硬件电路设计之51单片机（2）

声明：绘制原理图和PCB的软件为嘉立创EDA。根据B站尚硅谷嵌入式之原理图&PCB设计教程学习所作个人用笔记。

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目录

一、原理图详解

1、TypeC接口

（1）TypeC接口介绍

（2）TypeC原理图

2、5V转3.3V

3、单片机电源开关

4、单片机

5、排针

6、晶振电路

7、复位按键

8、MCU供电指示灯

9、程序下载模块 

10、 通信指示灯

11、P0上拉电阻

（1）推挽输出 

（2）开漏输出

12、自动冷启动

二、PCB布局

1、板框尺寸

2、排针布局

3、 模块布局规划

4、位号丝印调整

5、程序下载模块布局

6、单片机与晶振布局

三、PCB布线

1、TypeC接口和5V转3.3V模块布线

2、差分信号的布线

3、VIN_5V到VCC的布线

4、P1口的布线

5、制作铜箔LOGO

6、铺铜

7、检测DRC

8、遇到的问题

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一、原理图详解

51核心板原理图 

1、TypeC接口

（1）TypeC接口介绍

TypeC接口引脚分布

TypeC接口上下两排引脚功能都是关于中心点对称的，因此TypeC接口正插还是反插，都不影响引脚的接触顺序，所以大大简化了使用过程。

A1,A12,B1,B12：接地；

A2,A3,A10,A11,B2,B3,B10,B11：分别是两个差分信号对，它们是为了高速数据传输所准备的，这个项目不需要高速数据传输，了解即可；

A4,A9,B4,B9：VBUS相当于电源正极；

A5,B5：两个CC引脚，是在TypeC协议中用来协商充电协议的，还可以协商设备身份（判断主从设备，靠CC引脚上的电阻来判断）；

A6,A7,B6,B7：USB2.0数据传输；

A8,B8：用来传输视频或者音频信号，有些扩展屏幕就是TypeC一线通，一根线就可以完成充电、控制和视频传输，否则有些扩展屏幕就得单独接视频线，单独接电源线。

实物照片

由于有些引进在实际项目中不需要用到，而且两排引脚不方便焊接，因此实际项目中我们采用16Pin引脚的TypeC接口。

这里把GND和VBUS都焊在一起了，因此从外面数只有12个引脚，但是还是按实际内部16引脚来称呼。具体实物也只有一排引脚，更方便实物焊接了。

（2）TypeC原理图

具体元器件的参数和型号，可以通过查看数据手册，和之前介绍的引脚相对应，即可拿来使用。

引脚1,12：直接接地；

引脚2,11：连接到电源总线上VIN_5V上，中间的F1是一个自恢复保险丝，电容C2和C5一端接地，另一端接电源VIN_5V，这样是为了让电源电压更加平稳，它们有过滤杂波（滤波）的作用。

引脚3,9：SBU1-2用来传输视频或者音频信号，这里用不到，加上非连接标识。

引脚4,10：CC1和CC2连接5.1kΩ的厚膜贴片电阻后，接地。

引脚5,6,7,8：接到网络标签USB_D+和USB_D-上，这样其他模块就可以通过同名网络标签直接连接到这里。

外壳引脚13,14：也接地，为了防止手上的静电影响USB的数据传输，损坏后面的元件；

自恢复保险丝的工作原理

传统保险丝经过熔断后，就需要更换保险丝，但是自恢复保险丝是由聚合物和导电颗粒组成，当产生高温时，聚合物会膨胀，导致导电颗粒间的距离增加，从而断开了导电路径；当温度降低时，聚合物会收缩，又使得导电颗粒重新接近，重建导电路径。

充电协议：

当一个充电设备（上游设备，如快充头）连接到一个受电设备（下游设备，如手机）时，充电头首先通过CC引脚检测连接的设备类型和方向。

如果检测到下游设备符合规范（例如CC引脚上有5.1k欧姆的电阻值到接地），充电头才会把这个设备识别成需要充电的设备，会默认提供5V的初始电压进行供电。这是所有USB充电协议的基础行为，以确保设备可以安全启动和进行初步通信。

