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1、项目六单片机最小控制系统的印制电路板设计与制作电路仿真与印制电路板设计u印制电路板设计基于Protel DXP 2004电路仿真与印制电路板设计电路仿真基于Multisim软件项目六 单片机最小控制系统的印制电路板设计与制作任务一 创建原理图库文件任务二 手工创建元件封装任务三 单片机最小控制系统的电路原理图设计任务四 单片机最小控制系统的印制电路板设计与制作 项目简介 由单片机组成的微机控制系统体积小、功能全，已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器及日常生活中使用最广泛的控制系统。 本项目单片机最小控制系统电路原理图如图6-1 所示，单片机采用ATMEL 公司生产的AT89S52，它有四
2、十个引脚，8 KB Flash 片内程序存储器，128 B 的随机存取数据存储器（RAM），三十二个外部双向输入/输出（I/O）口，具有PDIP、TQSP 和PLCC 等三种封装形式，本项目选择PDIP 封装。该单片机控制系统还具有ISP 在线编程电路，方便通过下载线将控制应用程序下载到单片机中。同时还将该单片机的四个8 位I/O 口全部引出，以方便与外围硬件电路连接，扩展该硬件电路的应用。学习目标 技能目标（1）会制作原理图元件库、简单元件封装库与元件集成库。（2）会元件的导线连接、总线连接与网络标签连接。（3）会将自定义元件放置到电路原理图中。知识目标（1）熟悉原理图元件库、简单元件封装库
3、与元件集成库的制作过程。（2）了解元件引脚尺寸与焊盘尺寸的关系。（3）掌握元件的导线连接、总线连接、网络标签连接的操作方法。项目六 单片机最小控制系统的印制电路板设计与制作任务一 创建原理图库文件 任务二 手工创建元件封装 任务三 单片机最小控制系统的电路原理图设计 任务四 单片机最小控制系统的印制电路板设计与制作 任务描述（1）绘制图6-2 所示单片机AT89S52 元件符号。（2）将其保存在“自定义.SchLib”库文件中。相关知识库文件 元件库面板中默认加载的库文件的类型为“*.IntLib”，是一种集成元件库，既包含原理图设计中的元器件符号，也包含印制电路板图设计中的元件封装。 另外，
4、还有类型为“*.SchLib”的库文件，仅包含原理图设计中的元件符号；类型为“*.PcbLib”的库文件，仅包含印制电路板图设计中的元件封装。 在Projects（项目）面板中，双击打开该原理图文件，可看到系统环境左侧增加了SCH Library（原理图库）面板标签，该面板如图6-5 所示，列出了该库中的所有元件。若要复制2N3904 元件符号，按图6-6 所示选中该元件符号，右击，在弹出的快捷菜单中执行【复制】命令，之后在创建的原理图库文件（执行【文件】【创建】【库】【原理图库】命令，创建原理图库文件）的SCH Library（原理图库）面板的元件区中右击，在弹出的快捷菜单中执行【粘贴】命令
5、，即可将2N3904 元件符号复制到自己的自定义原理图库文件中，通过编辑即可绘制出自定义原理图元件符号。相关知识创建原理图库元件符号1利用已有的元件集成库创建新的原理图库文件 下面以系统中的元件集成库为例，说明复制库元件的方法。例如：打开Library 安装目录下的Miscellaneous Devices.IntLib 集成库文件，弹出【抽取源码或安装】对话框如图6-3 所示，单击【抽取源】按钮，即可抽取该集成库的所有元件符号并创建一个集成项目库文件Miscellaneous Devices.LibPkg，该项目文件下包含一Miscellaneous Devices.SchLib 原理图库文
