毕业设计（论文）-单片机系统电路的PCB设计.doc

兰州交通大学毕业设计（论文） I 摘摘 要要 单片机最小系统，无论对单片机初学人员还是开发人员都具有十分重要的 意义，初学人员可以利用最小系统逐渐了解单片机的设计原理与功能，开发人 员可以进行编程实现工业控制。单片机最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，设计单片机最小系统电路板，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，结合单片机最小系统的基本原理，以 STC89C51 为核心，在 Protel 99SE 平台下从对电路进行设计，并在 Protel 99 SE 平台下对单片机最 小系统进行了详细的原理图设计以及 PCB 设计。首先根据电路原理从 AD、DA、 复位、晶振几个模块对电路进行设计，最后综合所有模块进行 PCB 设计，并介 绍了 PCB 设计的参数设置，布线规则。利用 PROTEL 电路设计软件进行原理图设 计，PCB 布线，借此巩固单片机应用、模拟电路、数字电路课程及学会工程软 件 PROTEL 的使用。 关键字关键字：PROTEL 99SE；印制电路板；最小系统；STC89C51 兰州交通大学毕业设计（论文） II Abstract MCU minimum system, its of great significance for both MCU beginner or developer. Beginners can take advantage of getting to know the minimum system design principles and function of MCU，developers can use minimum system to program for industrial control. MCU minimum system board are very popular in the MCU develop market and college students electronic design. Design of MCU, allowing designers to quickly grasp the technical characteristics of MCU application and the actual requirements. Printed circuit board technology is developing by leaps and bounds, it has got the extensive application in various fields. This design set it as a starting point, combining the basic principles of MCU minimum system, to the core of STC89C51, we design the circuit In Protel 99SE platform, meanwhile we give the circuit a detailed schematic design and PCB design In Protel 99SE platform. First, we design the circuit from the AD, DA, reset, crystal oscillator of several modules under the circuit principles, finally we synthesize all the modules for PCB design, and we simply introduce the parameter settings, routing rules. Using Protel software to design schematic circuit diagram, PCB routing, we can consolidate the MCU applications, analog circuits, digital circuits course and learn to use engineering software PROTEL. Key words: printed circuit board ;PROTEL 99SE; minimum system;STC89C51 兰州交通大学毕业设计（论文） III 目目 录录 1.1. 