1、 电子科技大学光电信息学院课程设计（论文）课程名称 单片机原理及应用 题目名称 利用电路设计软件 Protel 进行单片机硬件电路的设计 学 号 2605302024 姓 名 贾宏宇 指导老师 漆强 起止时间 2009 年 5 月 1 日至 2009 年 5 月 30 日 2009 年 5 月 30 日电路设计软件进行单片机硬件电路的设计贾宏宇 指导老师：漆强（光电信息学院 26053020 班）摘要：单片机最小系统，无论对单片机初学人员还是开发人员都具有十分重要的意义，可以利用最小系统进行编程实现工业控制。单片机最小系统电路板在单片机开发市场和大学生电子设计方面十分流行。本次课程设计包括 A
2、T89S52 单片机最小系统（包括复位和时钟电路）及供电系统、44 矩阵键盘、独立 4 个 8 段 LED 数码管显示电路。利用 Protel 电路设计软件进行原理图设计，PCB 布线，借此巩固单片机应用、模拟电路、数字电路课程及学会工程软件 protel 的使用。关键字：单片机 最小系统 Protel 矩阵键盘 LED 显示0 引言单片机对于工业控制界来说，意义是革命性的。从世界上第一块单片机最初的简单控制功能到如今能够满足不同场合的需要，仅仅经历了不到 30 年的时间。如今世界知名的半导体公司大多有其独立的单片机系列产品。比较著名的有 ATMEL 公司的 AVR（简化指令）系列、德州仪器公
3、司的 MSP430（超低功耗）系列、美国半导体公司的 COP8（内含高性能 16位 AD）系列、摩托罗拉公司 68HC08（低频高速）系列等。全世界范围内从事单片机开发的人员有上百万之多，原因就是单片机最大的特点：性能十分稳定、适应能力强，并且开发价格低廉、门槛低，非常适用于工业控制。单片机编程只需要一台电脑、一个下载器和一块单片机开发板即可。本次设计是对单片机最小系统的设计，通过进一步扩展可做成单片机开发板。1 设计部分分析1.1 各模块介绍1.1.1 单片机 AT89S521AT89S52 8 位单片机是 MSC-51系列产品的升级版，有世界著名半导体公司 ATMEL 在购买 MSC-51
4、设计结构后，利用自身优势技术（掉电不丢数据）闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品。与此同时，世界上其他的著名公司也通过基本的 51 内核，结合公司自身技术进行改进生产，推广一批如 51F020等高性能单片机。AT89S52 片内集成 256 字节程序运行空间、8K 字节 Flash 存储空间，支持最大 64K 外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在 0-33M 之间。片内资源有 4 组 I/O 控制端口、3 个定时器、8 个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。可以在 4V 到 5.5V 宽电压范围内正常工作。不断发展
5、的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线，仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销 10 年不衰。根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插 DIP-40的封装。DIP-40 封装 89S52 引脚图1.1.2 复位电路及时钟电路复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。复位电路通常分为两种：上电复位和手动复位。2 RST下C1GNDV2?W-PB上电复位 手动复位有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位。所以本次设计选用手动
6、复位。高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。但是告诉对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，本次设计选取 8.000M 无源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2 引脚。并联 2 个30pF 陶瓷电容帮助起振。1.1.3 八段数码管显示LED 数码管显示是利用半导体发光制成条形的发光二极管，封装在一起组成数字或其他符号形状。数码管根据公共端不同，分为共阴极和共阳极两种形式。 abcdefgDPCA共阴极数码管 共阳极数码管根据设计需