6、件，此时的Projects（项目）面板如图6-4所示。2由原理图文件导出原理图库文件 如果要想利用现有的原理图中的元件产生一个元件库以便重复使用，可先打开其原理图文件，然后执行【设计】【创建设计项目库】命令，在弹出的信息框中单击【OK】按钮，系统会自动生成与打开的原理图文件同名的原理图库文件。之后也可将该库文件中的元件符号复制到别的原理图库文件中。相关知识创建元件集成库 元件集成库是指原理图库文件及与之相关联的PCB 封装库文件和信号完整性模型集成到一起而形成的元件库文件。1）创建Integrated Library（元件集成库）项目 执行【文件】【创建】【项目】【集成元件库】命令，创建一名为
7、Integrated_Library1.LibPkg 的集成元件库项目，保存并将其命名为“自定义.LibPkg”。2）添加“自定义.SchLib”到集成元件库项目中3）编译集成库项目 执行【项目】【Compile Integrated Library 自定义.LibPkg】命令，对集成库项目进行编译，编译完成后系统将生成一名为“自定义.IntLib”的集成元件库，并自动将其加载为当前元件库。任务实施1）创建原理图库文件并保存 执行【文件】【创建】【库】【原理图库】命令，创建一原理图库文件，系统自动进入原理图库文件编辑环境如图6-7 所示，将其保存为“自定义.SchLib”。 单击SCH Lib
8、rary（原理图库）面板标签（或通过面板控制中心的SCH 打开该面板），弹出其工作面板如图6-8 所示，可看到系统自动在创建的原理图库文件中创建了一名为Component_1 的空白元件对象。 单击SCH Library（原理图库）面板标签（或通过面板控制中心的SCH 打开该面板），弹出其工作面板如图6-8 所示，可看到系统自动在创建的原理图库文件中创建了一名为Component_1 的空白元件对象。任务实施2）Rename Component（重命名元件）名称 执行【工具】【重新命名元件】命令，在弹出如图6-9 所示对话框，输入元件名称AT89S52。3）绘制AT89S52 的外形 单击绘图
9、工具栏中的绘制矩形按钮，或执行【放置】【矩形】命令，放置在第四象限。如图6-10所示。任务实施4）放置引脚并定义引脚属性 执行【放置】【引脚】命令，光标变为十字状其上附着一引脚（十字光标处为引脚的电气连接点），按【Tab】键弹出【引脚属性】对话框，按图6-11 所示设置1 引脚的【显示名称】、【标识符】与【电气类型】属性，其他部分不用设置，设置完后单击【确认】按钮，按【X】键翻转引脚位置，然后将引脚放置到矩形框的边缘上。 如图6-12（a）所示，9 脚的电气类型为Input；如图6-12（b）所示，12 引脚的电气类型为IO，使用“”给元件引脚名取反号；如图6-12（c）所示，18 引脚的电气
10、类型为Output。任务实施5）设置Library Component Properties（库元件属性） 执行【工具】【元件属性】命令，弹出Library Component Properties 对话框，设置Default Designator 为U？如图6-14 所示。任务实施（6）向“自定义.SchLib”中添加需创建的其他元件符号。 在进行原理图设计时，可能会有多个元件符号需要自行创建，执行【工具】【新元件】命令，可继续向该“自定义.SchLib”库中添加新元件。（7）放置元件到原理图中。 创建完元件符号后，即可单击【SCH Library】面板【元件】区域下方的【放置】按钮，将元件
11、放置到原理图中。项目六 单片机最小控制系统的印制电路板设计与制作任务一 创建原理图库文件任务二 手工创建元件封装 任务三 单片机最小控制系统的电路原理图设计 任务四 单片机最小控制系统的印制电路板设计与制作 任务描述（1）根据如图6-17 所示的发光二极管尺寸图，绘制发光二极管的封装。 其中，0.45（0.018）表示元件引脚尺寸为0.45 mm（0.018 in，即18 mil）；6.10/5.59（0.240/0.220）表示元件的轮廓尺寸大小为5.596.10 mm（0.2200.240 in，即220240 mil）；2.54（0.100）表示元件引脚间距为2.54 mm（0.100
