Protel-DXP最小单片机系统电路板设计

江西机电职业技术学院EDA课程设计报告班级：姓名：实训地点：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）51单片机复位电路工作原理（网址：）1、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。

2、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。

开机的时候为什么为复位在电路图中，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0~3.5V增加。

这个时候10K电阻两端的电压为从5~1.5V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5V~1.5V。

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）。

按键按下的时候为什么会复位在单片机启动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，只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。

晶振电路的作用（网址：）电容大小没有固定值。

一般二三十p。

晶振是给单片机提供工作信号脉冲的。

这个脉冲就是单片机的工作速度。

比如12M晶振。

单片机工作速度就是每秒12M。

和电脑的CPU概念一样。

当然。

单片机的工作频率是有范围的。

不能太大。

一般24M就不上去了。

不然不稳定。

接地的话数字电路弄的来乱一点也无所谓。

看板子上有没有模拟电路。

接地方式也是不固定的。

一般串联式接地。

从小信号到大信号依次接。

然后小信号连到接地来削减偕波对电路的稳定性的影响，所以晶振所配的电容在10pf-50pf之间都可以的，没有什么计算公式。

但是主流是接入两个33pf的瓷片电容，所以还是随主流。

晶振电路的原理晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。

由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近,在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。

这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄,所以即使其他元件的参数变化很大,这个振荡器的频率也不会有很大的变化。

晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容,就可以得到晶振标称的谐振频率。

一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器(注意是放大器不是反相器)的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地,这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容,这个不能忽略。

一般的晶振的负载电容为15p或12.5p ，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。

P1口LED电路LED循环轮流点亮设计电路如图２所示。

将单片机第40脚Vcc接电源+5V，第20脚Vss接地,为单片机工作提供能源。

将第19脚XTAL1与18脚XTAL2分别接外部晶体两个引脚，由石英晶体组成振荡器，保证单片机内部各部分有序地工作。

对外部C1、C2的取值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性。

C1、C2通常取值C1=C2=30PF左右。

8051的晶振最高振荡频率为12M，A T89C51的外部晶振最高频率可到24M。

P1口定义为带有上拉电阻8位准双向I/O口，功能单一，每一位可独立定义为输入输出，CPU对P1口操作可以是字节操作，也可以是位操作。

P1作为输出口使用时，它的内部电路已经提供了一个推拉电流负载，外接了一个上拉电阻，外电路无需再接上拉电阻，与一般的双向口使用方法相同；作为输入口使用时，应先向其锁存器写入“1”，使输出驱动电路的FET截止。

若不先对它置“1”，读入的数据是不准确的。

P1口输出控制程序的设计主要包括控制输出程序设计与延时程序设计。

（1）输出控制：当P1.5端口输出低电平，即P1.5=0，这时LED亮，反之，LED灭，可以使用P1.5=0指令使P1.5端口输出低电平，同样利用指令使P1.5端口输出高电平。

（2）延时程序：单片机指令的执行时间是很短的，数量大多是微秒级，因此，我们要求的闪烁时间间隔为0.2s，相对于微秒来说，相差太大，因此在执行某一指令时，插入延时程，来解决这一问题。

开关状态检测过程：单片机对开关状态的检测相对于单片机来说，是从单片机的端口输入信号，而输入的信号只有高电平和低电平两种，要能正确输入信号，先使P1端口P1.0-P1.3置1。

可轮流检测每个开关状态，根据每个开关的状态让相应的二极管指示，也可以一次性检测四路开关状态，然后让其指示。

3、PCB布板中元件布局的分析PCB布板中元件布局的原理（）1.元件排列规则1).在通常条件下,所有的元件均应布置在印制电路的同一面上，只有在顶层元件过密时，才能将一些高度有限并且发热量小的器件，如贴片电阻、贴片电容、贴IC等放在底层。

