第10章 51PC实物制作

前面章节的实验都是在Proteus仿真平台上完成的，这一章我们把51PC的实物做出来，让51DOS操作系统和各种应用程序都在实物上运行，看起来就更像一台电脑了，如图10-1所示。

图10-1 51PC计算机

10.1 印制电路板概述

1. 印制电路板是什么？

现代电子设备的核心往往是一块主板，主板学名就是印制电路板，也称印制线路板，简称印制板（英文缩写PCB）。印制线路板是指以绝缘基板为基础材料加工成一定尺寸的板，在其上面有印制导线及安装元器件的焊盘，可以实现安装元器件以及元器件之间的电气连接。图10-2中所示是一款监控摄像机的主板。

            

图10-2 某款监控摄像头主板

2. 印制电路板的主要最用

l 支撑电路上的各种电子元器件；

l 实现元器件之间的电气连接；

l 通过符号标记方便电路板的装配和硬件调试。

3. 认识电路板

（1） 元器件

印制板上的元器件主要分成两大类，一类是通孔类元件，另一类是贴片类元件。通孔类元器件体积较大，电路板需要打孔，但手工装配方便；贴片类元器件体积小，电路板上元器件密度大，装配自动化水平也高，如图10-3所示。

 

（a）通孔元器件                                  （b）贴片元器件

图10-3 通孔和贴片元器件

（2） 导线和过孔

元器件分成通孔式和贴片式，当然焊盘也要分成贴片式和通孔式，如图10-4所示。印制导线实现焊盘之间的电气连接，焊盘上是元器件引脚，也就是实现了元器件引脚之间的电气连接。过孔用来连接不同层之间的导线，当导线无法通过某个区域时，可以通过过孔绕到其它层。

 

图10-4 过孔、导线和焊盘

（3） 助焊与阻焊

助焊通常涂在焊盘上，使引脚和焊盘之间焊接的更好，如果没有助焊，焊锡不容易浸润焊盘和引脚，助焊与助焊如图10-5所示。阻焊是电路板表面涂的一层有颜色化学材料，其作用是阻止焊接，即使焊锡飞溅到阻焊上，也很容易清除掉，能有效防止焊接过程中引起的短路。

 

图10-5 阻焊和助焊

（4） 丝印

丝印是印制在电路上的文字和图案，可以用来标识元器件序号和元器件的轮廓，方便电路板的装配和维修，丝印如图10-6所示。

 

图10-6 电路板上的丝印

1. 使用Protel99SE软件设计印制电路板的步骤是什么？

印制电路板是工厂根据设计图纸经过一系列工序加工而成，图纸要使用专用的电路板辅助设计软件来完成，Protel99SE软件就是其中一款。

使用Protel99SE软件设计电路板的主要步骤是：设计原理图元器件->绘制原理图->生成网表->设计元器件封装->电路板布局->电路板布线。下面我们就是根据这个步骤，一步步的把51PC主板图纸设计出来。

10.2 51PC原理图元器件制作

10.2.1 原理图元器件认知

1. 为什么要制作元器件？

绘制原理图需要用到元器件，Protel99SE自带了元器件库，有常用的元件器，但随着新器件的不断推出，这些新的元器件在库中不存在，需要用户自己动手创建该元器件的电气图形符号。

2. 怎样设计原理图元器件？

原理图元器件最重要的信息是元器件引脚数量以及引脚编号，至于元器件的外形轮廓、引脚说明等信息并不重要，因为原理图最终是要生成网表，在网表里只有元器件的引脚以及引脚之间的连接关系，而外形轮廓并不影响最终电路板的设计。引脚的信息可以通过查阅元器件的手册获取，一般要保证原理图元器件、元器件封装和元器件实物三者引脚信息一致。

10.2.2 原理图元器件设计

51PC主板原理图如图10-7所示，此原理图来源于前面的Proteus仿真原理图，但根据元器件实际情况作了修正，相关信息在后面的原理图设计时再做说明。

图10-7 51PC主板原理图

分析51PC原理图，用到的原理图元器件情况如表10-1所示。

表10-1 51PC主板原理图元器件信息

从表中可知，需要我们制作的原理图元器件有：74LS373、62256、CD4011、MAX3232EC、SDCARD和STC89C58RD共6个，其它的元器件Protel99SE的系统库里都自带了。