绪论绪论.1 1.1 课题研究的背景和意义.1 1.2 课题主要内容.2 2.2. 印制电路板（印制电路板（PCBPCB）.3 2.1 PCB 板分类.3 2.2 PCB 制作工艺.3 3 3 开发平台开发平台 PROTELPROTEL.5 3.1 PROTEL99SE 介绍.5 3.2 PROTEL 设计方法.6 4.4. 单片机最小系统原理图设计单片机最小系统原理图设计.9 4.1 原理图设计的一般流程.9 4.2 单片机最小系统电路系统框图.11 4.3 层次原理图的设计.11 4.4 单片机最小系统各模块.13 4.5 单片机最小系统电路总原理图.20 5.5. 单片机最小系统电路单片机最小系统电路 PCBPCB 设计设计.22 5.1 PCB 设计的一般流程.22 5.2 重要概念.24 5.3 配置 PCB 设计环境.24 5.4 设计中遇到的问题与解决方案.32 5.5 由原理图生成 PCB.33 5.6 单片机最小系统电路的 PCB.36 结结 论论.40 致致 谢谢.41 参考参考文文献献.42 兰州交通大学毕业设计（论文） 1 1.1. 绪论绪论 1.11.1 课题研究的背景和意义课题研究的背景和意义 PCB 是英文(Printed Circuie Board)印制线路板的简称。通常把在绝缘材 上，按预定设计，制成印制线路、印制元件或两者组合而成的导电图形称为印 制电路。而在绝缘材料上提供元器件之间电气连接的导电图形，称为印制线路。 这样就把印制电路或印制线路的成品板称为印制线路板，亦称为印制板或印制 电路板。 PCB 印制板在日常生活中的电子设备几乎都离不开它，小到电子手表、计算 器、通用电脑，大到计算机、通迅电子设备、军用武器系统，只要有集成电路 等电子无器件，它们之间电气互连都要用到 PCB。它提供集成电路等各种电子 元器件固定装配的机械支撑、实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电 气连接或电绝缘、提供所要求的电气特性，如特性阻抗等。同时为自动锡焊提 供阻焊图形；为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。 目前，全球 PCB 产业产值占电子元件产业总产值的四分之一以上，是各个 电子元件细分产业中比重最大的产业，产业规模达 400 亿美元。同时，由于其 在电子基础产业中的独特地位，已经成为当代电子元件业中最活跃的产业， 2003 和 2004 年，全球 PCB 产值分别是 344 亿美元和 401 亿美元，同比增长率 分别为 5.27%和 16.47%。 我国的 PCB 研制工作始于 1956 年，1963-1978 年，逐步扩大形成 PCB 产业。 改革开放后 20 多年，由于引进国外先进技术和设备，单面板、双面板和多层板 均获得快速发展，国内 PCB 产业由小到大逐步发展起来。2002 年，成为第三大 PCB 产出国。2003 年，PCB 产值和进出口额均超过 60 亿美元，成为世界第二大 PCB 产出国。我国 PCB 产业近年来保持着 20%左右的高速增长，成为全球 PCB 产 值最大和技术发展最活跃的国家。 从产量构成来看，中国 PCB 产业的主要产品已经由单面板、双面板转向多 层板，而且正在从 46 层向 68 层以上提升。随着多层板、HDI 板、柔性板 的快速增长，我国的 PCB 产业结构正在逐步得到优化和改善。 高速度发展的我国 PCB 行业应向生产自动化、精密度、多功能、现代化设 备方向发展。近年来,我国 PCB 工业每 年以 15以上的高速度发展,已跨进世 界 PCB 大国之列。伴随着印制电路产品发展,要求有新的材料、新的工艺技术和 兰州交通大学毕业设计（论文） 2 新的设备。我国印制电器材料工业在扩大产量的同时,更要注重于提高性能和质 量;印制电路专用设备工业不再是低水平的仿造,而是向生产自动化、精密度、 多功能、现代化设备发展。PCB 生产集世界高新科技于一体, 印制电路生产技 术会采用液态感光成像、直接电镀、脉冲电镀、积层多层板等新工艺。在生产 过程中还必须更加重视可持续性发展, 减少“三废”的产生。在未来,由于新材 料、新设备和新工艺的采用,将实现印制电路板生产的低成本、高效率、少污染、 高品质的目标。我国内地 PCB 生产企业目前分布如下：东北 3,华北 12,西 北 3,西南 9, 华东 27,华南 42,中南 4。