51单片机实验板的PCB设计

51单片机实验板的PCB设计

摘要：设计一种基于C51单片机的开发板，该开发板具有成本低、体积小、可靠性高、功能齐全、低功耗设计、操作方便等特点。本论文详细介绍了该开发板的开发过程及相关硬件结构和软件设计。开发板以宏晶公司的STC89C52单片机为核心控制器，板上资源主要包括单片机最小系统、数模/模数模块、DS1302时钟模块、DS18B20温度传感器、RS232通信模块、PL2302USB转串口模块、液晶显示模块（LCD1602、LCD12864）、点阵显示模块、数码管动/静态显示模块、键盘模块、五轴步进电机、PWM直流电机等。针对部分硬件模块开发了相应的软件模块，包括数码管动态显示程序、LCD1602液晶显示程序、步进电机控制程序、键盘模块程序等。

开发板设计时将单片机以及各个模块的各个端口引出，既可以作为主控制模块安装于控制系统中执行控制任务，也可以用作实验板，完成单片机各类通用实验，操作简单，控制结果可见，性价比高，可以应用于高校的实验室等场合，具有一定的实用价值和现实意义。

关键词：C51 DS1302 DS18B20 通信液晶显示键盘

Abstract：自己翻译

1 引言

单片机具有成本低、体积小、可靠性高、具有高附加值、通过更改软件就可以改变控制对象等优点，单片机越来越成为电子工程师设计产品时的首选器件之一。因此拥有一块单片机开发板对单片机学习具有着极其重要的意义。但是单片机学习效果的优劣直接取决于单片机的选择，C51系列单片机内部具有128字节RAM、5个中断源、32条I/O口线、2个16位定时器、4KB的程序存储器、一个全双工异步串行口。本开发板选择具有ISP在线编程功能的C51单片机，该单片机不需要烧写器，可在开发板上ISP在线编程，具有广泛的应用前景。

C51单片机除兼容C51系列的单片机外，还具有工作频率0至33MHz的高工作频率；可以满足绝大多数的实际应用开发需求，在开发板上使用十分方便。

本课题设计的C51单片机开发板，具有一般开发板通用结构，并基于硬件进行相关软件设计。利用程序开发语言开发程序并实现ISP在线下载到单片机，无需配置单独的下载器。单片机使用STC—ISP在线下载程序，加快了程序设计者调试的进度，使设计者所设计的程序尽快得到验证。通过对开发板上的模块进行实验，可以提高针对不同硬件进行编程的能力，同时通过实验现象对所用的硬件也有了更深一步的认识，因此该开发板具有一定的实用价值和现实意义。

2 Protel 99 SE概述

随着电子行业的飞速发展，电子线路的设计日趋复杂，传统的人工方式早已无法适应，取而代之的是便捷、高效的计算机辅助设计方式，许多电子设计CAD 软件也应运而生。Protel就是这些软件中的典型代表。在众多计算机辅助设计工具云集的今天，历经新考验的Protel 99 SE仍以其易用、高效等优点赢得了众多电子设计者的青睐。

2.1 Protel 99 SE的发展历史

Protel是Protel Technology公司在20世纪80年代末推出的EDA软件，在电子行业中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件。

第一个应用于电子线路设计的软件包是1987-1988年由美国ACCEL Technologies 公司推出的TANGO，它开创了电子设计自动化(Electronic Design Automation，EDA)的先河。

20世纪90年代中期，Protel推出基于Windows 95的3.X版本，采用了新颖的主从式结构，但在自动布线方面却没有出众的表现，而且是16位与32位的混合型软件，运行不太稳定。

1998年，Protel公司推出了新版本的Protel 98，极大地增强了自动布线能力，从而获得了业内人士的一致好评。1999年，Protel公司又推出了更新一代的电子线路设计系统——Protel 99。

Protel 99 SE是Protel 99的增强版本，在文件组织方面既可以采用传统的Windows文件格式也可以采用Access数据库文件格式，同时具有更强大的功能和良好的操作性，给设计者的工作带来了更大的便利。

此外Protel公司还不断推出Protel 99的升级包，对原有系统的问题加以修正和改良，目前最新版本出到了Service Pack 6。

2.2 Protel 99 SE的主要特点

Protel 99 SE是一个Client/Server型的应用程序，它提供了一个基本的框架窗口和相应的Protel 99 SE组件之间的用户接口，在运行主程序时各服务器程序可在需要的时间调用，从而加快了主程序的启动速度，而且极大地提高了软件本身的可扩展性。Protel 99 SE中的这些服务程序基本上可以分为5大组件，即原理图设计组件、PCB设计组件、布线组件、可编程逻辑器件组件和仿真组件。其中原理图设计组件和PCB设计组件是一般设计工作中的重点，而其他组件可以说是为这两个组件服务的。

图2-1 Protel99SE打开界面

1.2.1 原理图设计组件

包括电路图编辑器、电路图元件库编辑器和各种文本编辑器。为用户提供了智能化的高速原理图编辑方法，能够准确地生成原理图设计输出，具有自动化的连线工具，同时具有强大的电气规则检测(ERC)功能。其主要特点归纳如下。

1．模块化的原理图设计

2．具有强大的原理图编辑功能

3．功能强大的电气检测

4．完善的库元件编辑和管理功能

5．同步设计功能

1.2.2 PCB设计组件

进行电路设计最终是要设计出一个高质量的可加工的PCB，这是一个电子产品的基础。因而PCB设计系统的功能往往是用户在选用EDA软件时最关心的，而Protel 99 SE在这方面做出了突出的表现。

1．具有32位高精度设计系统

2．丰富而灵活的编辑功能

3．功能完善的元件封装编辑和管理器

4．强大的布线功能

5．完备的设计规则检查(DRC)功能

1.2.3 PCB自动布线组件

Protel 99 SE的自动布线组件是通过PCB编辑器实现与用户的交互的。其布局方法是基于人工智能，对PCB版面进行优化设计，采用了拆线重组的多层迷宫布线算法，可以同时处理全部信号层的自动布线，并不断进行优化，如图1.6所示。

图1.6 PCB自动布线结果

1.2.4 可编程逻辑器件设计组件