1. MAX3232EC元器件设计

下面就以MAX3232EC为例为读者展示元器件制作的步骤，MAX3232EC的管脚图如图10-8所示。

 

图10-8 MAX3232EC管脚图

（1）创建设计项目并新建原理图库文档

打开Protel99SE软件，在文件（File）菜单里新建设计（New Design）,修改好设计的名称和存放的路径，这里设计名称就叫“51PC.ddb”，路径设置为桌面。在Protel工作区双击打开“Documents”图表，然后右键->新建选择创建原理图库文档，如图10-9所示。

 

图10-9 原理图库文档创建界面

（2）创建元器件

双击打开“Schlib1.Lib”，然后工具->新建原件，起名为MAX3232EC。

（3）放置引脚

从MAX3232EC的管脚图可知此元器件共有16个引脚，使用SchLibDrawingTools浮动工具框里第二行最后一个工具，在绘图区放置16个引脚，注意引脚圆头朝外，鼠标十字朝里，如图10-10所示，引脚朝向如果放错，绘制原理图时无法完成电气连接。

 

图10-10 引脚摆放图

（4）绘制轮廓

给元器件绘制一个轮廓，如前所述元器件轮廓不重要，可以使用浮动工具框第一行第一个工具绘制轮廓，如图10-11所示。

 

图10-11 轮廓图

（5）修改管脚号和名称

双击每个引脚，在对话框中分别修改管脚号和名称，可以对照图10-12中的管脚图设置，引脚横向间距和纵向间距都可以多次调整，引脚长度也可以调整。至此MAX3232EC的原理图元器件就设计完成了，剩下5个需要制作的元器件请读者自行完成。

 

图10-12 MAX3232EC元器件图    

    2.其它元器件制作

74LS373引脚图和元器件图如图10-13所示。

    

                   （a）引脚图            （b）元器件符号图

图10-13 74LS373引脚图和元器件符号图

62256引脚图和元器件图如图10-14所示，I/O口与DQ是一样的。

          

（a）引脚图            （b）元器件符号图

图10-14 62256引脚图和元器件符号图

CD4011引脚图和元器件图如图10-15所示。

    

（a）引脚图            （b）元器件符号图

图10-15 CD4011引脚图和元器件符号图

SD卡是要插入SD卡座读写的，所以我们要做的实际上是卡座的元器件符号，卡座实物如图所示，卡座引脚定义如表10-2所示。

表10-2 SD卡引脚信息表

    设计SDCARD的原理图元器件，参考图如图10-16所示。

 

 

图10-16 SD卡插座元器件符号图

STC89C58RD引脚图和元器件参考图如图10-17所示。

        

（a）引脚图            （b）元器件符号图

图10-17 STC89C58RD引脚图和元器件符号图

3. 复制已有元器件

Protel99SE系统中自带了很多设计好的原理图元器件，我们可以把表中所示系统自带的元器件直接复制到Schlib1.Lib库中。

在“文件->打开”中选择“C:\Program Files\Design Explorer 99 SE\Library\Sch\Miscellaneous Devices.ddb”并打开。在Miscellaneous Devices.ddb的元器件浏览窗口中根据表中名称依次找到每个元器件，然后在元器件名称上右键复制，如图10-18所示，最后到Schlib1.Lib中右键粘贴，就可以把元器件复制到自己的库中了，请读者自行复制系统自带的元器件。复制完成后，绘制原理图用到的所有元器件就都在Schlib1.Lib库中了。

 

图10-18 元器件复制方法

10.3 51PC主板原理图设计

10.3.1 原理图认知

1. 什么是电路原理图？

设计电路板的步骤之一就是绘制电路原理图，电路原理图描述了印制电路板用到了哪些元器件、元器件的基本属性（阻值、容值、封装等信息）和元器件之间的电气连接关系，设计原理图是为了生成网络表。

