課程設計技術學院EDA課程設計ProtelDXP最小單片機系統(tǒng)電路板設計

1、xx機電職業(yè)技術學院EDA課程設計報告班 級：姓 名：實訓地點：指導教師：2013年 5月實訓課題 單片機最小系統(tǒng)電路設計一、實訓目的1、熟悉Protel DXP的操作2、掌握用Protel DXP繪制原理圖的方法3、掌握用Protel DXP制作PCB板的方法二、實訓要求利用protel DXP軟件完成單片機最小系統(tǒng)的PCB板的設計。三、實訓內(nèi)容1、元件符號及封裝編輯。2、原理圖繪制。3、PCB板。4、DRC報告。四、報告內(nèi)容、設計數(shù)據(jù)及附圖1、電路原理基本分析 2、電路模塊功能的介紹。（電源模塊、單片機最小系統(tǒng)：復位電路、晶振電路（離X1，X2引腳近些，否則不易起振）、P1口LED電路）5

2、1單片機復位電路工作原理1、復位電路的用途單片機復位電路就好比電腦的重啟部分，當電腦在使用中出現(xiàn)死機，按下重啟按鈕電腦內(nèi)部的程序從頭開始執(zhí)行。單片機也一樣，當單片機系統(tǒng)在運行中，受到環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時候，按下復位按鈕內(nèi)部的程序自動從頭開始執(zhí)行。2、復位電路的工作原理在單片機系統(tǒng)中，系統(tǒng)上電啟動的時候復位一次，當按鍵按下的時候系統(tǒng)再次復位，如果釋放后再按下，系統(tǒng)還會復位。所以可以通過按鍵的斷開和閉合在運行的系統(tǒng)中控制其復位。開機的時候為什么為復位在電路圖中，電容的的大小是10uF，電阻的大小是10k。所以根據(jù)公式，可以算出電容充電到電源電壓的0.7倍（單片機的電源是5V，所以充電到0.7倍

3、即為3.5V），需要的時間是10K*10UF=0.1S。也就是說在電腦啟動的0.1S內(nèi)，電容兩端的電壓時在03.5V增加。這個時候10K電阻兩端的電壓為從51.5V減少（串聯(lián)電路各處電壓之和為總電壓）。所以在0.1S內(nèi)，RST引腳所接收到的電壓是5V1.5V。在5V正常工作的51單片機中小于1.5V的電壓信號為低電平信號，而大于1.5V的電壓信號為高電平信號。所以在開機0.1S內(nèi)，單片機系統(tǒng)自動復位（RST引腳接收到的高電平信號時間為0.1S左右）。按鍵按下的時候為什么會復位在單片機啟動0.1S后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)

4、正常工作。當按鍵按下的時候，開關導通，這個時候電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時間的推移，電容的電壓在0.1S內(nèi)，從5V釋放到變?yōu)榱?.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個時候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機系統(tǒng)自動復位?？偨Y：1、復位電路的原理是單片機RST引腳接收到2US以上的電平信號，只要保證電容的充放電時間大于2US，即可實現(xiàn)復位，所以電路中的電容值是可以改變的。2、按鍵按下系統(tǒng)復位，是電容處于一個短路電路中，釋放了所有的電能，電阻兩端的電壓增加引起的。晶振電路的作用

5、電容大小沒有固定值。一般二三十p。晶振是給單片機提供工作信號脈沖的。這個脈沖就是單片機的工作速度。比如12M晶振。單片機工作速度就是每秒12M。和電腦的CPU概念一樣。當然。單片機的工作頻率是有范圍的。不能太大。一般24M就不上去了。不然不穩(wěn)定。接地的話數(shù)字電路弄的來亂一點也無所謂?？窗遄由嫌袥]有模擬電路。接地方式也是不固定的。一般串聯(lián)式接地。從小信號到大信號依次接。然后小信號連到接地來削減偕波對電路的穩(wěn)定性的影響，所以晶振所配的電容在10pf-50pf之間都可以的，沒有什么計算公式。但是主流是接入兩個33pf的瓷片電容，所以還是隨主流。晶振電路的原理晶振是晶體振蕩器的簡稱，在電氣上它可以等效