7、要，本次选用共阴极数码管。由于一个数码管不能实现多位数显示，同时从节省 I/O 端口考虑，结合数电知识，利用 74LS139 并联四个一位 8 段数码管。由于点亮数码管需要 10-100 毫安电流，单片机输出口难以提供，所以加 9013 型 NPN 三极管在接入数码管前进行扩流。74LS139 是德州仪器公司生产的集成 2 个 2-4 译码器芯片。单片机控制译码器，四个公共端接芯片的 Y0、Y1、Y2、Y3，实现对四个数码管的选通。这样，单片机一组端口控制数码管阳极，74 芯片通过另外端口选通阴极，即可实现不同数码管显示不同数字。由于74LS139 是低电平有效，所以也适用于共阴极数码管。31
8、.1.4 44 矩阵键盘设计矩阵键盘是在要求按键不多是的一种简易键盘设计。与编码键盘相比，矩阵键盘不需要专门的编码芯片，从而成本低，设计简单，用简单的面包板即可搭成。缺点是占用单片机端口较多，而且编程实现行扫描列扫描比较占用资源。键盘的原理是在一端接入高电平，用单片机一个端口去检测按键另一端的电平，另一端也是高电平时，说明按键被按下。44 矩阵键盘，分为 4 行 4 列，在每列加上拉电阻（加高电平） ，然后用程序控制行扫描和列扫描，判断具体哪个按键被按下。由于本身键盘的特点，再设计程序是需要加入消除抖动处理。1.1.5 8 位 AD 电压采样电路本次设计在基本要求的基础上，增加了 8 位电压采
9、样电路。美国模拟器件公司是世界先进的模拟器件公司。AD775 是 CMOS 工艺低功耗中速 8 位 AD 采样芯片。和单片机配合可以很好的实现电压量的采样。该芯片供电电压很宽，可以用 5V 供电。芯片输出口是三态，好控制。1.1.6 串口通信电路MAX232 是电平转换芯片。1970 年，美国电气学会规定“RS232”串口通信协议。规定逻辑“1” ，-5 -15V；逻辑“0” ，+5 +15V 。噪声容限为 2V。要实现利用串口与单片机进行通信，就要进行电平转换，把标准转化成单片机可以识别的。MAX220MAX249 都是电平转换芯片，在单片机最小系统中，使用 MAX232。1.1.7 单片机
10、供电系统单片机供电采用 7805 三端线性稳压芯片配合直流稳压电源构成。直流输入低于 18V 的直流电，输出为 5V（误差小于 5%） ，完全满足单片机及其他芯片的要求。1.2 设计软件 Prorel1.2.1 软件简介Protel 公司于 80 年代末推出了 Protel电子行业的 CAD 软件，由于最初在国内普及率较高，所以发展较好，大多数公司中低频电路设计都采用此软件。早期的版本主要用于印刷版自动布线。后来推出著名的 Protel 99se,能够在 Windows 9X/XP 下运行。2000 年以后，Altium 公司又推出了该软件的升级版 Altium Designer。Altium
11、 Designer 在原有的基础上做出了很大的改进，能够打开如 Pspice 等仿真软件做出的文件。虽然市场上还有很多电路设计软件，但是该软件还是占有很大的市场份额。现在业界最高版本为 Altium Designer Winter 09版。最高版本支持中文输入，修正了以前软件的一些 BUG，并且增加了许多人性化的操作，使用起来更便捷，同时扩充了元件库，在自动布线和模型方面也做了很多优化，增加包括对FPGA 项目的支持，同时还增加了 BGA 封装的布线处理（如 INTEL CPU 就是这种封装） ，增加了很多仿真技术。本软件存在的缺点是高频模型不够理想，所以失去了很多市场，对于极其专业的设计方面
12、，显得有些黔驴技穷。但是在一般领域的应用，这款软件的强大功能足以够用。本次设计使用的是 Altium Designer Winter 09 版本。1.2.2 Protel 电路设计及布线基本规则该软件简单易学，了解了基本规则以后就可以进行电路板设计。主要掌握内容包括：原理图连线、元件库熟悉、元件库制作、元件封装选取、pcb 图生成、印制板规则设置、印制板走线、元器件摆放、基本电磁兼容。4规则设置和印刷版走线比较难掌握。在初学时主要遇到的几个问题包括设置线宽（12mil ） ；设置过孔大小；设置铺铜与走线的距离（10mil ） ；版面的安排。由于软件功能十分强大，想了解全部功能需要几个月的学习，
13、而且要做出高质量的印制板需要长期大量的工程实践。所以此次设计仅能达到基本要求，更高的标准还需要慢慢提高。2 最小系统 Protel 制图建立工程：单片机.Prjpcb,添加单片机.Schdoc 单片机.Pcbdoc 2.1 原理图部分2.1.1 原理图简介根据课程设计要求及实际情况，本次设计原理图包括九部分：AT89S52 、44 矩阵键盘、四位 8 段 LED 显示、复位电路、时钟电路、电源、并口下载接口、电压采样电路、串口通信电路（整图见附录 1） 。电路设计使用到了单片机原理及应用、数字电路、模拟电路的相关知识。整个设计过程中，自制了元件库一个（按键开关、单片机、4 为排阻） 、封装一个