PCB 材料企业分布情况则是： 东北 8,华北 18,西北 3,西南 7,华东 33,华南 25,中南 6。近几 年,我国在 PCB 的产量、产值方面,合资企业尤其是外商独资企业的比重越来越 大。另一方面,占国内 PCB 工业很大比例的国有企业、民营企业,无论在生产规 模、技术水平,还是在管理水平等方面,与先进的 PCB 国家和地区相比,还有相 当的差距。即使在国内,与合资企业尤其是外商独资企业相比,其经营状态也是 十分严峻的。生产设备、检测手段、计算机管理、员工技术掌握和市场竞争意 识上都存在着很大的不平衡。这些不平衡的产生,一是源于我国老企业的体制和 发展历史;二是新老企业受政 策影响不同;三是基础工业的落后,其专用设备制 造和原辅材料,尤其是辅料、化工材料方面的差距日显突出。 然而，虽然我国 PCB 产业取得长足进步，但目前与先进国家相比还有较大差 距，未来仍有很大的改进和提升空间。首先，我国进入 PCB 行业较晚，没有专 门的 PCB 研发机构，在一些新型技术研发能力上与国外厂商有较大差距。其次， 从产品结构上来看，仍然以中、低层板生产为主，虽然 FPC、HDI 等增长很快， 但由于基数小，所占比例仍然不高。再次，我国 PCB 生产设备大部分依赖进口， 部分核心原材料也只能依靠进口，产业链的不完整也阻碍了国内 PCB 系列企业 的发展脚步。 1.21.2 课题主要内容课题主要内容 本篇论文首先对单片机最小系统电路的原理进行分析，然后在 Protel99 SE 的平台下分别对电路的各个模块进行设计，得到电路的总原理图，然后进一 步产生设计 PCB 必备的网络表，再对电路的 PCB 部分进行设计，还对 Protel99 SE 各项常用的环境参数与变量的重要性进行了阐述。 兰州交通大学毕业设计（论文） 3 2.2. 印制电路板（印制电路板（PCBPCB） 2.12.1 PCBPCB 板分类板分类 PCB 版有以下三种主要的划分类型： 单面板（Single-Sided Boards）在最基本的 PCB 上，零件集中在其中 一面，导线则集中在另一面上。因为导线只出现在其中一面，所以这种 PCB 叫 作单面板（Single-sided） 。因为单面板在设计线路上有许多严格的限制（因为 只有一面，布线间不能交叉而必须绕独自的路径） ，所以只有早期的电路才使用 这类的板子。 双面板（Double-Sided Boards）这种电路板的两面都有布线，不过要 用上两面的导线，必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的“桥 梁”叫做导孔（via） 。导孔是在 PCB 上，充满或涂上金属的小洞，它可以与两 面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍，而且因为布线可以互 相交错（可以绕到另一面） ，它更适合用在比单面板更复杂的电路上 多层板（Multi-Layer Boards）为了增加可以布线的面积，多层板用上 了更多单或双面的布线板。用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作 内层、二块单面作外层的印刷线路板，通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一 起且导电图形按设计要求进行互连的印刷线路板就成为四层、六层印刷电路板 了，也称为多层印刷线路板。板子的层数就代表了有几层独立的布线层，通常 层数都是偶数，并且包含最外侧的两层。大部分的主机板都是 4 到 8 层的结构， 不过技术上理论可以做到近 100 层的 PCB 板。大型的超级计算机大多使用相当 多层的主机板，不过因为这类计算机已经可以用许多普通计算机的集群代替， 超多层板已经渐渐不被使用了。因为 PCB 中的各层都紧密的结合，一般不太容 易看出实际数目，不过如果仔细观察主机板，还是可以看出来。 2 2. .2 2 P PC CB B 制制作作工工艺艺 PCB 是如何制造出来的呢？我们打开通用电脑的健盘就能看到一张软性薄 膜（挠性的绝缘基材） ，印上有银白色（银浆）的导电图形与健位图形。因为通 用丝网漏印方法得到这种图形，所以我们称这种印制线路板为挠性银浆印制线 路板。而我们去电脑城看到的各种电脑主机板、显卡、网卡、调制解调器、声 卡及家用电器上的印制电路板就不同了。它所用的基材是由纸基（常用于单面） 或玻璃布基（常用于双面及多层） ，预浸酚醛或环氧树脂，表层一面或两面粘上 兰州交通大学毕业设计（论文） 4 覆铜簿再层压固化而成。