6、成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡，電工學上這個網(wǎng)絡有兩個諧振點，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當?shù)慕咏?在這個極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會組成并聯(lián)諧振電路。這個并聯(lián)諧振電路加到一個負反饋電路中就可以構成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄,所以即使其他元件的參數(shù)變化很大,這個振蕩器的頻率也不會有很大的變化。晶振有一個重要的參數(shù)，那就是負載電容值，選擇與負載電容值相等的并聯(lián)電容,就可以得到晶振標稱的諧振頻率。一般的晶振振蕩電路都是在一個反相放大器(

7、注意是放大器不是反相器)的兩端接入晶振，再有兩個電容分別接到晶振的兩端，每個電容的另一端再接到地,這兩個電容串聯(lián)的容量值就應該等于負載電容，請注意一般IC的引腳都有等效輸入電容,這個不能忽略。一般的晶振的負載電容為15p或12.5p ，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個22p的電容構成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。P1口LED電路LED循環(huán)輪流點亮設計電路如圖所示。將單片機第40腳Vcc接電源+5V，第20腳Vss接地,為單片機工作提供能源。 將第19腳XTAL1與18腳XTAL2分別接外部晶體兩個引腳，由石英晶體組成振蕩器，保證單片機內(nèi)部各部分有序地工作。對外部C1、C2的取值雖然沒

8、有嚴格的要求，但電容的大小會影響到振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性。C1、C2通常取值C1=C2=30PF左右。8051的晶振最高振蕩頻率為12M，AT89C51的外部晶振最高頻率可到24M。P1口定義為帶有上拉電阻8位準雙向I/O口，功能單一，每一位可獨立定義為輸入輸出，CPU對P1口操作可以是字節(jié)操作，也可以是位操作。P1作為輸出口使用時，它的內(nèi)部電路已經(jīng)提供了一個推拉電流負載，外接了一個上拉電阻，外電路無需再接上拉電阻，與一般的雙向口使用方法相同；作為輸入口使用時，應先向其鎖存器寫入“1”，使輸出驅動電路的FET截止。若不先對它置“1”，讀入的數(shù)據(jù)是不準確的。P1口輸出控制

9、程序的設計主要包括控制輸出程序設計與延時程序設計。（1）輸出控制：當P1.5端口輸出低電平，即P1.5=0，這時LED亮，反之，LED滅，可以使用P1.5=0指令使P1.5端口輸出低電平，同樣利用指令使P1.5端口輸出高電平。（2）延時程序：單片機指令的執(zhí)行時間是很短的，數(shù)量大多是微秒級，因此，我們要求的閃爍時間間隔為0.2s，相對于微秒來說，相差太大，因此在執(zhí)行某一指令時，插入延時程，來解決這一問題。開關狀態(tài)檢測過程： 單片機對開關狀態(tài)的檢測相對于單片機來說，是從單片機的端口輸入信號，而輸入的信號只有高電平和低電平兩種，要能正確輸入信號，先使P1端口P1.0-P1.3置1。可輪流檢測每個開關

10、狀態(tài)，根據(jù)每個開關的狀態(tài)讓相應的二極管指示，也可以一次性檢測四路開關狀態(tài)，然后讓其指示。3、PCB布板中元件布局的分析PCB布板中元件布局的原理1.元件排列規(guī)則1).在通常條件下,所有的元件均應布置在印制電路的同一面上，只有在頂層元件過密時，才能將一些高度有限并且發(fā)熱量小的器件，如貼片電阻、貼片電容、貼IC等放在底層。2).在保證電氣性能的前提下，元件應放置在柵格上且相互平行或垂直排列，以求整齊、美觀，一般情況下不允許元件重疊；元件排列要緊湊，輸入和輸出元件盡量遠離。3).某元器件或導線之間可能存在較高的電位差，應加大它們的距離，以免因放電、擊穿而引起意外短路。4).帶高電壓的元件應盡量布置在

11、調(diào)試時手不易觸及的地方。5).位于板邊緣的元件，離板邊緣至少有2個板厚的距離6).元件在整個板面上應分布均勻、疏密一致。2.按照信號走向布局原則1).通常按照信號的流程逐個安排各個功能電路單元的位置，以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它進行布局。2).元件的布局應便于信號流通，使信號盡可能保持一致方向。多數(shù)情況下，信號的流向安排為從左到右或從上到下，與輸入、輸出端直接相連的元件應當放在靠近輸入、輸出接插件或連接器的地方。3.防止電磁干擾1).對輻射電磁場較強的元件，以及對電磁感應較靈敏的元件，應加大它們相互之間的距離或加以屏蔽，元件放置的方向應與相鄰的印制導線交叉。2).盡量避免高低電壓器件