2. 绘制原理图的基本步骤是什么？

新建原理图文件->装载元器件库->放置所需要的元器件->元器件布局和连线->放置标注文字、网络标号、元器件编号->电气规则检查->产生相关报表。

10.3.2 51PC主板原理图绘制

1.新建原理图文件并加载元器件库

双击Documents文件夹，右键->新建选择原理图文档，创建原理图文件，如图10-19所示。。

 

图10-19 新建原理图界面

双击打开Sheet1.Sch文件，点击“添加/移除”，在文件浏览窗口找到我们的项目文件51PC.ddb并双击加入，点击确定，前面准备的Schlib1.Lib库就加载进来了，如图10-20所示。

 

图10-20 加载完元器件库界面

2. RS232串口部分原理图绘制

串口部分的原理图如图10-21所示，下面我们以串口部分原理图为例讲解怎样绘制原理图。

 

图10-21 串口部分原理图

    （1）放置元器件

分析串口部分原理图可知，需要4个电容（CAP）、1个串口电平转换芯片（MAX3232EC）、和1个串口插座（DB9）。在元器件库中找到每个元器件，点击放置按钮，然后到工作区放置即可，工作区的网格可以放大和缩小，放置元器件情况如图10-22所示。鼠标左键点住元器件，按一下空格键可以逆时针旋转90度，按X、Y键可水平和垂直镜像。放置好元器件后，参考图对元器件的相对位置进行适当调整，方便后续的连线以及美观

 

图10-22 放置一个元器件

（2）连线

用WiringTools浮动工具栏（如图10-23所示）中第一行第一个工具进行导线的连线。点击导线，到元器件的一个引脚上出现黑点时点左键，再到另一个需要连接的引脚上点左键，最后点右键完成两点的连接。请读者自行完成串口部分的所有导线连线。

除了连线，还需要放置电源和地，电源和地都使用WiringTools工具栏中第一行第五个工具。在工作区中双击电源符号可以修改网络和样式，如果作为VCC电源使用，则不用修改；如果作为地使用，可以把网络修改为GND，把样式修改为电源地。

除了连线有电气连接意义外，相同的网络标号同样代表电气连接，网络标号使用WiringTools工具栏中第一行第四个工具，放置网络标号的地方一般先用导线延长一些，然后放置并修改网络标号名称，本例中TXD就是网络标号，原理图中凡是有TXD网络标号的地方就是连接到一起的，虽然没有直接用导线连接。

 

图10-23 WiringTools浮动工具框

（3）元器件属性的设置

元器件的序号到后面统一自动编号，但需要修改元器件的阻值、容值。双击每个元器件，在部件类（Part）中修改阻值、容值信息。这样串口部分的原理图就绘制完成了，请读者参考51PC主板原理图自行完成剩余部分。

3. 关于51PC主板原理图的说明

电源部分直接输入5V直流电，引出来4组对外接口方便其它外接设备取电。

输入/输出部分通过P1口外接4个LED灯和4个按键，按键和LED可以用来完成输入/输出实验，同时P1口引脚也全部引出，可以通过短路帽在外接设备和板载设备之间切换。

引出TTL串口可以用来外接串口键盘和串口显示屏。

单片机及存储扩展部分使用了一片四2输入与非门芯片CD4011，使用与非门可以方便实现与、或、非门。

SD卡存储器工作电压一般是3.3V，我们的电路板工作电压是5V，为了电压匹配做了一些电路的设计。5V电源串联2个1N4148二极管后给SD卡供电，一个二极管压降是0.7V，所以SD卡的实际供电电压约是3.6V。51单片机IO口输出高电平是5V，SD卡接受的是3.3V，需要做电平转换。P3口输出高电平时，实际上是串联了一个很大（几十K）的电阻后输出的，为了把5V的电压转化成3.3V，设计了一个如图10-24所示的转换电路，当X是5V时，Y的输出电压约为3.1V，这样就实现了单片机IO口输出与SD卡输入的电平转换。SD卡输出的高电平是3.3V，单片机IO口会认为3.3V也是高电平，因此SD卡到单片机不用转换。SD卡部分的完整电路参考51PC主板原理图。