这种线路板覆铜簿板材，我们就称它为刚性板。再制 成印制线路板，我们就称它为刚性印制线路板。单面有印制线路图形我们称单 面印制线路板，双面有印制线路图形，再通过孔的金属化进行双面互连形成的 印制线路板，我们就称其为双面板。如果用一块双面作内层、二块单面作外层 或二块双面作内层、二块单面作外层的印制线路板，通过定位系统及绝缘粘结 材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印制线路板就成为四层、六 层印制电路板了，也称为多层印制线路板。 单面刚性印制板：单面覆铜板下料（刷洗、干燥）钻孔或冲孔 网印线路抗蚀刻图形或使用干膜固化检查修板蚀刻铜去抗蚀印料、干燥 刷洗、干燥网印阻焊图形（常用绿油） 、UV 固化网印字符标记图形、UV 固化预热、冲孔及外形电气开、短路测试刷洗、干燥预涂助焊防氧化 剂（干燥）或喷锡热风整平检验包装成品出厂。 双面刚性印制板：双面覆铜板下料叠板数控钻导通孔检验、去 毛刺刷洗化学镀（导通孔金属化）（全板电镀薄铜）检验刷洗网印负 性电路图形、固化（干膜或湿膜、曝光、显影）检验、修板线路图形电镀 电镀锡（抗蚀镍/金）去印料（感光膜）蚀刻铜（退锡）清洁刷洗 网印阻焊图形常用热固化绿油（贴感光干膜或湿膜、曝光、显影、热固化，常 用感光热固化绿油）清洗、干燥网印标记字符图形、固化（喷锡或有机 保焊膜）外形加工清洗、干燥电气通断检测检验包装成品出厂。 贯通孔金属化法制造多层板工艺流程内层覆铜板双面开料刷洗钻定 位孔贴光致抗蚀干膜或涂覆光致抗蚀剂曝光显影蚀刻与去膜内层粗 化、去氧化内层检查（外层单面覆铜板线路制作、B阶粘结片、板材粘结 片检查、钻定位孔）层压数控制钻孔孔检查孔前处理与化学镀铜全 板镀薄铜镀层检查贴光致耐电镀干膜或涂覆光致耐电镀剂面层底板曝光 显影、修板线路图形电镀电镀锡铅合金或镍/金镀去膜与蚀刻检查 网印阻焊图形或光致阻焊图形印制字符图形（热风整平或有机保焊膜） 数控洗外形清洗、干燥电气通断检测成品检查包装出厂。 兰州交通大学毕业设计（论文） 5 3 3 开发平台开发平台 PROTEPROTEL L 3 3.1.1 PROTEL99SEPROTEL99SE 介绍介绍 随着电子工业发展的日新月异，大规模集成电路的应用已经越来越普遍。 电子设计自动化 EDA（Electronic Design Automation）如今已成为不可逆转 的潮流。PROTEL 就是一套建立在 PC 环境下的 EDA 电路集成设计系统。事实上， PROTEL 是世界上第一个将 EDA 环境引入 Windows 开发环境的 EDA 开发工具。自 从 1991 年 PROTEL 公司推出了 Windows 平台下的设计软件 PROTEL for Windows1.0 以来，PROTEL 几乎立刻成为广大电路设计人员的首选，从而奠定了 PROTEL 软件在桌面 EDA 系统的领先地位。 PROTEL 99 SE 是 PROTEL 公司于 2000 年推出的基于 Windows 平台的第六代 产品，它具有强大的自动设计能力、高速有效的编辑功能、简捷方便的设计过 程管理 PDM，可完整地实现电子产品从电学概念设计到生成物理生产数据的全 过程以及这中间的所有分析、仿真和验证。其主要的功能模块，包括电路原理 图设计、印刷电路板设计、无网格布线器、可编程逻辑器件设计、电路图模拟、 仿真等。它集成了电路设计与开发环境。 PROTEL 99 SE 凭借其强大的功能，极大地提高了产品的可靠性，缩短了设 计周期，降低了设计成本。今后必然成为广大电子线路设计工作者首选的计算 机辅助电路线路设计软件。 （1）PROTEL99SE 组成 PROTEL99SE 主要由两部分组成，分别是电路设计部分，电路仿真和 PLD 设 计部分。 1)电路设计部分 PROTEL99SE 中，电路设计部分主要包括原理图设计组件，PCB 设计组件和 自动布线组件等三个组件。 Advanced Schematic 99：是原理图设计组件，主要用来编辑原理图， 编辑、生成、修改零件封装和生成各种报表。 Advanced PCB 99：是 PCB 设计组件，主要用于设计生成电路板，修改、 生成零件封装以及电路板组件管理。 Advanced Route 99：自动布线组件，主要用于进行自动布线。 2)电路仿真和 PLD 设计部分 电路仿真也有三个部分，主要是: 兰州交通大学毕业设计（论文） 6 Advanced PLD 99:主要用于可编程逻辑器件的设计，包括具有语法意识 的文本编辑器，用于编译和仿真设计结果的 PLD 以及用于观察仿真波 形。 