电路设计CAD报告Word文档下载推荐.docx
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ST89C51
40PinDIP封装DIP40
Res
Resistor
AXIAL-0.3
74Hc573
dip20
无极电容
RAD-0.3
7805
TO-220
8段LED
a—dp分别接p30—P37
LEDDIP-12
S1-s16键盘（单个按纽）
实验室有（6*6mm）
DIP4（6*6mm;
12*12mm,5*5mm,3*6）
LED发光二极管
LED0
XTAL
J12
2pin排针
HDR1X2H
J3,j5
20pin双排针
HDR2X20H
1602
16pin排座
HDR1X16
12864
20pin排座
HDR1X20
Switch
拨动开关3脚2档
Switch开关封装尺寸见图
Switch开关封装尺寸见下图：
图1Switch开关封装尺寸
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，初学人员可以利用最小系统逐渐了解单片机的设计原理与功能，开发人员可以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，设计单片机最小系统电路板，能够让设计者迅速掌握单片机应用的技术特点与实际要求。
印制电路板技术正在飞速发展，在各个领域得到了广泛应用。
本次设计以此为出发点，结合单片机最小系统的基本原理，以STC89C51为核心，在AltiumDesigner10平台下从对电路进行设计，并在AltiumDesigner10平台下对单片机最小系统进行了详细的原理图设计以及PCB设计。
利用AltiumDesigner10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AltiumDesigner10的使用。
关键字：
AltiumDesigner10；
印制电路板；
最小系统；
STC89C51
Abstract
MCUminimumsystem,it’sofgreatsignificanceforbothMCUbeginnerordeveloper.BeginnerscantakeadvantageofgettingtoknowtheminimumsystemdesignprinciplesandfunctionofMCU，developerscanuseminimumsystemtoprogramforindustrialcontrol.MCUminimumsystemboardareverypopularintheMCUdevelopmarketandcollegestudentselectronicdesign.DesignofMCU,allowingdesignerstoquicklygraspthetechnicalcharacteristicsofMCUapplicationandtheactualrequirements.
Printedcircuitboardtechnologyisdevelopingbyleapsandbounds,ithasgottheextensiveapplicationinvariousfields.Thisdesignsetitasastartingpoint,combiningthebasicprinciplesofMCUminimumsystem,tothecoreofSTC89C51,wedesignthecircuitInAltiumDesigner10platform,meanwhilewegivethecircuitadetailedschematicdesignandPCBdesignInAltiumDesigner10platform.UsingAltiumDesigner10;
softwaretodesignschematiccircuitdiagram,PCBrouting,wecanconsolidatetheMCUapplications,analogcircuits,digitalcircuitscourseandlearntouseengineeringsoftwareAltiumDesigner10.
Keywords:
AltiumDesigner10;
printedcircuitboard;
minimumsystem;
1概述
1.1AltiumDesigner软件的介绍
AltiumDesigner是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在WindowsXP操作系统。
这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。
AltiumDesigner除了全面继承包括Protel99SE、ProtelDXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。
该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。
由于AltiumDesigner在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，AltiumDesigner对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。