 

图10-24 5V到3.3V电平转换

4. 元器件编号

原理图连线完成后，我们使用工具对元器件进行自动编号。工具（Tools）->注释（Annotate），默认设置即可，确定完成元器件自动编号。

5. 封装设置

封装的相关内容在后面会介绍，这里只是设置元器件的封装信息就可以了，双击每个元器件在封装里填入如表所示的封装名称。

6. ERC检查

工具（Tools）->电气规则检查（ERC），自动检查原理图中的错误，有错误需要一一修改。

7. 网表生成

网络表里描述了使用了哪些元器件、元器件的属性信息和元器件引脚之间的连接关系，网络表是PCB设计和原理图之间沟通的桥梁，可以通过“设计->生成网络表”完成网络表生成。

8. BOM清单生成

电路板需要用到哪些元器件，各用了多少个，以及这些元器件的属性信息可以生成BOM材料清单。可以通过“报告->材料清单”生成，如图10-25所示，材料清单可以用来采购元器件和装配电路板。

 

图10-25 51PC主板材料清单

10.4 元器件封装制作

10.4.1 元器件封装认知

1. 什么是元器件封装？

元器件封装是为了在电路板上留下合适的物理空间装配实际元器件，是实际元器件外形轮廓、引脚间距、引脚直径和引脚序号等信息抽象出来的模型。元器件封装使用示意图如图10-26所示。

 

图10-26 封装设计和使用示意图

2.怎样设计元器件封装？

设计封装需要弄明白元器件的物理尺寸和工作原理，可以通过查阅元器件手册、询问厂家、手工测量等方式获取元器件物理尺寸。

设计封装的基本步骤：放置焊盘->设置焊盘间距->焊盘通孔大小->焊盘大小形状->焊盘序号->外形轮廓。

10.4.2 元器件封装设计

1. 自锁开关封装设计

自锁开关的物理尺寸图如图10-27所示，这种图一般可以向厂家索取。

 

 

图10-27 自锁开关物理尺寸

（1）创建封装库文档

创建PCB库文档PCBLIB1.LIB并打开，如图10-27所示。

 

图10-27 PCB库文档创建界面

（2）创建元器件

工具->新建原件，对话框中点取消，然后在浏览窗口元件上右键重命名，把名字改成SWITCH。

（3）放置焊盘

通过图纸可以知道自锁开关一共有6个引脚，所有需要6个焊盘。

通过“放大/缩小”工具调整绘图区可视网格至合理大小，通过“编辑->设置参考点->位置”，在绘图区设置一个原点，通过“视图->切换单位”可以在英制和公制之间切换。

通过PCBLibPlacementTools第一行第二个工具在原点附近放置6个焊盘，如图10-28所示。

 

图10-28 焊盘摆放图

 

（4）设置焊盘间距

通过图纸得知：焊盘X方向间距为2.5mm，Y方向间距为6mm。通过设置每一个焊盘的坐标值就可以设定焊盘X、Y方向的间距，比如可以设置6个焊盘坐标分别为（-2.5，3）、（0，3）、（2.5，3）、（-2.5，-3）、（0，-3）、（2.5，-3）。双击焊盘，在焊盘对话框中“X向位置/Y向位置”中设置坐标值。

（5）设置焊盘通孔大小

焊盘通孔大小比引脚实际直径（如果引脚是方形或矩形，直径取对角线长度）要略大，一般大0.2mm即可。通过图纸看到自锁开关每个引脚的直径是0.6mm，焊盘通孔大小可以设置成0.8mm。可以通过全局按钮进行批量设置，如图10-29所示。

 

图10-29 焊盘属性批量修改图

（6）设置焊盘大小形状

焊盘直径一般要比通孔尺寸大0.5mm左右，自锁开关的焊盘大小和形状保持默认即可。

（7）焊盘编号

实际的自锁开关上并没有序号，那焊盘该怎样编号呢？一条基本的原则是原理图元器件、元器件封装和实物三者保持一致。比如我们的原理图，只需要1和2引脚作为开关，那么根据自锁开关的电气原理，可以设置封装中上面一排的焊盘序号从左至右为1、2、3，这样当实物焊接到电路板上，按下开关时，1、2焊盘接通，抬起时，1、2焊盘断开，与原理图的要求一致。下面一排焊盘可以标为4、5、6，装配时自锁开关的旋转不影响电气关系，因为左下角和右上角功能一样。

