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1、一、 摘要本文给出了一个简单 51 单片机开发板的电路设计，完成了其原理图的绘制和 PCB 图 的制作。着重介绍使用 protel99SE 画出的电路设计原理图，接着是对电路各个模块功能的 分析，然后是电路所用主要芯片和其他重要元件的功能介绍以及内部封装和引脚分布，最 后介绍用 protel99SE 画出的 PCB 板。此开发板具有串口通信、液晶显示、流水灯、扩展、 RTC 时钟、复位、外部中断、外部存储、 A/D D/A 转换、报警、继电器控制等开发功能。关键字：51 单片机 开发板protel99 PCB二、 实验所用元器件及其介绍2.1、清单型号数量封装STC89C52 1DS1302B
2、 18255 1ADC0809CCN(28) 1DAC0832LCN(20) 1MAX232EWE(16) 124C08 1DIP40DIP8DIP40DIP28DIP20DIP16DIP8USB 接口1自制封装SW-SPST 4SW-SPDT 1自制封装自制封装1 K 电阻2 K 电阻三极管 9015HRS4-S-DC5V 继电器跳线15521608050805TO-18自制封装RAD0.2LED 1108059 针串口极性电容 10uF 104 电容30pF 电容电池 Battery响铃n 口排针晶振 12MHZ外接晶振114511411DB9/MRB.3/.608050805自制封装AX
3、IAL0.3SIP nXTAL1XTAL12.2 主要芯片引脚图和实物图 2.21 STC89C52图 2.21(1) STC89C52 引脚图图 2.21(2) STC89C52 实物图2.22 8255图 2.22 8255 引脚图2.23 DS1302图 2.23(1) DS1302 引脚图表 2.23 DS1302 引脚描述引脚号符号描述引脚号符号描述1 VCC2备用电源5复位234X1X2GND晶振引脚晶振引脚电源地678I/OSCLKVCC1数据输入/输出 串行时钟输入 主电源2.24 24C08图 2.24(1) 24C08 引脚图 表 2.24 24C08 功能表图 2.24(
4、2) 24C08 实物图2.25 MAX232图 2.25(1)MAX232 引脚图表 2.25 各引脚功能及推荐工作条件图 2.25(2) MAX232 实物图2.26 ADC0809图 2.26(1) ADC0809 引脚图图 2.26(2)ADC0809 实物图2.27 DAC0832图 2.27(1)DAC0832 引脚图图 2.27(2)DAC0832 实物图2.3 其他元件和重要电容 2.31 USB 接口图 2.31(1)USB 封装尺寸图 2.31(2)USB 外观图图 2.31(3)USB 接口定义2.32 HRS4-S-DC5V 继电器图 2.32(1) HRS4-S-DC
5、5V 继电器封装尺寸图 2.32(2)HRS2-S-DC5V 继电器外观2.33 自锁开关(用于原理图中的单刀双掷和单刀单掷开关)图 2.33 六脚自锁开关三、电路设计分析与结果3.1 开发板设计简介3.1.1 主芯片简介STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。 STC89C52 使用经典的 MCS-51 内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上， 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效
6、的解 决方案。其具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，512 字节 RAM ，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM， MAX810 复位电路，3 个 16 位定时器/计数器，4 个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲 模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存， 振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率
7、 35MHz ，6T/12T 可选。3.1.2 开发板电路各部分解析3.1.2.1 主控电路主控电路是整个单片机开发板的“大脑”，本文采用 STC89C52 芯片和 Intel 公司生产的 8255 芯片，附加电容和 12MHZ 的晶振 构成主控电路。Protel99 元件库中没有 STC89C52 芯片，故笔者自己画了这个芯片。主控电路如图：3.1.2.2 扩展接口电路本文采用两个 20 插口的插针来扩展单片机的接口。电路如下：3.1.2.3 RTC 实时时钟在一个嵌入式系统中，通常采用 RTC（实时时钟） 来提供可靠的系统时间，包括时分秒和年月日等;而且要求 在系统处于关机状态下它也能够正
