嘉立创EDA硬件设计与实战学习笔记（三）：51单片机核心板原理图设计
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一、 17-51单片机核心板元件选型
1. 什么是单片机最小系统？
单片机最小系统，是指用最少的元件组成的、能让单片机正常运行程序的基础系统。你可以把单片机想象成人类的大脑，为了让大脑正常运转，它需要三个基本条件：
- 电源电路（提供能量）： 就像人类需要吃饭。VCC（正极）和 GND（负极）构成供电回路。
- 晶振电路（提供心跳）： 单片机执行指令需要一个稳定的节拍，晶振就像心脏起搏器，为单片机提供精准的时钟信号。
- 复位电路（提供重启机制）： 当系统死机或状态混乱时，复位电路就像电脑的"重启按钮"，将单片机的系统状态清零，使其重新初始化。
对于51系列单片机来说：单片机 + 晶振电路 + 复位电路 = 最小系统。
2. 核心芯片选型
这里我们选择国产宏晶公司（STC）推出的 STC89C52RC 单片机，这款单片机属于经典的 8051 架构。 我们在浏览器搜索"宏晶STC单片机官网"，打开官网首页后点击"技术支持"，即可下载对应的数据手册。我们这次用的是 STC89C52 系列，所以直接查看它的专属手册。我们要设计单片机最小系统，直接在手册第11页找到官方推荐的最小系统示例电路作为参考依据。
概念补充：
- 电源电路： 最小系统中的电源是能量来源。VCC（40脚）接电源正极，GND（20脚）接电源负极（接地端），形成电气连接。
- 外围功能电路： 除了最小系统，我们还需要添加按键检测、LED指示灯、排针引出等，方便后续做实验。
二、 51单片机核心板原理图设计
1. 工程建立与电源电路设计
打开嘉立创专业版，点击 文件 -> 新建 -> 新建工程，名字命名为"51单片机核心板"，点击保存。 加载完成后，为了规范工程，我们将 Board 命名为"51单片机核心板"，原理图命名为"51单片机核心板原理图"，PCB 命名为"51单片机核心板PCB"。
接下来打开原理图，开始绘制电源部分：
- Type-C 输入接口： 在库里找到
TYPE-C-6P-DIP2X2并放置。为了让普通的 Type-C 线能输出 5V 电压，我们需要两个 0805 封装的 5.1k 电阻，将它们分别连接在接口的CC1与CC2引脚上，电阻的另一端接地。同时，接口的 GND 和外壳 EH 脚全都要接地。VBUS 是电源正极，我们给它连接一个网络标签VCC+5V。 - 电源开关： 我们要把 USB 送进来的 5V 送到开关，再经过开关给后面的降压芯片供电。这里选择拨动开关
SS3235S-L3。这个开关的 1、2、3 脚我们不需要用，全部接地。4脚接刚才的网络VCC+5V。开关打开后的输出端，我们给个新的网络标签叫+5V。 - LDO 降压（5V 转 3.3V）： 经过
+5V，我们要通过 LDO（低压差线性稳压器）变成 3.3V。芯片选择AMS1117-3.3。首先把它的两个 VOUT（2脚和4脚）连接在一起并接上新的网络标签3.3V，GND 脚接地，VIN 脚接+5V。 - 电源指示灯： 为了直观显示电源状态，我们找一个绿色 0805 封装的 LED，串联一个 1K 的限流电阻。电阻一端连
3.3V，另一端连 LED 阳极，LED 阴极接地。这样，当 3.3V 正常产生时，LED 就会亮起。 - 滤波电容： 最后，要为 AMS1117-3.3 添加滤波电容。查阅数据手册可知，它的输入和输出端都需要 10uF 的滤波电容。为了达到更好的滤波效果（大电容滤低频，小电容滤高频），我们在输入和输出端分别并联一个
10uF和一个0.1uF（即 100nF）的 0805 陶瓷电容。
至此，电源电路部分设计完成。
2. 最小系统电路设计
单片机主芯片放置
我们找到 STC89C52RC-40I-LQFP44，双击放置。这个贴片封装单片机一共 44 个引脚。查阅手册确认，这颗单片机供电电压为 3.3V 到 5.5V，这里我们统一用 5V 供电（VCC接+5V，GND接GND）。 注意： 我们通常会在芯片的电源引脚附近就近加一个 0.1uF 的去耦电容。它的作用就像一个备用水缸，当芯片瞬间需要大电流时，能迅速补给，保证电压平稳。 接下来，选择浮动工具里的"网络标签"，为单片机的每一个 IO 端口都添加上，并直接使用单片机默认的引脚名（如P1.0、P2.0）进行命名，方便后续连线。