1.2AltiumDesigner软件的发展
•1991年，Altium公司发布了世界上第一个基于Windows的PCB设计系统，AdvancedPCB
•1997年，Altium公司发布了专为WindowsNT平台构建的Protel98
•1999年，Altium公司发布了Protel99和第二个版本Protel99SE
为了更好的反映公司是在嵌入式领域、FPGA设计领域以及EDA市场拥有多个品牌的新的市场地位，ProtelInternational公司在2001年8月6日正式更名为Altium公司。
•2002年，Altium公司重新设计了设计浏览器（DXP）平台，并发布第一个在新DXP平台上使用的产品（ProtelDXP）
•2004年，Altium公司推出Protel2004，该软件提供PCB与FPGA双向协同设计功能
•2005年年底，Altium公司推出AltiumDesigner6.0版本随着PCB设计软件包的成功，Altium公司开始扩大其产品范围，包括原理图输入、PCB自动布线和自动PCB器件布局软件。
•2006年5月，Altium公司发布AltiumDesigner6.3版本
•2008年夏季，Altium公司推出了AltiumDesignersummer08版本
•2009年冬季，Altium公司推出了AltiumDesignerWinter09版本
•之后相继推出10版、11版，2012年3月5日，Altium公司宣布推出Altium
1.3AltiumDesigner软件的功能
AltiumDesigner构建于一整套板级设计及实现特性上，其中包括原理图设计、印制电路板设计、混合信号电路仿真、布局前/后信号完整性分析、规则驱动PCB布局与编辑、改进型拓扑自动布线及全部计算机辅助制造（CAM）输出能力等。
AltiumDesigner的PCB电路图设计系统完全利用了WindowsXP和WindowsVista平台的优势，具有改进的稳定性、增强的图形功能和友好的用户界面。
1.4课题设计原理分析
本课题是51单片机最小系统的制作，该系统是专门针对STC89C51/89C52单片机的最小系统系统开发的；
对51系列单片机来说,单片机+晶振电路+复位电路,便组成了一个最小系统.可以利用Altium
Designer强大的辅助设计功能为平台设计出其硬件电路部分，实现其51单片机最小系统的功能。
1.5课程设计目的及作用
利用AltiumDesigner设计出51单片机的最小系统，熟悉AltiumDesigner的设计流程，掌握AltiumDesigner的各种功能和操作。
使学生学会绘制电路原理图、电路查错、仿真、PCB（PrintedCircuitBoard，印刷电路板）设计培养我们的动手能力，以及理论联系实际的能力，并作为电路设计CAD课程的考察依据。
2单片机最小系统原理图设计
2.1原理图设计的一般流程
一般来说，设计一个电路的原理图主要包括设置编辑器参数、规划布局、放置元件、布线、检查调整以及保存和输出等步骤如图2—1所示
图2-1原理图设计的基本流程
（1）启动原理图编辑器
首先需要启动AltiumDesigner的原理图编辑器,如图2-2所示：
图2-2原理图编辑器界面
（2）设置图纸及工作界面参数
绘制原理图之前需要根据设计内容的复杂程度选择合适的图纸，并根据用户的需要以及习惯对工作区进行设置，方便具体的原理图设计操作。
（3）放置元件和布局
规划元件布局，从元件库中找到所需的元件，并放置到图纸上。
然后对元件的标号、属性等进行设置。
元件的布局一般遵循以下几个原则：
同一功能模块尽量放到一起，可以方便的理解电路结构，同时便于管理。
元件的摆放有利于布线，方便进行布线操作。
美观。
（4）布线和调整
放置好元件后就可以将各个引脚按功能用导线连接到一起了，同时根据布线的需要对元件布局进行一些调整
（5）对原理图进行检查和修改
完成原理图的绘制后还需要对其进行进一步的检查和修改。
主要包括两部分：
一是确保原理图绘制的正确性，没有疏漏和误连接，这一点可以借助AltiumDesigner提供的电气检查功能（DRC）来实现；
二是从逻辑上检查所设计的电路是否能是实现所需要的功能，及设计者需要对自己的设计思路进行反思，确保电路在原理上的正确性，这一点非常重要，一个电路设计最终能够正确、可靠的实现预期的功能。
往往取决于设计者的思路是否正确、对可能遇到的问题是否做了充分的考虑，这也从根本上评判了电路设计的好坏。
对设计进行充分的检查，尽可能的把问题在原理设计阶段解决，能够极大地提高电路设计的效率，减少返工的次数，从而能够有效地缩短整个设计周期、降低设计成本。
否则等到了完成PCB的设计甚至已经加工电路板才发现原理图设计上的疏漏，就会造成极大的人力和物力的浪费。
（6）生成网络表等报表
设计好原理图之后需要生成网络表，用以进行后续的PCB设计，还可以选择元件清单等各种报表，用以进行器件的购买以及进行电路评判等工作。
（7）保存输出
对最终完成的原理图设计要进行保存，在设计的过程中也要经常对设计资料进行保存，避免发生意外导致设计资料的丢失。
如果需要可以将原理图打印输出。
电源
2.2单片机最小系统电路系统框图
显示电路
图2-3单片机最小系统总体框图
2.3单片机最小系统各模块