8、常工作，它的外围也不需要太多的辅助电路，典型的就是只需要一个高精度的 32.768KHz 晶体和电阻电容等。RTC 单元可以通过备用电池供电，因此，即使系统电源关闭，它也可以继续工作。 RTC 可以通过 STRB/LDRB 指令将 8 位 BCD 码数据送至 CPU。这些 BCD 数据包括秒，分，时，日期，星期，月和 年。RTC 单元通过一个外部的 32.768KHz 晶振提供时钟。RTC 还具有定时报警的功能。本文中 RTC 电路如图所示：3.1.2.4 电源接口电源接口是通过 USB 接口给整个开发板供电的部分，本文用了一个 LED 灯来显示是否正在 供电，同时使用一个自锁开关来控制电路的
9、通断。电路图如下：3.1.2.5 报警电路当电路工作出现一定问题时，需要有报警的电路来提醒使用者立刻断电检查。本文采用 LED 闪烁报警和响铃报警双重 报警方式，用单片机 P33 口的变化使得三极管导通或者截止，进而让 LED 与响铃工作或停止。电路图如下：3.1.2.6 流水灯电路对流水灯的控制是单片机开发最基本的技能，此开发板和市场上大多数板子一样，用了八个贴片式 LED 灯作为流水灯， 用 8 个 1K 的电阻限流，电路图如下：3.1.2.7 A/D D/A 转换模块A/D D/A 转换是单片机应用测控系统典型的接口技术内容，此开发板的 A/D 转换采用 ADC0809 转换芯片，D/A
10、 转换采用 DAC0832 转换芯片，提供 A/D D/A 转换开发功能，电路图如下：3.1.2.8 串口通信模块51 系列单片机的串口有 4 个模式，可分别用作串并转换、并串转换、异步串行通信（2 种模式）。异步串行通信中，有 1+8+1 和 1+8+1+1 两种帧格式，多机通信是特殊的通信方式。基本原理是两组移位寄存器。将并行通信转换成串行通信 模式（发送部分），或反之（接收部分）。可全双工运行。此开发板采用 MAX232 芯片和一个 9 针串口来做串口通信的开发，电路图如下：3.1.2.8 继电器控制电路继电器（英文名称：relay）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要
11、求时，在电气输出电路中使被 控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的 互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电 路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。本文设计的继电器采用 HRS4-4-DC5V，具体电路图如下：3.1.2.9 外部中断电路单片机的中断方式中，有一种为外部中断，它的中断优先级在所有中断中最高。此开发板的外部中断电路如图：3.1.2.10 复位电路单片机在上电以后通过复位电路，程序指针指向 0000H ，也就是说单片机“重新启动”了。说的通俗一点就是单片机的
12、程序从 头开始运行。这时候有的寄存器的值会自动清零，有的会自动置 1。电路图如下:3.1.2.11 外部存储电路此开发板用 24C08 芯片构成单片机外部存储的电路，用以扩展单片机的存储容量，电路图如下：3.2 总电路原理图、PCB 图和电路板 3D 图 原理图：PCB 图：3D 图：四、 实验感想和总结这门课程上课的时间只有一周，之前的我对于电气制图可以说是毫无概念，前几节课的学习还能跟得上， 越往后越感觉有点吃力，后来我把很多问题都记下来一点点询问老师，才最终将问题搞得明白了一点。此次实验选择 51 单片机开发板的制图，刚开始画原理图时比较轻松，一遍连着线，一边用ERC 检查确认自己没有接
13、错，很快完整的原理图就画好了。然而，图中很多元器件的封装在 Protel 自己的封 装库里都是找不到的，比如 USB，继电器，单刀单掷开关和电源等等。无奈之下，我只得一点点地上网 查找各个器件的技术手册，在技术手册中找到它们引脚的具体尺寸，在 PCB LIB 文件中将封装画出来， 再添加到库中。这个过程很是辛苦，不过，当 PCB load nets 最终显示 All Valid 的时候，我感到之前的 辛苦都没有白费。然而，当我导入器件之后，我又一次傻了眼，器件不是一般的多，各种芯片，插针，电阻，电容， 跳线排成一个长列，四处交叉的飞线让人眼花缭乱。幸好整个图的结构性比较好，我从主芯片出发，一
14、个个地模块去连线，其中有很多时候线根本连不过去，我只得加上过孔从底层走线，线越来越多，连线 也越来越麻烦，但我耐着性子，一点点为线寻找着路径，最终完成了连线。最后，我又把电源线和地线 全部加粗，确保电路板工作安全。通过这次实验，我深刻体会到，制图的关键在于排版，好的排版是好的布线的基础，而且通过老 师的指导，我对布线时不能出现的一些线和角度有了更好的理解。这次实验更锻炼了我自己画元器件和 封装的能力，同时通过查阅技术手册我熟悉了电子元器件，为以后更好地学习它们打下了基础。最后，感谢吴益飞老师对我完成实验的指导和帮助！五、参考文献【1】江思敏、姚鹏翼、胡荣 等编著.Protel 电路设计教程M，北京：清华大学出版社，2002.9 【2】蒋立平 主编.数字逻辑电路与系统设计M，北京：电子工业出版社，2008.7【3】王建新、姜萍 编著.电子线路实践教程M, 北京：科学出版社，2003.9【4】陈洁 编著.EDA 软件仿真计数快速入门M, 北京：中国电力出版社，200910