12、in，即100 mil）。图6-17 中的其他尺寸不影响该元件的封装制作。（2）将其保存在“自定义.PcbLib”库文件中。相关知识印制电路板结构 印制电路板的表面一般有四层，从上到下依次为丝印层、阻焊层、助焊层和铜箔层。 丝印层位于印制电路板的最上层，一般为白色，记录着元件轮廓、标号、型号、封装形式、厂家标志、印制板图号、版本号等信息。 阻焊层是PCB 上的绝缘防护层，一般为PCB 涂绿色阻焊漆，可以保护印制铜膜线，也可防止元器件被焊接到电路板的其他位置。 助焊层是在PCB 的焊盘和过孔表面加一层焊锡，使元件连接更可靠。 铜箔层即信号层或布线层，单面板仅有一个铜箔层，双面板上下表面都有铜箔层
13、，多层板有多个铜箔层。焊盘和过孔是铜箔层的主要部分：各个元器件的引脚都焊接在焊盘上；过孔是层与层之间需要连接的导线上打的一个公共的孔，完成不同铜箔层之间的电气连接任务。相关知识创建元件封装模型1利用已有PCB 库元件封装创建新的元件封装 打开Altium2004LibraryPcbDual-In-Line Package.PcbLib 文件如图6-18 所示，选择需打开的文件后单击【确定】按钮，即可打开该PCB 库文件，PCB Library 面板如图6-19所示，可看到该库中的所有封装模型， 其复制过程与本项目任务一中原理图符号的复制过程相同。2利用已有PCB 文件创建新的元件封装 如果要想
14、利用现有的PCB 文件中的元件封装模型，可先打开其PCB 文件，然后执行【设计】【生成PCB 库】命令，系统会自动生成与打开的PCB 文件同名的PCB 库文件。之后也可将这些元件封装复制到其他的PCB 库文件中。相关知识向导创建元件封装 在PCB 库文件编辑环境下，执行【工具】【新元件】命令，弹出PCB 元件封装创建向导如图6-20（a）所示。任务实施1）创建PCB 库文件并保存 执行【文件】【创建】【库】【PCB 库】命令，可创建一PCB 库文件，文件类型为*.PcbLib，弹出的PCB 库文件的编辑界面如图6-21 所示，同时增加了PCB Library 面板标签，PCB Library
15、面板如图6-22 所示。将其保存为“自定义.PcbLib”。任务实施2）创建元件封装创建元件封装需充分利用图6-23 所提供的【PCB 库放置】工具栏完成。（1）绘制元件轮廓。按【Ctrl+End】组合键，设置编辑区光标回到坐标原点（在编辑窗口中右击，在弹出的快捷菜单中执行【选择项】【显示】命令，在弹出的对话框中设置原点标记有效，可将原点显示）。将Top Overlay（丝印层）置为当前层，单击绘制圆按钮，绘制发光二极管的轮廓，绘制时可先不考虑尺寸，绘制后双击圆，弹出【圆弧】属性对话框，在该对话框中设置【圆弧】的参数（按【Q】键可切换公制（米制）、英制单位）如图6-24 所示，设置中心为（0,
16、0），半径为3.05 mm（依据为元件轮廓尺寸，直径6.10 mm）。绘制后图形如图6-25 所示。任务实施（2）放置焊盘。 采用波峰焊接工艺时，焊盘内孔一般比其引脚直径大0.050.3 mm 为宜，一般焊接工艺，取焊盘内孔比其引脚直径大0.20.4mm 为宜。一般设置焊盘外径大小为孔径的两倍，双面板最小为1.5 mm。 单击工具栏中的放置焊盘按钮，按【Tab】键弹出【焊盘】属性对话框。设置焊盘内孔径为0.7 mm（依据引脚直径为0.45 mm），外孔径为1.5 mm。其中1 号焊盘属性设置如图6-26（a）所示，位置为（1.27,0）（依据两引脚间距为2.54 mm），形状为Rectangl
