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1、電氣制圖及CAD綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告簡(jiǎn)單51單片機(jī)開(kāi)發(fā)板姓名：周珅宇學(xué)號(hào)：912110200338班級(jí)：9121102001學(xué)院：自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)：自動(dòng)化指導(dǎo)老師：吳益飛一、 摘要本文給出了一個(gè)簡(jiǎn)單51單片機(jī)開(kāi)發(fā)板的電路設(shè)計(jì)，完成了其原理圖的繪制和PCB圖的制作。著重介紹使用protel99SE畫(huà)出的電路設(shè)計(jì)原理圖，接著是對(duì)電路各個(gè)模塊功能的分析，然后是電路所用主要芯片和其他重要元件的功能介紹以及內(nèi)部封裝和引腳分布，最后介紹用protel99SE畫(huà)出的PCB板。此開(kāi)發(fā)板具有串口通信、液晶顯示、流水燈、擴(kuò)展、RTC時(shí)鐘、復(fù)位、外部中斷、外部存儲(chǔ)、A/D D/A轉(zhuǎn)換、報(bào)警、繼電器控制等開(kāi)發(fā)功能。關(guān)鍵字：

2、51單片機(jī) 開(kāi)發(fā)板 protel99 PCB二、 實(shí)驗(yàn)所用元器件及其介紹2.1、清單 型號(hào)數(shù)量封裝STC89C521DIP40DS1302B1DIP882551DIP40ADC0809CCN(28)1DIP28DAC0832LCN(20)1DIP20MAX232EWE(16)1DIP1624C081DIP8USB接口1自制封裝SW-SPST4自制封裝SW-SPDT1自制封裝1K電阻1508052K電阻50805三極管90152TO-18HRS4-S-DC5V繼電器1自制封裝跳線6RAD0.2LED1108059針串口1DB9/M極性電容10uF1RB.3/.6104電容4080530pF電容5

3、0805電池Battery1自制封裝響鈴1AXIAL0.3n口排針4SIP n晶振12MHZ1XTAL1外接晶振1XTAL12.2 主要芯片引腳圖和實(shí)物圖2.21 STC89C52 圖2.21(1) STC89C52引腳圖圖2.21(2) STC89C52實(shí)物圖2.22 8255 圖2.22 8255引腳圖2.23 DS1302圖2.23(1) DS1302引腳圖表2.23 DS1302引腳描述引腳號(hào)符號(hào)描述引腳號(hào)符號(hào)描述1VCC2備用電源5RST復(fù)位2X1晶振引腳6 I/O數(shù)據(jù)輸入/輸出3X2晶振引腳7SCLK串行時(shí)鐘輸入4GND電源地8VCC1主電源2.24 24C08圖2.24(1) 2

4、4C08引腳圖表2.24 24C08功能表圖2.24(2) 24C08 實(shí)物圖2.25 MAX232圖2.25(1)MAX232引腳圖表2.25 各引腳功能及推薦工作條件 圖2.25(2) MAX232 實(shí)物圖2.26 ADC0809 圖2.26(1) ADC0809 引腳圖圖2.26(2)ADC0809實(shí)物圖2.27 DAC0832圖2.27(1)DAC0832引腳圖圖2.27(2)DAC0832實(shí)物圖2.3 其他元件和重要電容2.31 USB接口圖2.31(1)USB封裝尺寸圖2.31(2)USB外觀圖圖2.31(3)USB接口定義2.32 HRS4-S-DC5V繼電器 圖2.32(1)

5、HRS4-S-DC5V繼電器封裝尺寸圖2.32(2)HRS2-S-DC5V繼電器外觀2.33 自鎖開(kāi)關(guān)(用于原理圖中的單刀雙擲和單刀單擲開(kāi)關(guān)) 圖2.33 六腳自鎖開(kāi)關(guān)三、 電路設(shè)計(jì)分析與結(jié)果 3.1 開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 3.1.1主芯片簡(jiǎn)介STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 其具有以

6、下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門(mén)狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35MHz，6T/12T可選。 3.1.2 開(kāi)發(fā)板電路各部分解析 3.1.2.