当5V的供电开始一段时间后，如果CC引脚连接的是快充协议的一些其他芯片，这时候才会跟充电头进行快充的协商。

2、5V转3.3V

之所以需要5V转3.3V，是因为在以后的嵌入式开发中，有很多传感器或者芯片的工作电压是3.3V。

这里采用的芯片是低压差线性稳压器（LDO），如果我们选择了一个固定输出为3.3V的LDO，无论输入电压是5V、6V还是8V，它都能稳定输出3.3V。它只能降压，无法升压。

3、单片机电源开关

 这个开关是一个自锁开关，用来控制单片机的供电，右边的VCC是给单片机供电的电源网络。

前面的电源模块能提供5V和3.3V的供电，自锁开关又控制着一个新的电源网络VCC，后面会把MCU（单片机芯片）挂在VCC下面，这样就可以通过自锁开关，控制VIN_5V和VCC两个电源之间的导通，来控制单片机的电源。

4、单片机

芯片选型

芯片选用STC公司生产的89C52RC，这个芯片拥有丰富的网络学习资源，适合新手学习单片机。封装类型选择QFP封装，适合在PCB上安装。       

批量导出芯片引脚为网络标签步骤

 将pinName内容，复制到netname中，然后再用查找替换功能，去掉小数点，再把其他多余的名字去掉，最后将文件保存，再导入到立创EDA即可。

5、排针

排针主要是用来引出单片机引脚，方便接入一些外部设备。

6、晶振电路

中间矩形就是晶振元件，它在特定的电路接法下，可以产生机械振动，然后在它的输出引脚产生一定波动的电压波，如下所示。

现代CPU的运作需要依靠时序波动的电压信号来捕捉上升沿，并在这些上升沿到达时推动芯片内部指令的执行，即每次来临一次上升沿，代码就会继续往下执行一步。

1MHz意味着每秒钟，晶振震动次数为一百万次。

晶振一般分为无源晶振和有源晶振。

无源晶振：必须依赖外部电路的支持才能进行稳定的震动，无源晶振和外部组成的让它可以震动的电路我们称为时钟电路。这里电路设计使用的是无源晶振，因此需要在原理图上再接两个电容。

 有源晶振：元件内部自成一个时钟电路，我们只需给它的VCC引脚，GND引脚做相应的连接，就可以从第3个引脚上捕获震荡信号。

7、复位按键

复位按键的作用就是通过单片机的RST引脚，来做一个状态重置（复位）的操作。

单片机的复位引脚（RST）需要一个持续一定时间长度的高电平信号才能识别并执行复位操作。

在上电的瞬间，电容处于充电状态，此时电容相当于一根导线，RST引脚得到高电平。

在上电一段时间后，电容充满，此时电容相当于短路，这个时候RST将得到低电平。

按下开关后，RST引脚相当于直接接到VCC，此时RST引脚将是高电平，这个状态维持几十us，MCU就会清空当前状态，重新回到第一行代码开始执行。

电容的作用：电容在默认情况下是充电状态，当按下开关后，RST会短暂的和VCC直连，但是开关会很快弹起来，这时候的RST就会和VCC断开，为了保证有充足的高电平的维持时间来激活复位状态，就需要开关断开后，仍有一个电容能给RST继续供电。

电阻的作用：防止按下开关后，VCC和GND直连，导致电源短路。

8、MCU供电指示灯

这个指示灯也是VCC供电，和MCU芯片一致，只有当MCU芯片有电时，这个指示灯才会亮。

9、程序下载模块 

其中RXD就是接收数据的引脚，TXD是发送数据的引脚。

当给芯片5V供电时，需要给V3引脚接一个电容，然后接地。VCC为3.3V时V3需短接到VCC。

RTS引脚和后面的自动冷启动电路相关。

TypeC接口有两个网络USB_D+和USB_D-，这两个接口主要是电脑通过USB接口用来传输数据的。

USB主要是通过一种差分信号的方式来进行传输数据，但是STC89C52RC这个芯片不支持差分协议，所以需要通过CH340N这个芯片将差分信号转化成STC89C52RC芯片可以支持的TTL信号。这样电脑才可以和芯片传输数据。