Advanced SIM 99：主要用于电路仿真，包括功能强大的数/模混合信号 电路仿真器，可以方便的进行模拟信号和数字信号的仿真。 Advanced Integrity 99：主要用于高级信号完整性分析，包括一个高 级信号完整性仿真器，能分析 PCB 设计和检查设计参数，测试过冲、 下冲、阻抗以及信号斜率。 （2）PROTEL99SE 特性 PROTEL99SE 的特点是支持模块化设计，具有丰富的编辑功能，强大的电器 检查和向导功能，完善的库元件管理和编辑功能以及方便的同步设计功能等， 另外，作为运行 WINDOWS 操作系统的完全 32 位 EDA 设计系统，PROTEL 99 SE 还具有 SmartTool、SmartDoc 和 SmartTeam 这三大特性，使产品开发有机地结 合到了一起。 SmartTool：它将所有的设计工具集成在一个设计环境下，让用户感到 更加独立，直观。通过设计管理器可以访问所有的 PROTEL 工具，而且允许用 户在设计管理器中编辑非 PROTEL 文件。 SmartDoc：所有文件都存储在一个综合设计数据库中，方便了对各种文 件的有效管理。通过这个技术，不仅能够包括 PROTEL 编辑器生成的文件，还 能容纳任何 WINDOWS 应用程序建立的设计文件。 SmartTeam：利用该技术，多个设计者可以通过互联网进行进行同一电 路板的设计。在 Design Explorer 中内置有组管理共功能，为了方便管理设计 组成员，可以定义组成员的权限，以及定义每个成员对于文件的访问，必要时， 可以锁定文件。 另外，PROTEL 还具有信号完整性分析，混合信号仿真等特性，极大地方便 了用户的设计。 3.23.2 PROTELPROTEL 设计方法设计方法 设计电路板最基本的过程可以分为三大步骤： (1)电路原理图的设计 电路原理图的设计是整个电路设计的基础，它决定了后面工作的进程。一 般的，设计一个电路原理的工作包括：设置电路图纸参数，装入所需的元件库， 兰州交通大学毕业设计（论文） 7 防置元器件，进行原理图布线，调整，检查及修改，最后存盘打印图纸。 （1） 启动原理图编辑器 （2） 设置图纸参数 （3） 放置元器件 （4） 进行原理图布线 （5） 调整布线 （6） 保存输出 （7） 存盘打印图纸 在原理图设计过程中，首先设置好图纸，网格和光标，以及窗口大小，然 后在元器件编辑器界面制作原理图所需器件，创建新元件，产生元件报表，绘 制原理图设计进阶，做好元件的自动编号，原理图的电气检查，即 ERC。在这 一过程中，要充分利用 PROTEL99 所提供的各种原理图绘图工具、各种编辑功能， 来实现我们的目的，即得到一张正确、精美的电路原理图。 (2)产生网络表 设计原理图的最终目的是要生成印刷电路板，二印刷电路板与原理图的纽 带就是网络表，故将设计完成的原理图转换为网络表，是必经之步，也是设计 原理图的主要目的。 生成网络表的操作步骤： 打开准备产生网络表的原理图文件并执行菜单命令 Design Create Netlist，系统将弹出 Netlist Creation 设置对话框，即根据网络表的输出格 式和项目层次结构进行设置。生成网络表对话框包含 2 个选项卡：Preferences 选项卡和 Trance Options 选项卡。 设置好后，进行生成网络表的过程，并生成网络表文件。其文件名与主 电路图的文件名相同，扩展名为 NET。 （3）印制电路板的设计 印制电路板的设计主要是针对 PROTEL99 的另外一个重要的部分 PCB 而言的， PCB 图的基本元素主要包括以下 6 种： 元件封装：包括插件式元件封装和 STM 元件封装； 铜箔连线：铜箔导线也称铜箔连线，简称连线； 焊盘：用于固定元件引脚或引出线、测试线等； 过孔：过孔的作用是为了连接不同层面之间的导线； 兰州交通大学毕业设计（论文） 8 字符丝印：为了方便电路板的安装与维修，需要在 PCB 上下表面印制所 需要的字符和标志图案等，入元件标号和标称值、元件外形和厂家标志， 生产日期等都需要通过丝网印刷的方式来实现； 敷铜（多边形填充）：敷铜又叫铺地，在设计完成全部布线后。为了提 高电路板的抗干扰性能，有时候需要把电路板空白的地方全部做成一个 电极。 兰州交通大学毕业设计（论文） 9 4.4. 