7、1 主控電路 主控電路是整個(gè)單片機(jī)開(kāi)發(fā)板的“大腦”，本文采用STC89C52芯片和Intel公司生產(chǎn)的8255芯片，附加電容和12MHZ的晶振構(gòu)成主控電路。Protel99元件庫(kù)中沒(méi)有STC89C52芯片，故筆者自己畫(huà)了這個(gè)芯片。 主控電路如圖： 3.1.2.2 擴(kuò)展接口電路 本文采用兩個(gè)20插口的插針來(lái)擴(kuò)展單片機(jī)的接口。電路如下： 3.1.2.3 RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘 在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中，通常采用RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘） 來(lái)提供可靠的系統(tǒng)時(shí)間，包括時(shí)分秒和年月日等;而且要求在系統(tǒng)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)下它也能夠正常工作，它的外圍也不需要太多的輔助電路，典型的就是只需要一個(gè)高精度的32.768KHz 晶體和電阻電容

8、等。RTC單元可以通過(guò)備用電池供電，因此，即使系統(tǒng)電源關(guān)閉，它也可以繼續(xù)工作。RTC 可以通過(guò)STRB/LDRB 指令將8 位BCD 碼數(shù)據(jù)送至CPU。這些BCD 數(shù)據(jù)包括秒，分，時(shí)，日期，星期，月和年。RTC 單元通過(guò)一個(gè)外部的32.768KHz晶振提供時(shí)鐘。RTC還具有定時(shí)報(bào)警的功能。本文中RTC電路如圖所示： 3.1.2.4 電源接口 電源接口是通過(guò)USB接口給整個(gè)開(kāi)發(fā)板供電的部分，本文用了一個(gè)LED燈來(lái)顯示是否正在供電，同時(shí)使用一個(gè)自鎖開(kāi)關(guān)來(lái)控制電路的通斷。電路圖如下： 3.1.2.5報(bào)警電路 當(dāng)電路工作出現(xiàn)一定問(wèn)題時(shí)，需要有報(bào)警的電路來(lái)提醒使用者立刻斷電檢查。本文采用LED閃爍報(bào)警和

9、響鈴報(bào)警雙重報(bào)警方式，用單片機(jī)P33口的變化使得三極管導(dǎo)通或者截止，進(jìn)而讓LED與響鈴工作或停止。電路圖如下： 3.1.2.6 流水燈電路 對(duì)流水燈的控制是單片機(jī)開(kāi)發(fā)最基本的技能，此開(kāi)發(fā)板和市場(chǎng)上大多數(shù)板子一樣，用了八個(gè)貼片式LED燈作為流水燈，用8個(gè)1K的電阻限流，電路圖如下： 3.1.2.7 A/D D/A轉(zhuǎn)換模塊 A/D D/A轉(zhuǎn)換是單片機(jī)應(yīng)用測(cè)控系統(tǒng)典型的接口技術(shù)內(nèi)容，此開(kāi)發(fā)板的A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0809轉(zhuǎn)換芯片，D/A轉(zhuǎn)換采用DAC0832轉(zhuǎn)換芯片，提供A/D D/A轉(zhuǎn)換開(kāi)發(fā)功能，電路圖如下： 3.1.2.8 串口通信模塊 51系列單片機(jī)的串口有4個(gè)模式，可分別用作串并轉(zhuǎn)換、并串轉(zhuǎn)

10、換、異步串行通信（2種模式）。異步串行通信中，有1+8+1和1+8+1+1兩種幀格式，多機(jī)通信是特殊的通信方式?；驹硎莾山M移位寄存器。將并行通信轉(zhuǎn)換成串行通信模式（發(fā)送部分），或反之（接收部分）?？扇p工運(yùn)行。此開(kāi)發(fā)板采用MAX232芯片和一個(gè)9針串口來(lái)做串口通信的開(kāi)發(fā)，電路圖如下： 3.1.2.8繼電器控制電路 繼電器（英文名稱：relay）是一種電控制器件，是當(dāng)輸入量（激勵(lì)量）的變化達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動(dòng)關(guān)系。通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)

