简单51单片机开发板的电路设计

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
2.2 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
2.24 24C08
图2.24(1) 24C08引脚图
表2.24 24C08功能表
图2.24(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-DC5V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 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
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。