14、（按键开关） 。原理图设计主要工作量在于电路设计、制作元件库、元件命名、封装正确合适选取。通过几天的努力，基本完成了设计目标。2.1.2 最小系统能实现的基本功能最小系统设计了供电电路及接口，接入 9V 直流电源，即可启动最小系统。下载线通过并口下载端口连接计算机，在计算机上装入与此单片机匹配的下载软件，即可对单片机进行程序烧写。如果发现程序运行问题，可按下复位重新开始运行。程序编写需按照 8M 晶振所提供的时钟周期。写入扫描键盘程序，可以读出键盘操作，在数码管中显示，采样电压进行处理，与计算机进行通信等。2.2 印刷版部分2.2.1 印刷版制作过程由于单片机及其他元件引脚较多，单层板难以实现
15、，所以使用双层板，方便走线。将绘制好的原理图点击 Update Pcb Document 单片机.pcbdoc 选项,将原理图导入，得到一堆未连线的元器件。先对元件进行基本的摆放，再对照原理图进行细致的安排。摆放元器件考虑实际电路特性以及美观、实用性。准备工作做完以后，需要对印刷版规则进行设置。本次设计设置 minimum clearance 为 15mil，最小线宽 12mil，默认线宽 15mil。然后进行连线。连线尽量整齐，并考虑线长对系统的影响 在布线过程中不断调整元件位置和元器件封装，完成后设置印制板边框，对板正面铺铜为 VCC，背面铺铜 GND。由于元件封装遵循的规则与对于一些与规
16、则有冲突的地方在版图上会显示出绿色，确认冲突并不影响实际版图功能的时候，可以不用修改规则，忽略冲突。2.2.2 印刷版质量对系统的影响在高频电路中，印刷版对系统性能的影响非常大。此次设计电路最高频率为 8M，由于电路数字部分没有影响到其他部分的工作，所以用磁珠区分模拟地和数字地。为了提高性能，通常采取遵循以下几种方式：大电流线与信号线间隔尽量远；信号线走线要短、并且要直；采用大面积铺地，同时存在模拟电路和数字电路时，供电和铺地要分开；电流线走电路的外沿；存在大电感或是对其他部分产生干扰的元件时，要考虑元件放置方向和有效的屏蔽。在实际布线中，考虑到电源对电路的影响，在电路中加入去耦电容和旁路电容
17、，以提高系统稳定性。根据单片机的特性，复位电路和时钟电路离单片机距离较近，键盘显示离单片机较远。电流大些的线根据实际情况用粗线。缩小版面同时提高性能对设计者有很高的要求。但是，最小系统用于开发和学习，不适宜做的很小，所以此次设计，在板上留有较多空间。印刷版图见附件 2、3。3 课程设计总结通过本次设计，对单片机硬件电路有了很多更新的认识，让原来纸面化的知识变成了实际的。也让模拟电路、数字电路和单片机应用相关的知识得到了巩固，同时基本学会工程软件 Protel 的使用。本次设计历时 20 天，从选题到最终完成设计，在漆强老师的指导下独立完成。实现了设计任务书中的全部要求。感谢光电学院的课程设计的
18、这样一个实训过程，对大学生动手能力和科研能力的提高有很大帮助，同时，感谢漆强老师对此次设计的指导和审阅。4 参考文献1ATMEL公司.AT89S52 8-bit Microcontroller with 8K Bytes In-System Programmable Flash datasheet，2001.52 Analog Device公 司 . 8-Bit 20 MSPS, 60 mW Sampling A/D Converter datasheet，2002，83姜志海.单片机原理及应用.北京：电子工业出版社，2005.74德州仪器公司.74LS139 Dual 2-Line To 4
19、-Line Decoders/Demultiplexers，1988.3.15刘文涛. Protel 2004设计及应用基础教程与上机指导.北京.清华大学出版社,2006.2P10234567INTE/X9RSWLGVCU下KuFMYpBOfdby-wrQsktJ*()mH+电子科技大学光电信息学院课程设计（论文）教师评阅表课程名称 单片机及应用 题目名称 利用电路设计软件 Protel 进行单片机硬件电路的设计 学 号 2605302024 姓 名 贾宏宇 评阅标准 得分学习态度（学习态度能否认真，设计（论文）有无抄袭情况）（010 分）教师评阅工作量（能否很好地完成任务书规定的工作量，设计
20、内容是否全面）（010 分）规范要求（图形、表格、公式的表达是否清晰、正确，论文的书写是否符合规范化要求） （015 分）实际能力（能否认真阅读教师指定的参考资料、文献，是否能阅读与课程设计有关的自选资料；基础理论和专业知识是否扎实，能否正确运用基本理论和基本技能；能否独立分析、解决设计问题，设计方案是否正确，有无重大原则性错误；文字表达能力如何，能否准确地表达自己的设计思想或论文意图） （040 分）学识水平（论文是否有独到见解或设计是否有较大创新，对课题是否有较深刻的分析和研究，论文或设计是否有较大的实用价值或较高的学术水平，成果是否突出（025 分）总 计评阅教师评语（包括学习态度及工作量；课程设计（论文）内容及规范性；课程设计（论文）表达能力等方面）：评阅教师签字：年 月 日