（8）绘制外形轮廓

通过图纸可知自锁开关的外形轮廓为8mmx8mm。点击工作区下方的“顶层丝印”，通过PCBLibPlacementTools中第一行第一个工具来绘制外形轮廓，可以设置线段的起始坐标完成轮廓绘制，自锁开关封装参考图如图10-30所示。这样自锁开关的封装就做好了，请读者自行完成表中需要制作的封装。

 

图10-30 自锁开关封装参考图

2. 剩余元器件封装设计

（1）四脚按键

四角按键的物理尺寸图和电气原理如图10-31所示。

 

图10-31 四脚按键尺寸图

从图10-31中得知：焊盘横向间距6.5mm、纵向间距4.5mm、引脚直径0.8mm，外形轮廓紧贴着四个焊盘即可。新建元件封装，并命名为“KEY”，设计好的参考图10-32所示。

 

图10-32 四脚按键

（2）发光二极管

发光二极管实物信息：直径3mm、引脚间距是2.54mm、长脚为正极。原理图元器件1脚为正，封装也应“焊盘1”为正，封装中“焊盘1”将来安装发光二极管的长脚。新建元件封装，并命名为“LED_3MM”，设计好的封装如图10-33所示。

 

图10-33 发光二极管封装

（3）DC-005电源插座

DC-005电源插座的物理尺寸图和电气原理如图10-34所示。

 

图10-34 电源插座尺寸图

通过分析图10-34中的尺寸信息可知，通孔大小设为3mm、焊盘形状设为圆形、X方向4mm、Y方向5mm，轮廓绘制成比元件实际长宽略大。新建元件封装，并命名为“DC-005”，电源插座原理图元器件中3引脚作为电源，1、2引脚作为地，封装焊盘编号如图10-35所示，保证实物、封装和原理图元器件电气关系一致。

 

图10-35 电源插座DC

（4）电解电容

电解电容是10uf小电容，封装可设计为：引脚间距2.54mm、外径5mm、通孔大小默认值。新建元件封装，并命名为“RB.1/.2”，设计好的封装如图10-36所示。

 

图10-36 电源电解电容封装

（5）安装孔

安装孔常用3mm直径螺丝固定，可以使用一个焊盘作为封装，焊盘通孔大小设置为3mm、焊盘大小设置为5mm。新建元件封装，并命名为“HOLE”，如图10-37所示。

 

图10-37 安装孔封装

（6）晶振

晶振的物理尺寸图和电气原理如图10-38所示。

 

 

图10-38 晶振尺寸图

通过晶振尺寸图得知：焊盘间距4.88mm、轮廓11.05mmX4.65mm、引脚直径0.45mm，焊盘通孔大小可设置为0.65mm。新建元件封装，并命名为“CRYSTAL”，如图10-39所示。

 

图10-39 晶振封装

（7）SD卡插座

SD卡插座的物理尺寸图如图10-40所示。

   

图10-40 SD卡PCB LAYOUT尺寸图

由图10-40可知：12、12、14、15焊盘大小为2.8mmX1.3mm，17号定位孔直径为1.1mm，16号定位孔直径为1.6mm， 1到8号焊盘大小都是1mmX1.8mm，10和11号焊盘大小是0.8mmX1.8mm，两个定位孔间距为21mm，定位孔中心距离上边沿2.05mm，两个定位孔中心距离左右边沿都是1.5mm，10号焊盘与11号距离是1.2mm，11号与8号距离是1.3mm，8号和7号距离是1.65mm，剩下的焊盘中心间距都是2.5mm，16号孔的中心与9号焊盘的中心横向距离是0.15mm。根据这些数据，选择一个点作为原点，就可以设计出SD卡的封装了。贴片焊盘就是把普通焊盘的通孔尺寸设为0，层改成顶层，再修改形状尺寸就可以了。SD卡插座的封装参考图如图10-41所示。

