）元器件的编号应该紧靠元器件的边框布置，大小统一，方向整齐，不与元器件、 过孔和焊盘重 ）元器件的编号应该紧靠元器件的边框布置，大小统一，方向整齐， 叠。 元器件或接插件的第 1 引脚表示方向；正负极的标志应该在 PCB 上明显标出，不允许被 覆盖； 电源变换元器件（ 变换器，线性变换电源和开关电源） 电源变换元器件（如 DC/DC 变换器，线性变换电源和开关电源）旁应该有足够的散热空间和安装空 间，外围留 有足够的焊接空间等。 外围留有足够的焊接空间等。 来源： /view/730a058cec3a87c24028c414.html 6、网络报表： Field=Designator,String,Designator,100|Field=LibRef,String,LibRef,100|Field=Des cription,String,Description,100|Field=Footprint,String,Footprint,100|Field=Comm ent,String,Comment,100 C1|Cap Pol1|Polarized Capacitor (Radial)|RB.1/.2|Cap Pol1 C2|Cap|Capacitor|RAD-0.2|Cap C3|Cap|Capacitor|RAD-0.2|Cap C4|Cap|Capacitor|RAD-0.2|Cap C5|Cap Pol1|Polarized Capacitor (Radial)|RB.2/.4|Cap Pol1 JP1|Header 6|Header, 6-Pin|HDR1X6|Header 6 JP2|Header 2|Header, 2-Pin|HDR1X2|Header 2 JP3|Connector 40|Plug Assembly, 40-Pin Connector|HDR2X20|Connector 40 R1|Res2|Resistor|AXIAL-0.3|Res2 R2|Res2|Resistor|AXIAL-0.3|Res2 S1|SW-PB|Switch|SPST-2|SW-PB U1|DS83C520-MCL|DIP40|DS83C520-MCL VD1|LED1|Typical RED GaAs LED|LED1|LED1 VD2|Diode|Default Diode|AXIAL-0.3|Diode Y1|XTAL|Crystal Oscillator|BCY-W2/D3.1|XTAL 7、PCB 板 五、实训心得 1、设计过程中的一些问题、解决的方法或思考。 由于此软件是英语，所以不太认识指令，有些指令记不清，需要重复的点各个菜单，这样 给我们带来了极大的不便，但是经过几天的强化练习终于知道指令在那个菜单中。希望 EDA 软件能汉化，那就更完美了 。连接原理图的时候要小心不要断点，不然会影响 pcb 的 板的制作。 2、设计的感悟。 EDA 的实训已经过去了，但是这次实训让我学会了很多。原理图的绘制，元器件的绘制， 设置封装还有制作 PCB 板。 在这次实训中我遇到了很多的问题，就说第 3 天遇到的问