同理，芯片也可以通过TTL信号传送数据到CH340N，再转成差分信号的形式将数据发送给电脑。

TTL信号（单端信号）：所谓单端信号，指的是只用一根导线来发送信号。这种发送信号的方式非常简便。如果A芯片要给B芯片发送数据，那么它只需要将导线上的电平一会儿置高，一会儿置低就可以了。

单端信号传输方式主要适用于短距离的板上通信，而不宜用于线缆通信。这主要是因为单端信号的抗干扰能力较弱。

例如，如果我们使用一根导线将电脑和单片机连接起来传输数据，而在此过程中如果不小心触碰了这根导线，可能会导致身上的静电释放到导线上。这种静电干扰可能会改变导线上的电平，从而导致接收端接收到错误的数据。

差分信号：为了克服单端信号易受干扰的问题，我们可以采用差分信号传输技术。这种技术涉及将发送端的原始信号转变为两个信号：D+ 和 D-。这两个信号通过两根导线传输，其中D+ 的波形与原始信号几乎相同，而 D- 是 D+ 的反相。这种方式可以显著增强信号的抗干扰能力。

在接收端，信号的还原过程非常直接。系统通过比较 D+ 和 D- 两条线上的电压差来确定原始信号的状态。如果 D+ 的电压高于 D-，则认定为数字信号 "1"；相反，如果 D+ 的电压低于 D-，则认定为数字信号 "0"。

我们再将D+和D-两根导线绞在一起，这样它们就组成了双绞线。

在这种情况下，如果外部环境产生静电干扰，两根导线D+和D-会受到几乎相同的影响。这种干扰对两条线的影响是对称的，因此不会改变D+与D-之间的相对电压差。结果是，尽管存在干扰，接收端仍然能够准确地还原出发送端的原始信号。这展示了差分信号传输在保持数据完整性方面的强大能力，即使在高干扰的环境中也能维持信号的准确传输。 

通过CH340N芯片的数据手册，能够查找到CH340N芯片连接到单片机的参考电路。通过参考电路，可以大致知道芯片的接法。

由于MCU的引脚RXD和TXD已经备注了P30和P31的网络标签，因此这里需要给这个引脚再弄一个网络标签，使得两个不同名字的网络标签可以连接到同一根引脚上。

 在放置中，找到短接标识，然后将这个标识放置到两个引脚上。

然后再短接标识的另一端再延长导线，插入两个新的网络标签，这样就可以实现上面要求。 

10、 通信指示灯

二极管右端接电源，左端接数据传输引脚，由于数据传输是一系列的高低电平，所以当RXD或者TXD为低电平时，两个二极管就会发光，当RXD或者TXD为高电平时，两个二极管就会熄灭。

因此可以通过二极管是否快速的闪烁来判断是否正在进行数据传输。

11、P0上拉电阻

在MCU芯片中，以P开头的引脚，都是有输出功能的，也就是芯片内部能够控制引脚是高电平还是低电平，一般分为两种控制方式：推挽输出和开漏输出。

（1）推挽输出 

 通过控制上下两个MOS管的导通和断开，来使得输出引脚是高电平或低电平，还是高阻态。

推挽输出又叫推拉输出，当引脚为高电平时，电流像是被从芯片中推出来一样；当引脚为低电平时，电流像是被从拉进电流中，因此得名。

（2）开漏输出

开漏输出只控制一个接地的MOS管，当MOS管断开，引脚为高阻态；当MOS管闭合，引脚为低电平。

这个开关在没有芯片干预情况下，默认是开路状态，且电流一定从MOS管的漏极流入的，因此这种控制输出方式就称呼为开漏输出。

之前的电路是无法通过引脚输出高电平的，因此这里增加一个上拉电阻连接到VCC来输出高电平。

当MOS管闭合时，跟之前电路一样，引脚是低电平状态；

当MOS管断开时，外设就会直接通过电阻拉到了VCC，因此外设收到的电平就是高电平。

开漏输出的优点：当芯片是5V供电时，像推挽输出，就只能通过引脚输出5V的高电平，但是开漏输出可以通过上拉电阻连接到一个3.3V的电源，因此开漏输出可以不局限于芯片供电电压。