 

图10-41 SD卡插座封装参考图

（8）1N4148二极管

1N4148可以使用电阻的AXIAL0.4封装，但二极管有方向，添加个方向就可以了，如图10-42所示。

 

图10-42 二极管封装参考图

3.复制自带的封装

打开“C:\Program Files\Design Explorer 99 SE\Library\Pcb\Generic Footprints\Advpcb.ddb”，把表1中自带的封装都复制到PCBLIB.LIB中，复制方法跟原理图元器件一样。

10.5 PCB布局

10.5.1 低频电路板布局的基本原则

l 主芯片放中心，其它各功能单元与主芯片成星形分布，各功能单元器件相对集中；

l 对外接口元器件一般放置在板子边缘；

l 开关等需要手操作的器件要留有足够的操作空间；

l 稳压芯片要远离对热敏感的器件；

l 尽量减少飞线的交叉；

l 在满足电气连接的情况下，元器件尽量整齐摆放。

10.5.2 51PC参考布局

1. 规则设置

布局布线前需要先设置一下规则（“设计->规则”中设置）。布线规则中“留空约束”设置为10mil，也就是导线与导线的最小距离，导线与焊盘最小距离都是10mil；“宽度约束”设置最小值10mil、最大值50mil、首选值15mil，完成导线宽度约束的设置；制版中“多边形连接方式”设置为散热连接，完成铺铜规则的设置；“孔大小”设置为最小值20mil、最大值150mil。其他规则请读者根据实际情况设置，51PC主板设置这些基本就可以了。

2. 规划电路板尺寸

新建PCB文档PCB1.PCB并打开。通过“编辑->原点->设置”可以设置原点，“编辑->跳转->当前原点”可以实现快速定位到原点，通过“视图->切换单位”把单位切换到公制（毫米），通过放大缩小工具可以调整网格大小。选择KeepOut层，使用PlacementTools浮动工具框中的第二个工具绘制一个长120mm宽90mm的长方形，可以先绘制4条线段，再修改线段的起始坐标和终止坐标，最终4条线段首尾连接成一个12cmX9cm的矩形，这个矩形就是加工出来电路板的物理尺寸，电路板规划示意图如图10-43所示。通过第二排的弧形工具，还可以把电路板的四个直角做成圆弧形，请读者自行完成。

 

图10-43 电路板尺寸规划图

3.加载网表

通过“设计->添加/移除库”添加51PC.ddb项目，并把默认的库移除，这样就把我们前面准备好的PCBLIB1.LIB库加载进来了。通过“设计->装入网络”功能加载前面生成的Sheet1.NET网络表，如图10-44所示。如果有错误，则需要修改错误直至所有宏已验证，错误的原因一般是原理图元器件和元器件封装不匹配，比如原理图元器件引脚序号叫A、K，而封装里叫1、2，如果修改元器件封装则需要重新加载PCBLIB1.LIB库。

 

图10-44 加载网络表

点击“执行”按钮，把所有的元器件封装都加载到工作区。双击其中一个元器件，说明里隐藏勾选，同时点开全部应用到所有元器件，确定后把所有元器件的说明隐藏，只留下元器件的序号。

2. 布局

根据前面的布局基本原则实现电路板的布局，布局参考图如图10-45所示。89C58单片机放在中心，存储扩展部分、输入输出部分、SD卡存储部分、串口部分、电源部分等各功能单元围绕单片机成星型分布，并且各部分的元器件相对集中。各功能内部需要连接，然后再与单片机连接，这样布局可以尽可能的减少后续布线的交叉。对外的接口，比如电源插座、串口插座、SD卡插座等连接件放在板子的边缘，方便实物的接插。需要手动操作的开关等元件周围要留有一定的空隙，不要出现需要手操作却插不进手的情况。满足布局的基本条件后，再考虑整齐、美观大方。

 