（1）89C51单片机结构框图
89C51内部集成了CPU、RAM、ROM定时/计数器和I/O口等各功能部件，并由内部总线把这些部件连接在一起。
89C51单片机内部包含以下一些功能部件：
①一个8位CPU;
②一个片内振荡器和时钟电路；
③4KBROM（80C51有4KB掩膜ROM,87C51有4KBEPROM,80C31片内无ROM）；
④128B内RAM；
⑤可寻址64KB的外ROM和外RAM控制电路；
⑥两个16位定时/计数器；
⑦21个特许功能寄存器；
⑧4个8位并行I/O口，共32条可编程I/O端线
⑨一个可编程全双工串行口；
⑩5个中断源，可设置成2个优先级。
89C51单片机一般采用双列直插DIP封装，共40个引脚，图2-4为引脚图和逻辑符号。
40个引脚大致可分为4类：
电源、时钟、控制和I/O引脚
图2-489C51引脚图及逻辑符号
（2）晶振电路模块
单片机晶振电路分内部和外部时钟两种方式。
晶振是电路中常用用的时钟元件,全称是叫晶体震荡器，在单片机系统里晶振的作用非常大，他结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。
晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。
通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。
有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。
晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。
如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。
内部时钟方式：
最常用的内部时钟方式采用外接晶体和电容组成并联谐振电路。
MCS51单片机允许的震荡晶体频率范围1.2~24MHZ，一般为11.0529。
电容C1,C2的取值对振荡器的频率输出稳定性，大小以及振荡电路的起振速度有一定影响，一般在20~100pF直接选择，典型值为30pF。
图2-5晶振震荡图
（3）复位电路
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。
图2-6复位电路图
（4）电源部分设计
本设计是由外部提供5V电源，电源部分原理图如图2-7所示：
图2-7电源部分原理图
3.单片机最小系统电路PCB设计
3.1PCB设计的一般流程
PCB版图设计一般流程如图3-1所示：
图3-1PCB设计流程图
（1）原理图设计
在进行PCB设计之前一般都需要先进行原理图的绘制，设计电路从逻辑上所需实现的功能，然后指定好各个元件的封装信息，生成网络表。
如果电路简单，也可以通过PCB编辑器直接设计印制电路板，但这种情况不多。
（2）配置PCB编辑环境
在进行PCB设计之前，需要对编辑环境参数做一些设置，包括设置电路格点类型选择、光标样式、电路板板层设置等。
其中板层设置需要根据设计的电路情
况进行选择，其他环境参数用户可以根据个人习惯进行设置，一般采用默认即可。
（3）规划电路板
PCB设计首先要根据电路进行这个整体规划，主要是大概确定电路板的屋里尺寸，一般处于成本和设计要求的考虑需要电路板尽量小，到尺寸过小又会导致走线困难等问题，所以需要综合考虑。
电路板尺寸可以在进行元件布局时进一步调整，但一般要在布线之前确定最终尺寸。
（4）引入网络表
网络表是原理图同PCB之间的桥梁。
通过引入网络表，原理图中的元件封装就会引入到PCB编辑器中，同事根据原理图的定义确定各个元件引脚之间电气逻辑连接关系,如下图所示。
AltiumDesigner提供了原理图到PCB的直接同步功能，其实质上同引入网络表的作用是一样的。
图3-2导入PCB的元件封装图
（5）元件布局
通过网络表引入的元件封装就代表着实际元件的安放位置，调整其相互之间的位置关系就是布局要完成的工作。
在进行元件布局时要综合考虑走线以及功能等各种因素，良好的布局要保证电路功能的正常实现、避免元件之间的相互干扰，同事还要便于走线以及便于阅读。
合理的布局是保证电路板正常工作的基础，对后面的布线工作也有很大影响，在设计时要多加考虑。
设计中一般都采用手工布局，如果设计的电路很复杂，用到的元件很多，可以先使用自动布局功能进行整体布局，然后对局部在进行细致的手工修改。
（6）布线
布线是PCB的关键步骤，布线的成功与否直接决定了电路板的功能是实现。
AltiumDesigner提供了强大的自动布线功能，用户可以通过设置布线规则对导
线线宽、平行线间距、倒孔大小等各种参数加以约束，从而布置出既符合制作工艺要求又满足用户需求的导线。
自动布线完成后。
系统会给出布线成功率，导线总数等提示。
对于不符合要求的线路，用户可以手工进行调整。
（7）规则检查
AltiumDesigner提供规则检查功能，用于检查PCB的设计是否符合设置的规则，防止出现疏忽等原因导致的错误。
（8）导出PCB以及打印
完成PCB设计并检查无误后即可将PCB文件导出，提供给加工商进进行电路板的加工制作。
对设计结果还可以打印输出，便于对照查看。
3.2布线规则
（1）电源、地线的处理
既使在整个PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。