12、相互混雜、強弱信號的器件交錯在一起。3).對于會產(chǎn)生磁場的元件，如變壓器、揚聲器、電感等，布局時應注意減少磁力線對印制導線的切割，相鄰元件磁場方向應相互垂直，減少彼此之間的耦合。4).對干擾源進行屏蔽，屏蔽罩應有良好的接地。5).在高頻工作的電路，要考慮元件之間的分布參數(shù)的影響。4. 抑制熱干擾1）對于發(fā)熱元件，應優(yōu)先安排在利于散熱的位置，必要時可以單獨設置散熱器或小風扇，以降低溫度，減少對鄰近元件的影響。2).一些功耗大的集成塊、大或中功率管、電阻等元件，要布置在容易散熱的地方，并與其它元件隔開一定距離。3).熱敏元件應緊貼被測元件并遠離高溫區(qū)域，以免受到其它發(fā)熱功當量元件影響，引起誤動作。

13、4).雙面放置元件時，底層一般不放置發(fā)熱元件。5.可調(diào)元件的布局對于電位器、可變電容器、可調(diào)電感線圈或微動開關等可調(diào)元件的布局應考慮整的結要求，若是機外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機箱面板上的位置相適應；若是機內(nèi)調(diào)節(jié)，則應放置在印制電路板于調(diào)節(jié)的地方。關于PCB元器件布局檢查規(guī)則PCB布板過程，對系統(tǒng)布局完畢以后，要對PCB圖進行審查，看系統(tǒng)的布局是否合理，是否能夠達到最優(yōu)的效果。通?？梢詮囊韵氯舾煞矫孢M行考察： 1. 系統(tǒng)布局是否保證布線的合理或者最優(yōu)，是否能保證布線的可靠進行，是否能保證電路工作的可靠性。在布局的時候需要對信號的走向以及電源和地線網(wǎng)絡有整體的了解和規(guī)劃。 2. 印制板尺寸是否

14、與加工圖紙尺寸相符，能否符合PCB制造工藝要求、有無行為標記。這一點需要特別注意，不少PCB板的電路布局和布線都設計得很漂亮、合理，但是疏忽了定位接插件的精確定位，導致設計的電路無法和其他電路對接。 3. 元件在二維、三維空間上有無沖突。注意器件的實際尺寸，特別是器件的高度。在焊接免布局的元器件，高度一般不能超過3mm。 4. 元件布局是否疏密有序、排列整齊，是否全部布完。在元器件布局的時候，不僅要考慮信號的走向和信號的類型、需要注意或者保護的地方，同時也要考慮器件布局的整體密度，做到疏密均勻。 5. 需經(jīng)常更換的元件能否方便地更換，插件板插入設備是否方便。應保證經(jīng)常更換的元器件的更換和接插的

15、方便和可靠。 6. 調(diào)整可調(diào)元件是否方便。 7.熱敏元件與發(fā)熱元件之間是否有適當?shù)木嚯x。 8. 在需要散熱的地方是否裝有散熱器或者風扇，空氣流否通暢。應注意元器件和電路板的散熱。 9. 信號走向是否順暢且互連最短。 10. 插頭、插座等與機械設計是否矛盾。 11. 線路的干擾問題是否有所考慮。 12. 電路板的機械強度和性能是否有所考慮。 13. 電路板布局的藝術性及其美觀性。利用飛線手工布局和布線一個印制板的布線是否能夠順利完成，主要取決于布局，而且，布線的密度越高，布局就越重要。幾乎每個設計者都遇到過這樣的情況，布線僅剩下幾條時卻發(fā)現(xiàn)無論如何都布不通了，不得不刪除大量或全部的已布線，再重新

16、調(diào)整布局！合理的布局是保證順利布線的前提。一個布局是否合理沒有絕對的判斷標準，可以采用一些相對簡單的標準來判斷布局的優(yōu)劣。最常用的標準就是使飛線總長度盡可能短。一般來說，飛線總長度越短，意味著布線總長度也是越短（注意：這只是相對于大多數(shù)情況是正確的，并不是絕對正確）；走線越短，走線所占據(jù)的印制板面積也就越小，布通率越高。在走線盡可能短的同時，還必須考慮布線密度的問題。如何布局才能使飛線總長度最短并且保證布局密度不至于過高而不能實現(xiàn)是個很復雜的問題。因為，調(diào)整布局就是調(diào)整封裝的放置位置，一個封裝的焊盤往往和幾個甚至幾十個網(wǎng)絡同時相關聯(lián)，減小一個網(wǎng)絡飛線長度可能會增長另一個網(wǎng)絡的飛線長度。如何能夠