图10-45 51PC主板布局参考图

10.6 PCB布线

10.6.1 PCB布线基本原则

l 两层板十字交叉布线；

l 电源线加粗；

l 信号线能短则短，能宽则宽；

l 对地铺铜，铺铜连接方式采用散热连接；

l 布线一般距离板子边界大于1毫米。

10.6.2 51PC电路板布线

1. 布线

选择布线工具框中的“交互式布连线”，如图10-46所示，根据布线基本原则依次对各部分进行布线，所有的GND先不布线，等到最后对地铺铜。

 

图10-46 布线工具浮动框

可以顶层布横线，底层布竖线，点击顶层或底层可以两层之间切换。选择布线工具框中的第一个工具，在一个焊盘上点下左键，到另一个焊盘上再点一下左键，最后点右键完成一条连线。

电源部分线宽用40mil，其它信号线用10mil，导线连接一个焊盘时，按下Tab键可以修改走线宽度。可以在电路板里布几条上下左右贯通的粗电源线，其它需要电源的地方再用细导线就近连接。

如果因为导线或焊盘的阻挡无法实现顶层走横线或者底层走竖线，可以用打过孔的方式穿到另一层。总之，尽可能的一层横线，一层竖线，这样能达到最大的布线密度。

51PC主板参考布线图如图10-47所示，但因为图书分辨率和颜色的关系，布线图的信息不能完全的展示出来，详细信息请读者查看本书附带的电子资料，里面有51PC主板的设计文件。

 

图10-47 51PC主板参考布线图

2. DRC检查

“工具->设计规则检查->运行DRC”进行设计规则（DRC）检查，结果中应显示只有GND没有布完，如果有其它问题，请依次解决。

3. 对地铺铜

选择浮动工具框中的铺铜工具（第二行倒数第三个），并进行如图10-48所示的设置。分别在顶层和底层进行铺铜，铺铜方法就是用布线工具在电路板四个顶点绘制封闭图形。

 

图10-48 铺铜设置

铺铜就是把没有布线的空白部分铺上一层铜皮，这层铜皮直接接到地线上，凡是需要接地的地方就近接入铺铜上，而且铺铜会把信号线包络起来，也能有效减少信号之间的干扰。设计规则里设置的多边形连接方式是散热型连接，指的就是铺铜和焊盘之间通过导线连接，而不是全部直接包围连接，这样是为了焊接时更容易，防止散热过快导致焊盘不沾焊锡。

铺铜完成后，再次进行DRC检查，正常应该显示没有错误了。

4. 标注

在顶层丝印层（TopOverlay）层标注注释信息，比如单片机引脚序号、电源输入电压、公司信息、版本信息等。把设计文件发给工厂，工厂加工出来空白电路板，后续就是元器件焊接、调试。

10.7 调试运行

1. 元器件采购

    请参考表10-3所示BOM清单采购元器件。

表10-3 51PC主板BOM清单

2. 焊接调试

左手拿焊锡丝，右手拿烙铁，烙铁与电路板成45度角，用烙铁尖同时接触焊盘与元器件引脚，把焊锡丝送到烙铁尖处，等焊锡丝融化浸润焊盘和引脚并成圆锥状，移开焊锡丝，移开烙铁，完成焊接。焊接时间大约2~3秒钟，烙铁温度大约320度，如果焊锡丝不容易融化，多半是温度低，可适当调高烙铁温度或者更换更大功率的烙铁，建议读者购买好点的烙铁，工具质量太差会带来很多不必要的麻烦。烙铁不用时要及时放回烙铁架以免烫伤，可调整呼吸节奏减少吸入焊接时产生的青烟。焊接完可以斜口钳剪断多出来的引脚。

通孔类元件体积比较大，焊盘距离也比较远，焊接中出现短路的可能性并不大，但可能会出现元器件引脚插反的情况，比如发光二极管、电解电容正负极插反，芯片旋转了180度接反，出现问题，请读者耐心检查，必要时候可以用电压表测量关键点的电压，一点点的确定哪里出了问题。

如果焊接出错，需要把元器件再取下来，可以用烙铁融化焊盘上焊锡，再用吸锡器吸干净焊锡，取下错误的元器件并重新焊接正确的，必要时需要用烙铁加热引脚，然后用镊子辅助取下元器件。