2).在保证电气性能的前提下，元件应放置在栅格上且相互平行或垂直排列，以求整齐、美观，一般情况下不允许元件重叠；元件排列要紧凑，输入和输出元件尽量远离。

3).某元器件或导线之间可能存在较高的电位差，应加大它们的距离，以免因放电、击穿而引起意外短路。

4).带高电压的元件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

5).位于板边缘的元件，离板边缘至少有2个板厚的距离6).元件在整个板面上应分布均匀、疏密一致。

2.按照信号走向布局原则1).通常按照信号的流程逐个安排各个功能电路单元的位置，以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它进行布局。

2).元件的布局应便于信号流通，使信号尽可能保持一致方向。

多数情况下，信号的流向安排为从左到右或从上到下，与输入、输出端直接相连的元件应当放在靠近输入、输出接插件或连接器的地方。

3.防止电磁干扰1).对辐射电磁场较强的元件，以及对电磁感应较灵敏的元件，应加大它们相互之间的距离或加以屏蔽，元件放置的方向应与相邻的印制导线交叉。

2).尽量避免高低电压器件相互混杂、强弱信号的器件交错在一起。

3).对于会产生磁场的元件，如变压器、扬声器、电感等，布局时应注意减少磁力线对印制导线的切割，相邻元件磁场方向应相互垂直，减少彼此之间的耦合。

4).对干扰源进行屏蔽，屏蔽罩应有良好的接地。

5).在高频工作的电路，要考虑元件之间的分布参数的影响。

4. 抑制热干扰1）对于发热元件，应优先安排在利于散热的位置，必要时可以单独设置散热器或小风扇，以降低温度，减少对邻近元件的影响。

2).一些功耗大的集成块、大或中功率管、电阻等元件，要布置在容易散热的地方，并与其它元件隔开一定距离。

3).热敏元件应紧贴被测元件并远离高温区域，以免受到其它发热功当量元件影响，引起误动作。

4).双面放置元件时，底层一般不放置发热元件。

5.可调元件的布局对于电位器、可变电容器、可调电感线圈或微动开关等可调元件的布局应考虑整的结要求，若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应；若是机内调节，则应放置在印制电路板于调节的地方。

关于PCB元器件布局检查规则PCB布板过程，对系统布局完毕以后，要对PCB图进行审查，看系统的布局是否合理，是否能够达到最优的效果。

通常可以从以下若干方面进行考察：1. 系统布局是否保证布线的合理或者最优，是否能保证布线的可靠进行，是否能保证电路工作的可靠性。

在布局的时候需要对信号的走向以及电源和地线网络有整体的了解和规划。

2. 印制板尺寸是否与加工图纸尺寸相符，能否符合PCB制造工艺要求、有无行为标记。

这一点需要特别注意，不少PCB板的电路布局和布线都设计得很漂亮、合理，但是疏忽了定位接插件的精确定位，导致设计的电路无法和其他电路对接。

3. 元件在二维、三维空间上有无冲突。

注意器件的实际尺寸，特别是器件的高度。

在焊接免布局的元器件，高度一般不能超过3mm。

4. 元件布局是否疏密有序、排列整齐，是否全部布完。

在元器件布局的时候，不仅要考虑信号的走向和信号的类型、需要注意或者保护的地方，同时也要考虑器件布局的整体密度，做到疏密均匀。

5. 需经常更换的元件能否方便地更换，插件板插入设备是否方便。

应保证经常更换的元器件的更换和接插的方便和可靠。

6. 调整可调元件是否方便。

7.热敏元件与发热元件之间是否有适当的距离。

8. 在需要散热的地方是否装有散热器或者风扇，空气流否通畅。

应注意元器件和电路板的散热。

9. 信号走向是否顺畅且互连最短。

10. 插头、插座等与机械设计是否矛盾。

11. 线路的干扰问题是否有所考虑。

12. 电路板的机械强度和性能是否有所考虑。

13. 电路板布局的艺术性及其美观性。

利用飞线手工布局和布线一个印制板的布线是否能够顺利完成，主要取决于布局，而且，布线的密度越高，布局就越重要。