在数据手册中显示P0引脚都是开漏输出模式的引脚，因此需要上拉电阻连接到高电平，来使得引脚能够输出高电平。

12、自动冷启动

单片机烧录软件过程中，必须要先把单片机断电后，再重新给电源，在开机启动中，单片机的P3.0\RXD引脚会检测是否有别的芯片传输过来的下载命令，只有检测到下载命令才会开始下载程序，如果下载成功，就会直接执行新的代码，如果在开机后没有检测到新的代码，它就会执行上次烧录进单片机的程序。

这种强行断电，再上电的开机方式，就被称为冷启动。如果按照上面的方法，每次都要按下两次开关，一次给单片机断电，一次给单片机上电，就会非常麻烦。

因此通过设计自动冷启动电路去检测CH340N芯片，如果检测到了下载程序的信号，它就会自动完成单片机掉电再上电的过程，这样每次下载程序就不需要按动开关了。

RTS（Request To Send，发送请求）引脚的作用是向其他设备发出“我有数据要发送，请准备接收”的信号，这种操作称为硬件控制流，它的作用是为了让下游接收数据的对象，能够把正在工作的内容停下来，做好接收数据的准备。

当芯片准备好发送数据时，RTS引脚会进入激活状态。如果在RTS旁边有一个#（即RTS#），或者名字上方有一个横杠，这通常表示它是以低电平激活的。

默认情况下RTS是高电平，当有数据要发送时，RTS会变成低电平，当数据发送完成后，RTS又会变回高电平。

当电脑点击下载程序按钮时， 开始跟CH340N芯片进行通讯时，这个RTS引脚就会被拉到低电平，MCU只有在上电时，才会响应CH340N。如果说MCU一直不断电，不重新上电，则RTS引脚会一直是低电平。        

自动冷启动电路原理分析：

P沟道MOS管导通条件：源极接VIN_5V，栅极接RTS，剩下的就是漏极。

当RTS为5V时，MOS管的源极和漏极不会导通；

当RTS为0V时，源极和漏极电流就会导通。

（1）当RTS为高电平时，左边MOS管不会导通，右边MOS管会导通，此时灯泡（MCU）处于上电状态，电流如上图所示。

（2）当RTS为0V时，左边MOS管会导通，刚开始电容会处于充电状态，相当于一根导线，这时可以认为右边MOS管的栅极也是5V，因此右边MOS管在此时是截止状态，右边灯泡（MCU）就会被断电。

（3）当RTS为0V，电容充满电后，此时的电容相当于一个断路，后面的10欧姆可忽略，两个10kΩ并联相当于5k欧姆，与47kΩ串联，通过计算可得到右边MOS管的栅极电压为0.4V左右，因此这个MOS管会被导通，此时的灯泡又重新处于上电状态。

（4）当RTS恢复到5V时，右边MOS管仍处于导通状态，灯泡不会受到影响，左边的MOS管会瞬间截止，电容会对并联47kΩ的电阻一直放电，直到放空为止。 

这个电路的缺陷在于不能短时间的连续下载程序，不然的话电容电还没有放完，又重新充电的话，右边的MOS管也就不会截止，自动冷启动电路就会失效，因此这个时候就需要电源开关，来手动给MCU断电和上电。

MOS管栅极连接10Ω电阻的作用：

MOS管的栅极具有一定的寄生电容，连接线和MOS管自身也会有一定的寄生电感。如果栅极的连接上没有任何的阻尼，这些寄生的电气效应可能会组成一个LC震荡电路，从而引起振铃现象。