3. 烧录51DOS

用USB串口连接计算机和51PC主板，安装电子资料里提供的“STC单片机烧写工具”，打开烧写程序，界面如图10-49所示。在“MCU Type”中选择“STC89C58RD+”型号，点击“打开程序文件”按钮并选择51DOS操作系统文件OS.hex，“COM”选择USB串口（通过Windows设备管理器可以查看USB串口名称）。点击“Download/下载”按钮，打开电路板电源，烧写过程会有进度条，等待程序烧写完毕。

 

图10-49 STC单片机烧写程序界面

4. 准备SD卡

准备一张SD卡，如果只有MicroSD卡，可以把MicroSD卡插入卡套转换成SD卡，如果计算机没有SD读卡器，可以用USB接口的SD卡读卡器。把SD卡插入计算机，把“dd.exe”工具和SD卡镜像“sd.mmc”复制到用户目录下（比如C:\Documents and Settings\Administrator）。打开Windows命令行工具，输入“dd if=sd.mmc od=g: count=4096 bs=512”，“sd.mmc”是待写入的镜像文件，“g:”是SD卡的盘符（可以在Windows下看到），count与bs相乘之积是写入的字节数，写入信息如图10-50所示。

 

图10-50 dd工具运行界面

如果要把SD卡内容读出成镜像文件，可以使用“dd of=sd.mmc id=g: count=4096 bs=512”命令。

5. PC终端方式运行

把SD卡插入51PC主板，USB串口连接主板和计算机。打开“Putty.exe”终端工具，选择“Serial”，设置USB串口号（比如COM3），波特率设置为9600，如图10-51所示。点击“Category->Terminal->Keyboard”，把“The Backspace Key”设置成“Control-H”作为退格编码。点击“open”按钮打开软件界面。

 

图10-51 Putty设置图

打开电路板电源，正常应该看到熟悉的输出“Welcome to 51DOS :)”，接下来就和Proteus仿真中的操作一样了，但现在的操作系统和应用程序都是在硬件电路板上运行的，运行情况如图10-52所示。

 

图10-52 终端方式运行界面

3. 独立运行

终端方式运行时，看起来还是没有摆脱计算机，如果我们有串口的键盘和显示器，那么51PC就可以像一台电脑一样独立运行了。

既然我们能设计并实现51PC的主板，当然也能设计一个输出ASCII码的串口键盘，原理图如图10-54所示。仍然使用89C58单片机，设计了一个8x8的矩阵键盘，单片机检测哪一个按键被按下了，然后通过串口输出一个对应的ASCII编码。实现了26个字母、10个数字、空格、退格、回车、逗号、冒号、分号、点、正斜杠、大小写切换、引号、$、#、@、+ 、- 、*、 >、 <、 = 、(、 )、 &、 | 、!共60个按键，通过大小切换还可以实现更多字符，另外留下4个按键供用户自行定义。键盘的Protel99SE设计文件和键盘检测程序请读者到配套电子资料里查找。

串口显示器可以直接使用手机。我们基于CH340/341 USB芯片开发了一个安卓版显示程序，请读者安装电子资料里的显示程序至安卓手机，通过OTG转换接口接入USB串口，USB串口另一端连接51PC主板串口，这样手机就成了串口显示器。

把串口键盘通过杜邦线接入51PC主板，打开安卓APP软件的“打开串口”，打开主板电源，是不是一台电脑就运行了？51PC独立运行情况如本章开始图片所示。

至此，本书内容全部结束，我们依次给读者展示了计算机的硬件工作原理和软件工作原理，目的不是为了造出高性能的计算机，而是通过简单的计算机结构说清计算机的工作原理。进一步学习计算机硬件，请读者研究ARM、MIPS、x86等CPU；进一步学习计算机操作系统，请读者研究Linux、Windows等操作系统；进一步学习应用程序开发，请读者开发安卓、Linux、Windows、iPhone等系统的应用程序。当然，硬件和软件都只是个工具，隐藏在软硬件背后的数学描述的科学和技术更需要读者去钻研。

 

图10-54 串口键盘参考原理图