电路设计CAD报告.docx

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电路设计CAD报告

电路设计CAD课程考核报告

课程名称电路设计CAD

学生姓名学号

所在院（系）

专业班级

指导教师

完成地点陕西理工学院

2013年12月15日

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;STC89C51

1概述

1.1AltiumDesigner软件的介绍

Altium（前称ProtelInternationalLimited）有限公司由NickMatrin于1985年在塔斯马尼亚岛的霍巴特成立，用来开发基于计算机的软件来辅助进行印制电路板（PCB）设计。

公司所推出的第一套DOS版本PCB设计工具被澳大利亚电子行业广泛接受，到1986年中期，Altium公司开始通过销售商向美国和欧洲出口设计包。

随着PCB设计包的成功，Altium开始扩大产品范围，所生产的产品包括原理图输入、PCB自动布线以及自动PCB元件布局软件。

AltiumDesigner提供了唯一一款统一的应用方案，其综合电子产品一体化开发所需的所有必须技术和功能。

AltiumDesigner在单一设计环境中集成板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB版图设计、编辑和制造。

并集成了现代设计数据管理功能,使得AltiumDesigner成为电子产品开发的完整解决方案－一个既满足当前，也满足未来开发需求的解决方案。

最新发布的AltiumDesigner10为您带来了一个全新的管理元AltiumDesignerrelease10器件的方法。

其中包括新的用途系统、修改管理、新的生命周期和审批制度、实时供应链管理等更多的新功能!

Release10将继续保持不断插入新的功能和技术的过程，使得您可以更方便轻松地创建您的下一代电子产品设计。

Altium的统一的设计架构以将硬件，软件和可编程硬件等等集成到一个单一的应用程序中而闻名。

它可让您在一个项目内，甚或是整个团队里自由地探索和开发新的设计创意和设计思想，团队中的每个人都拥有对于整个设计过程的统一的设计视图。

AltiumDesigner10提供了一个强大的高集成度的板级设计发布过程，它可以验证并将您的设计和制造数据进行打包，这些操作只需一键完成，从而避免了人为交互中可能出现的错误。

发布管理系统简化规范了发布您的设计项目的流程，或者更具体地说，是那些项目中定义的配置，直观，简洁而且稳定。

更重要的是，该系统可以被直接链接到您的后台版本控制系统。

新增的强大的预发布验证手段的组合-用以确保所有包含在发布中的设计文件都是当前的，与存储在您的版本控制系统中的相应的文件“主人”保持同步的文件，并且通过了所有特定的规则检查（ERC,DRC,等等）–从而您可以在更高层面上控制发布管理，并可保证卓越的发布质量。

1.2AltiumDesigner软件的发展

Altium（前身为Protel国际有限公司）由NickMartin于1985年始创于塔斯马尼亚州霍巴特，致力于开发基于PC的软件，为印刷电路板提供辅助的设计。

最初的DOS环境下的PCB设计工具在澳大利亚得到了电子业界的广泛接受，在1986年中期，Altium通过经销商将设计软件包出口到美国和欧洲。

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。

80年代晚期，Altium公司意识到在开发利用MicrosoftWindows作为平台的电子设计自动化EDA软件方面存在商机。

虽然Windows平台在处理性能和可靠性上取得了进步，但当时很少有用于Windows平台的EDA软件,而当时越来越多的设计工程师使用基于Windows的操作系统。

于是，在1991年Altium公司发布了世界上第一个基于Windows的PCB设计系统，AdvancedPCB。

在后来几年里，凭借各种产品附加功能和增强功能所带来的好处，Altium建立了具有创新意识的EDA软件开发商的地位。

1997年，Altium公司认识到越来越需要把所有核心EDA软件工具集中到一个集成软件包中，从而可以实现从设计概念直到生产的无缝集成。

因此Altium发布了专为WindowsNT平台构建的Protel98，这是首次将所有5种核心EDA工具集成于一体的产品，这5种核心EDA工具包括原理图输入、可编程逻辑器件（PLD）设计、仿真、板卡设计和自动布线。

随后在1999年又发布了Protel99和第二个版本Protel99SE，这些版本提供了更高的设计流程自动化程度，进一步集成了各种设计工具，并引进了“设计浏览器”平台。

设计浏览器平台允许对电子设计的各方面——设计工具、文档管理、器件库等——进行无缝集成，它是Altium建立涵盖所有电子设计技术的完全集成化设计系统理念的起点。

藉此，Altium公司成功进行首次公开募股（IPO），于1999年8月在澳大利亚股票市场上市。

所筹集的资金用于在2000年1月收购适当的公司和技术，包括收购ACCELTechnologies公司、Metamor公司、InnovativeCADSoftware公司和TASKINGBV公司等。

拥有了这些技术，Altium公司终于在2000年进入FPGA设计和综合市场，并于2001年进入嵌入式软件开发市场。

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有限公司。

新公司的名称可以代表所有产品品牌，并为未来发展提供一个统一的平台。

Altium公司致力于产品开发，并为工程师提供帮助他们实现目标的最佳设计工具，这是公司成功的关键。

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）。

ProtelDXP是EDA行业内第一个可以在单个应用程序中完成整个板设计处理的工具。

如今，公司总部位于澳大利亚悉尼的FrenchsForest区，在悉尼和欧洲进行研发。

公司在澳大利亚、美国、日本、中国和欧洲设有多个销售与支持办事处，在其他许多主要市场，包括中国、印度、英国等地拥有代理销售网络。

Altium公司的客户包括IBM、NASA、Motorola、Hewlett-Packard、Canon、Fujitsu、Bosch、Siemens、Delphi、NEC、Sony、BMW、Alcatel、Daimler-Benz、Philips、CSIRO、Nokia以及Telstra等公司。