在MOS管的栅极去串联一个电阻，以此来削弱振铃效应。

寄生电容：是电路中非设计意图的电容效应，由导体间电场耦合形成，常见于高频电路，可能导致信号干扰或性能下降。

寄生电感：是指在电路设计中未刻意引入，但由于导体布局或物理特性而自然产生的电感。

也是因为MOS管上的寄生电容，MOS管的栅极在电平拉高或拉低时，会遇到一个平台期，这个现象与米勒效应有关，因此也被称为米勒平台。它导致MOS管从开启转到闭合时的时间间隔延长。

也不能串联太大的电阻，这是因为随着我们串联电阻的阻值的升高，米勒平台会相应地延长。

 通常，在栅极上串联10到100Ω的电阻是一种常见做法，这不仅可以有效抑制振铃效应，还能防止过长的米勒平台导致的开关延迟。在实践中，通常可以首选10Ω的电阻。

二、PCB布局

PCB的完整设计之前已经有详细介绍过了完整流程，因此本篇文章只写之前没有出现的一些问题。

1、板框尺寸

3个角小圆弧尺寸

大圆弧尺寸 

板框整体尺寸 

 2、排针布局

排针方位需要跟上图保持一致，同时放置底层。 

选中两排针，垂直指定中心间距分布为29mm，同时需要按上面排针中心左右居中。

同时对两个排针进行锁定功能，这样后面拖动其他元器件时，就不会影响这两个排针。

3、 模块布局规划

4、位号丝印调整

选中位号，然后按Ctrl+F，就会出现查找栏，点击查找全部，就能够实现对所有位号的选中。

将字体线宽和高度修改到上图所示，单位为mil，这样就能够让位号变得更小，更方便布局。

5、程序下载模块布局

这是布局完成后的芯片CH340N内部的VIN_5V线，它的背面会有一些蓝色信号线经过它，信号线的电压是会在0V和5V直接来回变化的，就有可能产生一些电磁感应在5V导线上，会让VIN_5V有一个上下波动，所以这个模块的供电尽管之前就用了电容滤波处理，但是这里还是继续得用电容滤波处理。

滤波电容离芯片越近越好，防止线太长，中间被其他信号线得电磁感应影响。

电源线一定要先经过电容，再到达芯片的电源引脚，这样可以让电容滤波效果达到最优。

6、单片机与晶振布局

原则上是两个连接的引脚越近越好，但是这里上面芯片需要流出位置来引出线，因此C12位置需要靠下一些。

所有的GND引脚都是通过一个铜皮来进行连接的，但是晶振下方是最好不要做铺铜处理的，目的是为了防止晶振和GND网络互相干扰。所以需要对晶振区域做一个禁止铺铜的设置。

 用多边形工具将晶振区域围住，然后将该区域选择为禁止区域，然后将铺铜勾选上，既可以将晶振区域设置为禁止铺铜区域。

同时，选中图层，然后将属性中的图层改成多层，这样底层也能称为禁止铺铜区域。 

三、PCB布线

1、TypeC接口和5V转3.3V模块布线

首先可以将GND的飞线隐藏，防止干扰到其他飞线的布线。

电流最早是从TypeC接口流入的，因此先从TypeC模块开始布线（快捷键Alt+W）。 

从原理图可知，所有的电流都将从Type模块流向F1自恢复保险丝和它所在的这段导线，因此需要充分考虑这段导线的线宽和最大能承载的电流。

F1自恢复保险丝跳闸电流为1A，通过PCB走线载流计算器可以计算得到线宽最好要大于11.83mil，又因为要流出冗余，因此这段导线的线宽设置为20mil。

 电源线一般都是先经过大电容滤波，再经过小电容滤波，先过滤低频噪音，再过滤高频噪音。

Type接口为了实现能正反插，有两个电源入口，因此需要将另外一个电源入口的导线连接到第一个电源入口处，但是这里明显需要绕弯，因此通过过孔（Alt+V）方式来连接。