单片机最小系统原理图设计单片机最小系统原理图设计 4.14.1 原理图设计的一般流程原理图设计的一般流程 一般来说，设计一个电路的原理图主要包括设置编辑器参数、规划布局、 放置元件、布线、检查调整以及保存和输出等步骤如图 41 所示： 启动原理图编辑器 设置工作参数 检查及修改 布线和调整 放置元件和布局 生成报表 保存输出 结束 图 4-1 原理图设计的基本流程 (1）启动原理图编辑器 首先需要启动 PROTEL 99 SE 的原理图编辑器,如图 4-2 所示： 兰州交通大学毕业设计（论文） 10 图 4-2 原理图编辑器界面 (2)设置图纸及工作界面参数 绘制原理图之前需要根据设计内容的复杂程度选择合适的图纸，并根据用 户的需要以及习惯对工作区进行设置，方便具体的原理图设计操作。 (3)放置元件和布局 规划元件布局，从元件库中找到所需的元件，并放置到图纸上。然后对元 件的标号、属性等进行设置。元件的布局一般遵循以下几个原则： 同一功能模块尽量放到一起，可以方便的理解电路结构，同时便于管理。 元件的摆放有利于布线，方便进行布线操作。 美观。 （4）布线和调整 放置好元件后就可以将各个引脚按功能用导线连接到一起了，同时根据布 线的需要对元件布局进行一些调整。这一步骤也可与（3）交错进行，目的都是 为了便于达到设计要求。 兰州交通大学毕业设计（论文） 11 (5)对原理图进行检查和修改 完成原理图的绘制后还需要对其进行进一步的检查和修改。主要包括两部 分：一是确保原理图绘制的正确性，没有疏漏和误连接，这一点可以借助 PROTEL 99 SE 提供的电气检查功能（DRC）来实现；二是从逻辑上检查所设计 的电路是否能是实现所需要的功能，及设计者需要对自己的设计思路进行反思， 确保电路在原理上的正确性，这一点非常重要，一个电路设计最终能够正确、 可靠的实现预期的功能。往往取决于设计者的思路是否正确、对可能遇到的问 题是否做了充分的考虑，这也从根本上评判了电路设计的好坏。 对设计进行充分的检查，尽可能的把问题在原理设计阶段解决，能够极大 地提高电路设计的效率，减少返工的次数，从而能够有效地缩短整个设计周期、 降低设计成本。否则等到了完成 PCB 的设计甚至已经加工电路板才发现原理图 设计上的疏漏，就会造成极大的人力和物力的浪费。 (6)生成网络表等报表 设计好原理图之后需要生成网络表，用以进行后续的 PCB 设计，还可以选 择元件清单等各种报表，用以进行器件的购买以及进行电路评判等工作。 (7)保存输出 对最终完成的原理图设计要进行保存，在设计的过程中也要经常对设计资 料进行保存，避免发生意外导致设计资料的丢失。如果需要可以将原理图打印 输出。 4.24.2 单片机最小系统电路系统框图单片机最小系统电路系统框图 图 4-3 单片机最小系统总体框图 4.34.3 层次原理图的设计层次原理图的设计 （1）层次原理图的概念 兰州交通大学毕业设计（论文） 12 层次原理图的设计是在实践基础上提出的一种先进的电路设计方法。当设 计的电路规模比较大的时候，往往整个系统不能自一张原理图上绘出，还会出 现整个系统难以有一个人在短期内绘出的情况，这时候就不能简单的进行绘图， 而在绘图之前需要考虑如何分配电路设计内容，从而使设计能够有效地进行， 这就需要层次电路图的设计。 层次电路图的设计思路是这样的：将复杂系统按照功能要求分解成若干个 子模块，如果需要，还需要分解成更小的基本模块，各个模块之间设计好模块 接口，上层原理图之负责根据需要对各个模块的接口进行合适的连接，而不关 心电路细节，具体的电路设计在底层模块电路设计中实现，底层模块的电路设 计要能够满足接口的要求，这样的电路设计就能够得到完整并且符合功能要求 的电路设计了。 从设计思路中可以清晰地看到层次电路图的优点：电路结构清晰、便于任 务分配。 层次原理图的设计过程如图 4-4 所示： 大规模电路的结构设计 划分功能模块，确定接口 各功能子模块的设计 组合成完整的电路图 图 4-4 层次原理图的设计过程 （2）层次原理图的优点 电路结构清晰；通过对大规模电路的分解，形成了以某一功能为核心的 子模块的概念，而整体电路由各功能模块连接而成，能够很容易的理解电路工 作原理，从而对设计思路有很好的把握，不易产生混乱。 兰州交通大学毕业设计（论文） 13 便于对项目的管理：由于整个项目已经按功能分解为小的子模块，各模 块之间层次分明，结构清晰，接口规范要求明确，一旦某一部分出现问题，能 够根据问题影响的性能要求很快找到问题出现的具体电路，便于对错误的查找 和更正。同时也利于对产品进行改进，由于各模块电路相对独立，对于一个模 块只要保证满足接口要求，完全可以采用更有效、更合适的电路替代原来的电 路，这样不需要改动其他模块电路，仅需要某些子模块进行改进，就可以实现 对电路整体进行改善。 