17、調(diào)整封裝的位置到最佳點實在給不出太實用的標準，實際操作時，主要依靠設計者的經(jīng)驗觀查屏幕顯示的飛線是否簡捷、有序和計算出的總長度是否最短。飛線是手工布局和布線的主要參考標準，手工調(diào)整布局時盡量使飛線走最短路徑，手工布線時常常按照飛線指示的路徑連接各個焊盤。Protel的飛線優(yōu)化算法可以有效地解決飛線連接的最短路徑問題。飛線的連接策略Protel提供了兩種飛線連接方式供使用者選擇：順序飛線和最短樹飛線。在布線參數(shù)設置中的飛線模式頁可以設置飛線連接策略，應該選擇最短樹策略。動態(tài)飛線在有關飛線顯示和控制一節(jié)中已經(jīng)講到：執(zhí)行顯示網(wǎng)絡飛線、顯示封裝飛線和顯示全部線命令之一后飛線顯示開關打開，執(zhí)行隱含全部飛

18、線命令后飛線顯示開關關閉。飛線顯示開關打開后，不僅規(guī)定的網(wǎng)絡飛線自動在屏幕上顯示，而且每當你手工調(diào)整布局移動封裝位置時，與該封裝連接的飛線也被自動顯示。另外，自動顯示連接封裝飛線時，除了與該封裝相連接的飛線顯示外，其余所有飛線都被自動關閉。執(zhí)行"編輯/移動/移動封裝"命令，如果當前飛線顯示開關處于打開狀態(tài)，除了與封裝相連接的飛線自動顯示外，其余所有飛線都被自動關閉。當飛線策略為"最短樹"時，飛線的起始終止點是變化的。我們知道，最短樹飛線并不是按照網(wǎng)絡表中引腳的連接順序來顯示飛線的，而是根據(jù)封裝引腳的實際位置經(jīng)最短樹計算后再決定一個網(wǎng)絡中封裝引腳的連接順序

19、；當一個封裝的位置發(fā)生變時，依照最短樹理論計算出的連接順序也會發(fā)生變化，也即飛線的起始和終止點會發(fā)生變化，因此，在"最短樹"策略下移動封裝時，與該封裝引腳相連接的飛線會隨著封裝位置的變化而變化，這就是所謂的動態(tài)飛線。動態(tài)飛線采用就近找點連接入網(wǎng)和保證整個網(wǎng)絡連接長度最短的飛線策略，所以，動態(tài)飛線連同最短樹飛線總長度為我們布局時提供了相對最佳的判斷標準。具體地說：布局時，我們通過下述方式來確保動態(tài)飛線狀態(tài)下布局的有效性。(1)在整板范圍內(nèi)快速移動一個封裝，如果與這個封裝連接的飛線不發(fā)生大的變化，說明與這個封裝引腳連接的電網(wǎng)絡中結點數(shù)少，近于一一對應的連接，這個封裝的位置不能任

20、意放置并有較高的定位優(yōu)先級，參照屏幕右下角顯示的飛線長度可以找到該封裝的最佳放置位置。(2)在整板范圍內(nèi)快速移動一個封裝，如果與這個封裝連接的飛線變化比較大，說明與這個封裝引腳連接的電網(wǎng)絡中結點數(shù)多，這個封裝不一定非固定放置在某個位置并具有較低的定位優(yōu)先級，可以按照其他一些判別準則（如布局是否美觀等）并參照屏幕右下角顯示的飛線長度找到該封裝的相對最佳放置位置。(3)移動封裝，右下角顯示的飛線長度最小時放置的位置相對最佳。(4)如果兩個封裝不論怎樣移動位置其間的飛線連接關系不變，說明這兩個封裝間具有強的約束關系，應優(yōu)先放置在一起；如果一個封裝不論怎樣移動位置與某幾個封裝間的飛線連接關系不變，說明