Altium公司的行业合作伙伴包括Mitsubishi、Infineon、Intel,STMicroElectronics、Atmel、AnalogDevices和Philips等。

Altium公司目前的生产线包括：

AltiumDesigner、P-CAD、TASKING和一系列用于交互式FPGA设计的硬件产品，如NanoBoard2。

1.3AltiumDesigner软件的功能

1原理图设计；

2印刷电路板设计；

3用于FPGA及嵌入式智能设计的硬件平台；

4嵌入式开发等等。

1.4AltiumDesigner设计方法

在绝缘基材上，按预定设计形成的印制元件、印制线路（PrintedWiring）或两者结合的导电图形称为印制电路（Printedcircuit）；在绝缘基材上提供元器件之间电气连接的导电图形称为印制线路。

印制电路或印制线路的产品板通常不加区别地称为印制电路板（PrintedcircuitBoard）缩写为PCB。

印刷电路板的总体设计流程

原理图的设计

原理图的仿真

印刷电路板的设计

网络报表的生成

信号完整性分析

文件存储及打印

（1）电路原理图的设计

电路原理图的设计是整个电路设计的基础，它决定了后面工作的进程。

一般的，设计一个电路原理的工作包括：

设置电路图纸参数，装入所需的元件库，防置元器件，进行原理图布线，调整，检查及修改，最后存盘打印图纸。

（1）启动原理图编辑器

（2）设置图纸参数

（3）放置元器件

（4）进行原理图布线

（5）调整布线

（6）保存输出

（7）存盘打印图纸

在原理图设计过程中，首先设置好图纸，网格和光标，以及窗口大小，然后在元器件编辑器界面制作原理图所需器件，创建新元件，产生元件报表，绘制原理图设计进阶，做好元件的自动编号，原理图的电气检查，即ERC。

在这一过程中，要充分利用AltiumDesigner所提供的各种原理图绘图工具、各种编辑功能，来实现我们的目的，即得到一张正确、精美的电路原理图。

（2）产生网络表

设计原理图的最终目的是要生成印刷电路板，二印刷电路板与原理图的纽带就是网络表，故将设计完成的原理图转换为网络表，是必经之步，也是设计原理图的主要目的。

生成网络表的操作步骤：

①打开准备产生网络表的原理图文件并执行菜单命令DesignCreateNetlist，系统将弹出NetlistCreation设置对话框，即根据网络表的输出格式和项目层次结构进行设置。

生成网络表对话框包含2个选项卡：

Preferences选项卡和TranceOptions选项卡。

②设置好后，进行生成网络表的过程，并生成网络表文件。

其文件名与主电路图的文件名相同，扩展名为.NET。

（3）印制电路板的设计

印刷电路版设计流程

印制电路板的设计主要是针对AltiumDesigner的另外一个重要的部分PCB而言的，PCB图的基本元素主要包括以下6种：

1元件封装：

包括插件式元件封装和STM元件封装；

2铜箔连线：

铜箔导线也称铜箔连线，简称连线；

3焊盘：

用于固定元件引脚或引出线、测试线等；

4过孔：

过孔的作用是为了连接不同层面之间的导线；

5字符丝印：

为了方便电路板的安装与维修，需要在PCB上下表面印制所需要的字符和标志图案等，入元件标号和标称值、元件外形和厂家标志，生产日期等都需要通过丝网印刷的方式来实现；

6敷铜（多边形填充）：

敷铜又叫铺地，在设计完成全部布线后。

为了提高电路板的抗干扰性能，有时候需要把电路板空白的地方全部做成一个电极。

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4—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,新建一个原理图文件，则原理图编辑器自动打开，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。

1、启动AltiumDesigner09软件，在该开发环境中创建一个PCB工程文件，执行File->New->project->PCBproject命令，将会创建一个新的工程文件；

2、执行File->New->schematic命令，系统将启动原理图编辑器，并使用三极管放大电路；

3、行Design->Documentoptions命令设置图纸。

将图纸号设置为A4即可。

4、通过libraries面板添加常用的元件库，如MiscellaneousDevices.IntLib、MiscellaneousConnectors.IntLib等。

（3）放置元件和布局

在元件放置后，用鼠标双击相应元件出现元件属性菜单更改元件标号及名称（型号规格）,元器件自动标号执行Tools->Annotate,通过设置Annotate对话框完成自动标号。

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。

这一步骤也可与（3）交错进行，目的都是为了便于达到设计要求。

根据电路原理，在元件引脚之间连线，注意连线平直。

放置节点。

一般情况下，“T”字连接处的节点是在我们连线时由系统自动放置的（相关设置应有效），而所有“十”字连接处的节点必须手动放置。

电路的修饰及整理。

在电路绘制基本完成以后，还需进行相关整理，使其更加规范整洁。

（5）对原理图进行检查和修改及编译

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。

原理图的编译。

执行project->compiledocument命令，编译后系统的检测结果出现在messages面板，也可通过VIEW->WorkspacePanels->system->messages打开messages面板

（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。

执行Design->Netlistforproject->protel命令即生成。

（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。

2.2单片机最小系统电路系统框图

电源

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单片机内部结构框图

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

Vcc——芯片电源，接+5V；

Vss——接地端。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

 P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

P3.0 RXD（串行输入口）    

P3.1 TXD（串行输出口）    

P3.2 /INT0（外部中断0）    

P3.3 /INT1（外部中断1）    

P3.4 T0（记时器0外部输入）    

P3.5 T1（记时器1外部输入）   

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）    

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）    

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存（0000H- FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

（2）晶振电路模块

单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。

　　在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。

高级的精度更高。

有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。

晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的