晶振电路设计
接下来设计晶振电路。首先把 XTAL1 和 XTAL2 的网络标签复制出来。 在搜索栏搜索并放置一个 12MHz 的贴片晶振 AS-12.000-18-SMD-TR。根据官方硬件指导，12MHz 晶振通常需要搭配两个 20pF~30pF 的谐振电容（常见选型为 22pF，原先的 47pF 偏大可能会导致起振不良）。将两个电容一端接晶振引脚，另一端接地。
复位电路设计
51单片机是高电平复位（RST引脚输入高电平即重启）。在常用库里，选择 1 个 10k 的电阻和 10uF 的极性电容，外加一个轻触按键 3*4*H。 电容正极接 5V，负极接单片机 RST 脚；电阻一端接 RST 脚，另一端接地。按键并联在电容两端。上电瞬间电容充电实现自动复位，平时按下按键直接把 5V 导通给 RST 脚，实现手动复位。
3. 外围功能电路设计
芯片引脚引出
为了后续能外接其他模块，我们要把单片机的所有 IO 引脚用排针引出。 先放置两个 HDR-M_2.54_1x16P（1排16脚）的排针。第一个排针按照顺序放置 P0 和 P2 组引脚；第二个排针放置 P1 和 P3 组引脚。接着，再拿一个 1*7 的排针用来放置 P4 组引脚。引脚引出就完成了。
按键电路设计
按键电路作为输入设备，非常简单。我们使用两个轻触按键，将它们分别接在 P2.0 和 P2.1 两个 IO 口上，按键的另一端接地。 硬件消抖优化： 机械按键在按下和松开的瞬间，金属弹片会有物理抖动，产生杂波。我们在按键两端并联一个 0.1uF 的电容，利用电容充放电平缓的特性，就能在硬件层面消除这个抖动。
LED灯电路
设计 LED 灯输出电路。选择 P1.0 和 P1.1 作为两个控制口，拿两个 0805 封装的贴片绿色 LED 灯。 接法注意： 51 单片机的 IO 口输出高电平时电流非常微弱，带不动 LED，所以不能把 IO 口接在 LED 的阳极。正确的做法是：电源接 3.3V，串联两个 1K 限流电阻后连到 LED 阳极，然后把 LED 的阴极连到单片机 IO 口。 这样，当 IO 口输出低电平（0V）时，形成电压差，LED 灯亮；输出高电平（3.3V）时，无电压差，LED 灯熄灭。
P0 端口上拉电阻配置
由数据手册可知，P0 端口内部是没有上拉电阻的（属于开漏输出）。如果不外接上拉电阻，它只能输出低电平。如果想要它输出高电平，必须强制拉高。 所以我们选中 P0 的 8 个引脚，为每个引脚配置一个 10K 的上拉电阻。电阻的另一侧，统一接上 +5V 的高电平即可。
电源引出接口
我们的板子已经产生了 +5V 和 3.3V 的电源。为了给未来外接的传感器供电，我们需要专门留一个电源引出接口。 复制一个之前用过的 7P 排针，把 +5V、3.3V、GND 引出，多留几个 GND 方便接线。
51单片机串口引出
串口是 51 单片机下载程序和外部通信的核心接口，在元件符号上标注为 P3.0(RXD) 和 P3.1(TXD)。 除了把这两个网络标签复制出来，我们还要把 5V 和 GND 一起做到一个 4P 排针上。因为我们未来外接"USB转串口模块"下载程序时，通常会直接由这个模块给核心板供电。
4. 最终成品与规则检查
最终成品
现在，所有的电路模块都搭建完毕了。稍微调整一下各模块的位置，保持排列整齐，并添加文字注释标明各个区域的功能，最终效果就是这样：
DRC 检测
绘制完原理图后，必须进行 DRC（设计规则检查），看看原理图在逻辑连接上有没有明显的硬伤。 检测后，您可能会发现类似这样的问题：
[警告] : 元件的属性与供应商编号不匹配。建议使用器件标准化: H1(1I48),H2(1I49),H3(1I50),H6(1I85),H5($1I100)
解释： 这个警告只是系统在提醒您，您画的这些排针等常规元器件，没有和嘉立创商城的具体商品编号强行绑定。只要封装尺寸没画错，这个问题在原理图层面完全不影响电气逻辑和后续使用，直接忽略即可。