利于分工合作：对于大型项目，将电路分解为功能子模块后，各个子模 块完全可以由不同的人同时进行设计，只要保证接口的设计符合要求，最后就 可以得到正确完整的电路设计。 能够提高效率，缩短项目设计时间：首先通过分工合作，整个项目的各 个部分可以同时进行，这样就可以极大地节省设计时间。另外根据功能要求还 可以将模块电路设计成通用电路，这样的项目及其他部分弱需要相同的时间， 只要将该模块整合到相应的外置，从而节省了重复绘电路的时间，这样也就提 高了设计效率。 4.44.4 单片机最小系统各模块单片机最小系统各模块 （1）89C51 单片机内部结构框图 89C51 内部集成了 CPU、RAM、ROM 定时/计数器和 I/O 口等各功能部件，并 由内部总线把这些部件连接在一起。 89C51 单片机内部包含以下一些功能部件： 一个 8 位 CPU; 个片内振荡器和时钟电路； 4KB ROM(80C51 有 4KB 掩膜 ROM,87C51 有 4KB EPROM,80C31 片内无 ROM)； 128 字节 RAM； 可寻址 64KB 的外 ROM 和外 RAM 控制电路； 两个 16 位定时/计数器； 21 个特许功能寄存器； 4 个 8 位并行 I/O 口，共 32 条可编程 I/O 端线 一个可编程全双工串行口； 5 个中断源，可设置成 2 个优先级。 89C51 单片机一般采用双列直插 DIP 封装，共 40 个引脚，图 3-3 为引脚图 兰州交通大学毕业设计（论文） 14 和逻辑符号。40 个引脚大致可分为 4 类：电源、时钟、控制和 I/O 引脚 图 4-5 89C51 引脚图及逻辑符号 (1)电源 Vcc芯片电源，接+5V； Vss接地端。 时钟: XTAL1、XTAL2晶体振荡电路反相输入端和输出端。使用内部振荡电路 时外接石英晶体。 控制线: 控制线共有 4 根，其中 3 根是复用线。所谓复用线是指具有两种功能，正 常使用时时一种功能，在某种条件下市另一种功能。 ALE/PRDG地址锁存允许/片内 EPROM 编程脉冲。 ALE 功能：用来锁存 po 口送出的低 8 位地址。 80C51 在并行扩展外存储器（包括并行扩展 I/O 口）时，po 口用于分时传 送 8 位地址和数据信号，且均为二进制数。那么如何区分是低 8 位地址还是 8 位数据信号呢？当 ALE 信号有效时，po 口传送的是低 8 位地址信号；ALE 信号 无效时，po 口传送的是 8 位数据信号。在 ALE 信号的下降沿，锁定 po 口传送 的内容，即低 8 位地址信号。 需要指出的是，当 CPU 不执行访问外 RAM 指令（MOVX）时，ALE 以时钟振 荡频率 1/6 的固定频率输出，因此 ALE 信号也可作为外部芯片 CLK 时钟或其他 兰州交通大学毕业设计（论文） 15 需要。但是，当 CPU 执行 MOVX 指令时，ALE 将跳过一个 ALE 脉冲。 ALE 端可驱动 8 个 LSTTL 门电路。PROG 功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，此引脚输入编程脉冲。SEN外 ROM 读选通信号。 80C51 读外 ROM 时，没个机器周期内 PSEN 两次有效输出。PSEN 可作为外 ROM 芯片输出允许 OE 的选通信号。在读内 ROM 或读外 RAM 时，PSEN 无效。 PSEN 可驱动 8 个 LSTTL 门电路。RST/Vpd复位/备有电源。 正常工作时，RST(Reset)端位复位信号输入端，只要在该引脚上连续保持 两个机器周期以上高电平，80C51 芯片即实现复位操作，复位后一切从头开始， COU 从 000H 开始执行指令。 P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据 存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原 码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能 接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收， 输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且 作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由 于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器 进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉 优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器 的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的 缘故。