所以对电、地线的布线要认真对待，把电、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。
①众所周知的是在电源、地线之间加上去耦电容。
②尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：
地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为：
0.2～0.3mm,最经细宽度可达0.05～0.07mm,电源线为1.2～2.5mm
对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路,即构成一个地网来使用（模拟电路的地不能这样使用）
③用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。
或是做成多层板，电源，地线各占用一层。
从接地方式上看，在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件之间的电感影响小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应该用一点接地。
当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。
当工作频率在1MHz～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。
此PCB制作中采用单面敷铜板15厘米*10厘米完成单片机最小系统电路PCB板设计制作，在bottomlayer走线，VCC，GND最小铜膜线最小走线宽度为50mil。
（2）设置最小间距
规则列表共有六项，第一项Enabled（激活）是复选项，第二列是规则名称，在添加新的规则或查询与设置的某条规则属性，第三列Scope1是间距一侧的电路属性范围，第四列Scope2是间距另一侧电路的属性范围，第五列Connectivity是间距两侧电路的关系，第六列Gap是指这条规则设定的间距。
此设计中最小安全布线间距为15mil。
1 RoutingCorners（拐角方式）
本规则设置PCB上铜模走线的拐角方式，包括拐角形状，大小和最大、最小尺寸。
这个下拉列表共包括7项，即wholeboard（整个电路板）、layer（板层）、netclass（网络分组）、net（网络）、from-to–class（网络飞线分组）和region（范围）。
前6种规则适用范围的限定方法与最小间距规则的适用范围限定方法相同，style有45degrees、90degrees和rounde三种样式的选择。
2 RoutingLayers（布线层面）
本规则主要用于自动布线，也用于手工布线。
本规则为网络走线规定过孔的尺寸。
股则的适用范围设置方法与RoutingCorners（拐角方式）适用方式的设置方法相同。
规则的名称一般也都采用默认名，在RuleAttributes区域，可以设置过孔的外径与孔径的最大值、最小值和优先选用值。
3 WidthConstraint（布线宽度）
铜膜线宽度应以满足电气特性参数而又便于生产为准则，其最小值取决于流过它的电流，一般不宜小于0.2mm；
与使用环境温度、导线阻抗、元件数、过孔数以及运行频率等因素有关；
经验公式：
0.15×
线宽（W）=A；
导线宽度能宽不能细，一般信号线推荐使用10mil线宽。
（3）过孔设置
可以设置过孔的各种尺寸参数，过孔直径和过孔孔径都有3种定义方式Maximum（最大尺寸）、Minimum（最小尺寸）和Preferred（首选尺寸）。
默认的过孔直径为“50mil”，过孔孔径为“28mil”。
在PCB的编辑过程中，可以根据不同的元件设置不同的过孔大小，过孔尺寸应参考实际元件管脚的粗细进行设置。
（4）元件布局
可以将元件、元件类或封装分配给一个房间，房间可以定义在顶层或底层，并且可以确定目标保持在其内或其外。
当移动房间时，房间内的实体也随之移动。
房间定义可以失效，可以被锁定。
在进行手动布局时，移动器件期间，敲“N”可以使网络飞线暂时消失，当移动到指定位置后，网络飞线自动恢复。
在移动元件时，AltiumDesigner的基于连接长度动态分析器会自动分析布局好坏，并且动态显示绿线（好），红线（坏）。
当元件移动或放置时，X、Y方向可以按不同的格点移动。
只要点Design》Options菜单，在Options对话框中设置适合的格点就可以。
3.3由原理图生成PCB
对PCB按最小安全距离为15mil，最小铜膜线走线宽度为10mil，最小焊孔28mil、最小焊盘45mil，在bottomlayer走线，VCC，GND最小铜膜线最小走线宽度为50mil规则布线后，可以应用设计规则检查（DesignRuleCheck,DRC）功能进行检查，确定设计是否满足设计规则。
DRC可以测试各种违反的情况，入安全错误，未走线网络，线宽冲突等。
在电路不是很复杂的时候，主要是hi检查是否有未连接的引脚以及是否有冲突等，从而避免一些疏忽导致的错误，提高PCB的正确性。
执行Tools→DesignRuleCheck命令。
参考文献
AltiumDesigner提供规
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