11、作的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。本文設(shè)計(jì)的繼電器采用HRS4-4-DC5V，具體電路圖如下： 3.1.2.9外部中斷電路 單片機(jī)的中斷方式中，有一種為外部中斷，它的中斷優(yōu)先級(jí)在所有中斷中最高。此開(kāi)發(fā)板的外部中斷電路如圖： 3.1.2.10 復(fù)位電路 單片機(jī)在上電以后通過(guò)復(fù)位電路，程序指針指向0000H，也就是說(shuō)單片機(jī)“重新啟動(dòng)”了。說(shuō)的通俗一點(diǎn)就是單片機(jī)的程序從頭開(kāi)始運(yùn)行。這時(shí)候有的寄存器的值會(huì)自動(dòng)清零，有的會(huì)自動(dòng)置1。電路圖如下: 3.1.2.11外部存儲(chǔ)電路 此開(kāi)發(fā)板用24C08芯片構(gòu)成單片機(jī)外部存儲(chǔ)的電路，用以擴(kuò)展單片機(jī)的存儲(chǔ)容量，電路圖如下： 3

12、.2總電路原理圖、PCB圖和電路板3D圖 原理圖： PCB圖： 3D圖： 四、 實(shí)驗(yàn)感想和總結(jié) 這門(mén)課程上課的時(shí)間只有一周，之前的我對(duì)于電氣制圖可以說(shuō)是毫無(wú)概念，前幾節(jié)課的學(xué)習(xí)還能跟得上，越往后越感覺(jué)有點(diǎn)吃力，后來(lái)我把很多問(wèn)題都記下來(lái)一點(diǎn)點(diǎn)詢問(wèn)老師，才最終將問(wèn)題搞得明白了一點(diǎn)。 此次實(shí)驗(yàn)選擇51單片機(jī)開(kāi)發(fā)板的制圖，剛開(kāi)始畫(huà)原理圖時(shí)比較輕松，一遍連著線，一邊用ERC檢查確認(rèn)自己沒(méi)有接錯(cuò)，很快完整的原理圖就畫(huà)好了。然而，圖中很多元器件的封裝在Protel 自己的封裝庫(kù)里都是找不到的，比如USB，繼電器，單刀單擲開(kāi)關(guān)和電源等等。無(wú)奈之下，我只得一點(diǎn)點(diǎn)地上網(wǎng)查找各個(gè)器件的技術(shù)手冊(cè)，在技術(shù)手冊(cè)中找到它們

13、引腳的具體尺寸，在PCB LIB文件中將封裝畫(huà)出來(lái)，再添加到庫(kù)中。這個(gè)過(guò)程很是辛苦，不過(guò)，當(dāng)PCB load nets 最終顯示 All Valid 的時(shí)候，我感到之前的辛苦都沒(méi)有白費(fèi)。 然而，當(dāng)我導(dǎo)入器件之后，我又一次傻了眼，器件不是一般的多，各種芯片，插針，電阻，電容，跳線排成一個(gè)長(zhǎng)列，四處交叉的飛線讓人眼花繚亂。幸好整個(gè)圖的結(jié)構(gòu)性比較好，我從主芯片出發(fā)，一個(gè)個(gè)地模塊去連線，其中有很多時(shí)候線根本連不過(guò)去，我只得加上過(guò)孔從底層走線，線越來(lái)越多，連線也越來(lái)越麻煩，但我耐著性子，一點(diǎn)點(diǎn)為線尋找著路徑，最終完成了連線。最后，我又把電源線和地線全部加粗，確保電路板工作安全。 通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，我深刻體會(huì)

14、到，制圖的關(guān)鍵在于排版，好的排版是好的布線的基礎(chǔ)，而且通過(guò)老師的指導(dǎo)，我對(duì)布線時(shí)不能出現(xiàn)的一些線和角度有了更好的理解。這次實(shí)驗(yàn)更鍛煉了我自己畫(huà)元器件和封裝的能力，同時(shí)通過(guò)查閱技術(shù)手冊(cè)我熟悉了電子元器件，為以后更好地學(xué)習(xí)它們打下了基礎(chǔ)。 最后，感謝吳益飛老師對(duì)我完成實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)和幫助！五、參考文獻(xiàn)【1】江思敏、姚鵬翼、胡榮 等編著.Protel電路設(shè)計(jì)教程M，北京：清華大學(xué)出版社，2002.9 【2】蔣立平 主編.數(shù)字邏輯電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)M，北京：電子工業(yè)出版社，2008.7 【3】王建新、姜萍 編著.電子線路實(shí)踐教程M, 北京：科學(xué)出版社，2003.9 【4】陳潔 編著.EDA軟件仿真計(jì)數(shù)快速入門(mén)M, 北京：中國(guó)電力出版社，200910