17、e（矩形）。2 号焊盘尺寸与1 号焊盘尺寸相同，位置为（1.27,0），形状为Round（圆形）。任务实施（3）放置注释文字。 发光二极管在使用时，有阴阳极之分，查看元件库中二极管的符号，可知1 引脚为阳极，2 引脚为阴极。本例需放置“+”符号来区分阴阳极，为焊接元件时提供方便。 将Top Overlay（丝印层）置为当前层，单击放置字符串按钮，按【Tab】键弹出【字符串】对话框，设置【文本】属性为“+”如图6-28 所示。完成后的发光二极管封装如图6-29 所示。任务实施3）设置封装属性 执行【工具】【元件属性】命令，弹出如图6-30 所示对话框，设置其【名称】为LED-0.1（0.1 代表
18、引脚间距为0.1 in 即100 mil），【高】可不做设置。4）向“自定义.PcbLib”中添加其他元件封装 一个项目设计中，若有多个需自行创建的PCB 封装，可通过【工具】【新元件】命令，继续向“自定义.PcbLib”中添加新元件封装。项目六 单片机最小控制系统的印制电路板设计与制作任务一 创建原理图库文件任务二 手工创建元件封装任务三 单片机最小控制系统的电路原理图设计 任务四 单片机最小控制系统的印制电路板设计与制作 任务描述（1）绘制单片机最小控制系统电路原理图如图6-32 所示。（2）将完成的图形以“单片机最小控制系统.Schdoc”为文件名保存在自己的文件夹中。相关知识总线（Bu
19、s）与总线分支（Bus Entry） 总线是若干条电气特性相同的导线的组合。总线没有电气特性，它需与总线分支和网络标签配合才能确定相应电气点的连接关系。总线通常用在元件的数据总线与地址总线的连接上，利用总线和网络标签进行元件之间的电气连接不仅可以缩减图中的导线、简化原理图，也可使整个原理图清晰简洁。 放置总线有四种方法：（1）单击配线工具栏中的放置总线按钮，进入总线放置状态。（2）执行【放置】【总线】命令。（3）在电路窗口，右击，在弹出的快捷菜单中执行【放置】【总线】命令。（4）利用快捷键【P+B】。 总线没有实质的电气连接意义，放置完总线与总线分支后，需在与总线分支相连接的导线上放置网络标签
20、来完成电气意义上的连接。任务实施1）创建文件并保存 创建项目文件与原理图文件并保存。将原理图文件与自定义库文件添加到项目文件进行管理。完成后的Projects（项目）面板如图6-33 所示。任务实施2）放置元件 本项目所用元件AT89S52 在前面创建的“自定义.SchLib”文件中，其他电阻元件、电容元件、晶振、按钮、发光二极管可在Miscellaneous Devices.IntLib 集成库中调用，八个引脚的I/O 接口与ISP 接口可在Miscellaneous Connectors.IntLib 集成库中调用。电阻排如图6-34 所示，可在Miscellaneous Connecto
21、rs.IntLib 集成库中调用header9 作为电阻排来使用。任务实施3）电路连接 本项目中的元件电路连接：有导线连接、相同名称的网络标签连接以及总线、总线分支和网络标签连接三种形式。电路连接后的效果如图6-36 所示。 对于复杂的模块电路，在绘制原理图时，也可用直线矩形框划分各个模块区域并标注该模块的功能名称，以方便读图。任务实施4）电气规则检查 再次确认该原理图文件及库文件已由项目文件管理，执行【项目管理】【项目管理选项】命令，进行电气规则设置，每个选项均设置为默认设置。然后执行【项目管理】Compile Document 命令进行电气规则检查。项目六 单片机最小控制系统的印制电路板设
22、计与制作任务一 创建原理图库文件 任务二 手工创建元件封装 任务三 单片机最小控制系统的电路原理图设计任务四 单片机最小控制系统的印制电路板设计与制作 任务描述（1）绘制单片机最小控制系统电路印制电路板图，印制电路板为矩形，无具体尺寸要求，但PCB 上的元件应尽量紧凑，且设有安装定位孔。（2）将完成的图形以“单片机最小控制系统电路.PcbDoc”为文件名保存在自己的文件夹中。相关知识属性批量修改 在Protel 的各种文件环境中，若需要对多个不同对象的某一相同属性进行修改，可通过系统的批量修改操作进行，此操作使用方便且效率高。 例如：单片机最小控制系统原理图中的C2、C3 和C4 电容元件，在