21、這個封裝與這幾個封裝間具有強的約關系，應優(yōu)先放置在這幾個封裝的重心或相對接近重心的位置；如果一個封裝移動位置時飛線可以不斷變化，即總能就近找到連接結點，說明這個封裝與其他所有封裝間具有弱約束關系，這個封裝的位置可以最后確定并且所定的位置可以比較靈活。動態(tài)飛線無疑是一個功能強大的布局工具，但是，由于每移動一下封裝都必須重新計算相關網(wǎng)絡的最短樹，這需一定的時間。因此，在低擋PC機或大型設計上使用動態(tài)飛線時會感到移動封裝不太靈活。這時，可以通過設置部分飛線模式和控制顯示飛線網(wǎng)絡的接點來解決這個問題。動態(tài)飛線狀態(tài)下移動封裝時，按R鍵可以調(diào)整飛線的重顯頻率。重顯頻率分為5個等級，為1時飛線重顯頻率最高，

22、適合于速度較快的機器；為5時飛線重顯頻率最低，適合于速度較慢的機器。4、簡單報告整個設計操作步驟。a.根據(jù)設計需要首先通過手工制作一個如圖所示DS83C520-MCL芯片，再通過向導制作該芯片封裝DIP-40，并將封裝導入至該芯片。b.利用查找功能在元件庫中分別找出下圖元件，并根據(jù)設計要求修改封裝c.設計示意圖e.根據(jù)設計要求制作元件封裝，封裝號為 Cap RB.1/.2 RB.2/.4 RB.1/.25、原理圖6、元件清單：7、網(wǎng)絡報表：C1RB.1/.2Cap Pol1C2RAD-0.2CapC3RAD-0.2CapC4RAD-0.2CapC5RB.1/.2Cap Pol1JP1HDR1X

23、6Header 6JP2HDR1X2Header 2JP3HDR2X20Connector 40R1AXIAL-0.3Res2R2AXIAL-0.3Res2S1SPST-2SW-PBU1DIP-40DS83C520-MCLVD1RB.2/.4LED1VD2DIODE-0.4DiodeY1BCY-W2/D3.1XTAL(VCCC1-1C4-2C5-1JP2-2JP3-37JP3-38R1-1S1-1U1-31U1-40VD2-2)(PSENJP3-34U1-29)(P3.7JP3-32U1-17)(P3.6JP3-31U1-16)(P3.5JP3-30U1-15)(P3.4JP3-29U1-14

24、)(P3.3JP3-28U1-13)(P3.2JP3-27U1-12)(P3.1JP3-26U1-11)(P3.0JP3-25U1-10)(P2.7JP3-24U1-28)(P2.6JP3-23U1-27)(P2.5JP3-22U1-26)(P2.4JP3-21U1-25)(P2.3JP3-20U1-24)(P2.2JP3-19U1-23)(P2.1JP3-18U1-22)(P2.0JP3-17U1-21)(P1.7JP1-4JP3-8U1-8)(P1.6JP1-5JP3-7U1-7)(P1.5JP1-6JP3-6U1-6)(P1.4JP3-5U1-5)(P1.3JP3-4U1-4)(P1.2

25、JP3-3U1-3)(P1.1JP3-2U1-2)(P1.0JP3-1U1-1)(P0.7JP3-16U1-32)(P0.6JP3-15U1-33)(P0.5JP3-14U1-34)(P0.4JP3-13U1-35)(P0.3JP3-12U1-36)(P0.2JP3-11U1-37)(P0.1JP3-10U1-38)(P0.0JP3-9U1-39)(NetR1_2R1-2VD1-1)(NetC1_2C1-2JP1-3R2-2S1-2U1-9)(NetC2_2C2-2U1-18Y1-2)(NetC3_2C3-2U1-19Y1-1)(GNDC2-1C3-1C4-1C5-2JP1-1JP2-1JP3-39JP3-40U1-20VD2-1)(ALEJP3-33U1-30)8、PCB板9、DRC檢測結果五、實訓心得 1、設計過程中的一些問題、解決的方法或思考。1.問題：在制作PCB板時出現(xiàn)有的元件沒有連接的線解決：在原理圖上修改連接線2.問題：存在自由文檔解決：點擊右鍵“add to prjpcb”即可歸入項目下3.問題：無法通過網(wǎng)絡表獲取元件解決：所有文件必須同名4.問題：元件沒有加載到自己制作封裝解決：打開自制封裝，加載進去5.問題：有些自修的元件沒有改封裝解決：雙擊該元件，加載該要的