P3 口作为 AT89C51 的一些特殊功能口。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电 兰州交通大学毕业设计（论文） 16 平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址 的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端 以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用 作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存 储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。 此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略 微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效 （2）晶振电路模块 单片机晶振电路分内部和外部时钟两种方式。 晶振是电路中常用用的时钟元件,全称是叫晶体震荡器，在单片机系统里晶 振的作用非常大，他结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率， 单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越 高，那单片机的运行速度也就越快。 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。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。 内部时钟方式 最常用的内部时钟方式采用外接晶体和电容组成并联谐振 电路。MCS51 单片机允许的震荡晶体频率范围 1.224MHZ，一般为 11.0529。电 容 C1,C2 的取值对振荡器的频率输出稳定性，大小以及振荡电路的起振速度有 一定影响，一般在 20100pF 直接选择，典型值为 30pF 兰州交通大学毕业设计（论文） 17 图 4-6 晶振震荡图 外部时钟电路 外部方式就是利用外部震荡信号直接 X1 或 X2，由于 HMOCS 或者 CHMOS 单片机内部时钟进入引脚不同，其外部震荡信号源接入的方式也不 同。 图 4-7 晶振模块图 （3）A/D 转换模块 TLC1543 为 20 脚封装的 CMOS10 位开关电容逐次 A/D 逼近模数转换器，A0- A10 为 11 路模拟输入端，REF+ 和 REF- 为基准电压正负端，ADDRESS 为串行 数据输入端，用于输入 4 位端口地址 DATA OUT 为 A/D 数据输出端，I/O CLOCK 为数据输入输出提供同步时钟。A/D 转换中，ADDR 用于选择模拟通道，此时只 有传输的前四位有效，ADDR 为十位数据，在 D/A 工作时，ADDR 用于传送待转换 的数字量，此时十位数据均有效。A/D 转换中，REF- =0， REF+ =Vcc;当 AIN=Vcc 时，Dout=0 x3FFAIN/Vcc(转换精度为十位)。如图 4-7 所示： 兰州交通大学毕业设计（论文） 18 图 4-8 A/D 转换模块 （4）D/A 转换模块 TLC5615 是一个串行 10 位数/ 模转换器(DAC), 性能比电流型输出的 DAC 要好，只需要通过 3 根串行总线就可以完成 10 位数据的串行输入，易于和工 业标准的微处理器或微控制器(单片机) 接口。DIN 作为串行二进制数输入端； SCLK 作为串行时钟输入端；CS 则作为芯片选择端口。利用 STC89C51 单片机 的通用 I/O 口( P1 口) 与 TLC5615 连接 构成 DAC 电路，电路中分别用单片机 的 P1.6 、P1.3 模拟时钟 SCLK 和片选 CS , 待转换的二进制数从 P1.5 输入到 TLC5615 的数据输入端 DIN 。D/A 转换中，当 AOUT=REFIN 时，DIN=0 x3FF, 有 A