23、使用时需将其原来的封装RAD-0.3 修改为RAD-0.1，可采用属性批量修改操作进行，其过程如下： 在“单片机最小控制系统.SchDoc”原理图文件环境中，选中电容元件C2 右击，在弹出的快捷菜单中选择执行【查找相似对象】命令，弹出【查找相似对象】对话框如图6-37（a）所示，将Current Footprint 的属性设置为Same，设置【选择匹配】为有效，设置【屏蔽匹配】为无效。单击【适用】按钮，即可看到C2、C3 和C4 被选中。单击【确认】按钮，弹出Inspector（检查器）对话框如图6-37（b）所示，更改Current Footprint 为RAD-0.1，按【Enter】键，
24、然后关闭Inspector（检查器）对话框。查看C2、C3 和C4 的属性，可看到封装均被改为RAD-0.1。任务实施1）创建文件并保存 创建PCB 文件并保存，确认此文件与本项目中的原理图文件、库文件均在同一项目文件中。2）PCB 尺寸设计 将Keep-Out Layer（禁止布线层）设置为当前层，单击实用工具栏中的设定原点按钮，设置PCB 的原点位置。单击实用工具栏中的直线按钮，先绘制任意大小的印制电路板。3）元件信息转换 在“单片机最小控制系统.SchDoc”文件环境中，执行【设计】【Update PCB Document单片机最小控制系统.PcbDoc】命令，将原理图信息转换到PCB
25、文件中。信息转换过程中若出现问题，请根据问题提示进行解决。任务实施 修改元件封装 本项目需更改发光二极管与极性电容元件的封装为LED-0.1。在放置元件时，非极性电容元件封装默认为RAD-0.3，而实际使用电容元件封装为RAD-0.1，需进行元件封装修改，本项目涉及需修改封装的电容元件有三个，可以采用批量修改的方法修改电容元件的封装。 修改完原理图中的元件封装属性后，需再次进行信息更新。 若正在使用的PCB 库文件被修改，可在*.PcbLib 库文件环境中，执行【工具】【用封装更新全部PCB】命令，将*.PcbDoc 中的元件封装进行更新。任务实施4）元件布局 根据元件布局原则，本项目中的接口
26、器件应放置在PCB 板的边缘，如电源POWER 接口、ISP 下载接口和P0P3 的I/O 接口。参考元件布局效果如图6-39 所示。布局后应调整PCB板框大小，并进行重定义。任务实施5）元件布线 执行【设计】【规则】命令，弹出PCB 设计规则设置对话框。将Routing（布线）设计规则展开，分别添加GND 和VCC 网络的布线宽度规则，将其布线宽度分别设置为50 mil和20 mil，其他信号线宽度设置为10 mil。 本项目采用单面板，设置布线层规则仅Bottom Layer（底层）有效。采用“自动布线+手动调整”的方式，进行元件布线与布线调整。本项目参考元件布线如图6-40 所示。6-4
27、1为放置了安装定位孔的PCB图。任务实施6）PCB 设计后处理7）设计规则检查 执行【工具】【设计规则检查】命令，进行设计规则检查。8）各类报表输出 执行【报告】Bill of Materials 命令，生成BOM 表。输出用于PCB 生产的光绘（Gerber）文件，数控钻孔用的（NC Drill）文件等文件。拓展训练一、绘制电位器的封装按图6-44（a）所示电位器的尺寸，绘制电位器的封装。拓展训练二、绘制三极管贴片元件的封装按如图6-45 所示三极管的尺寸，绘制三极管的封装。拓展训练三、绘制闪烁警示灯电路的原理图与PCB 图 绘制图6-47 所示闪烁警示灯电路的原理图与PCB 图。 要求：要显示原理图中各元件的标识符，放置220 V 交流电源接口；PCB 设置为矩形单面板，尺寸无具体要求，元件均采用针脚式封装，元件布局紧凑合理，设置地线宽度为0.6 mm，电源线宽度为0.4 mm，一般信号线宽度为0.3 mm，米制（公制）标注PCB尺寸指示。谢谢！谢谢！