同样的，过孔也需要考虑最大承载电流，通过PCB过孔载流计算器，可计算得到12mil孔径、18um厚度的孔壁铜厚，在10摄氏度下能承载的最大电流为1.462A，但是为了给实际施工有更大的冗余，通过经验判断，这里的孔径（过孔内径）可设置为20mil。

但是内孔径和外孔径的差值需要大于5mil，因此这里设置外孔径为30mil。

2、差分信号的布线

差分信号的布线与平时的导线布线有所不同。

两条差分导线的长短误差需要在合理的范围内。

如果布线完成后，上图提示没有显示符合规则的绿色，需要通过等长调节去调节它们之间的长度误差。

 3、VIN_5V到VCC的布线

电源模块通过Type接口引入VIN_5V供电，通过自动冷启动电路变成VCC_SW，然后再通过电源开关变成VCC，最后的VCC才是给MCU供电的电源。

4、P1口的布线

P1口的飞线这里已经完全拧在了一起，所以需要先把线拧回来，再把导线接过去。 

如上图所示，可以通过过孔和绕线的方式，将它们的排序给拧回来。 

其他飞线难处理的，可以通过两个过孔穿过其他线来布线，这里就不多加说明了。布线完如下所示。

5、制作铜箔LOGO

插入文本，然后放置顶层。

然后复制一个放到边上。将边上这个文字切换到顶层阻焊层。

然后将当前工作图层，也切换到顶层阻焊层，然后将两部分文字重合。

将这部分文字区域设置为禁止铺铜区域，且该区域的圆角半径设置为1mm。

 最后将该区域复制一份，将复制后的区域翻面。

将工作区设置为底层，然后将复制后的区域和复制前的区域重合，最后在铺铜以后就能得到文字的铜箔LOGO了。

6、铺铜

当对正反面铺铜完之后，还有GND飞线残留就可以在飞线的源头铺铜上，放置过孔的GND。

当放置了GND的过孔后，飞线就会自然消失。

晶振区域，禁止铺铜的部分，也可以通过在旁边的铜板上加一个GND的过孔，然后将晶振中需要连接GND的部分，连接到过孔上，这样飞线就可以完成了。

7、放置缝合孔

当觉得有些铜皮上的狭窄处难以通过大电流时，就可以在对应的铜皮上添加GND过孔，来增加它的载流能力。

 设置完成后，框选整个板子。

板子上就会增加很多GND过孔，来增加铜皮的载流能力，尤其是上下两层铜皮，它们之间的载流能力。

7、检测DRC

完成所有的步骤后，最后记得再检测以下DRC，以防出现问题。

8、遇到的问题

CH340N灌电问题

当闭合自锁开关后，MCU供电指示灯亮，但是断开开关后，供电指示灯还是亮着的，因此通过排查故障，发现问题产生原因是CH340N充上电空闲时，RXD和TXD引脚都维持着5V电压，然后连接到MCU就会给芯片供电，让芯片的VCC引脚产生了3.3V电压。

通过查阅数据手册，可以找到解决问题的电路，将CH340N原理图转化成下图所示。

 然后是PCB增加三个元件进去后，需要重新调整。

 首先，将之前的顶层和底层的铺铜区隐藏，然后再开始布线。

 CH340N的RXD和TXD引脚这里连接都需要删除，重新布线。

布线完成后，记得重新铺铜和DRC检查。

第二版本完成后，将核心板插上开发板后又遇到了第二个问题。

在自锁开关断开后，将核心板子插上开发板上，结果电源灯还是亮了，并且给开发板供电上了。

5V排针是一直有电源的，当MCU某个引脚为低电平时，就可能和5V排针形成下面的电路，导致5V能直接通过这个电路给MCU供电。 

解决办法也很简单，只需要将5V排针接到自锁开关控制的VCC，而不是由TypeC接口供电的VIN_5V。同时，3.3V的排针也需要连接到由VCC控制的电源。

原理图的解决办法：只需要将5V转3.3V模块和排针模块的5V电压来源，由VIN_5V改成自锁开关控制的VCC。

PCB重新布线即可，然后需要重新来一遍泪滴，铺铜操作。