摘要
STM8S103F3作为意法半导体推出的入门级8位微控制器，凭借高性价比、低功耗特性及丰富的外设资源，广泛应用于智能家居、工业控制、消费电子等领域。最小系统是嵌入式开发的核心基石，是保障单片机独立运行的极简硬件架构。本文以Altium Designer 20为设计工具，围绕STM8S103F3最小系统展开全流程讲解，涵盖原理图绘制的核心原理、元件选型逻辑，以及PCB设计中的网络类创建、布线规则设置、铺铜技巧等关键环节。文章兼顾理论深度与实操细节，旨在帮助电子工程师、高校学生快速掌握STM8S103F3最小系统的设计方法，为后续项目开发奠定坚实基础。
一、STM8S103F3最小系统核心原理与元件选型
1.1 最小系统核心组成
STM8S103F3单片机的最小系统由电源模块、复位模块、时钟模块、程序下载接口及单片机核心构成，四大模块各司其职，共同保障芯片稳定运行：
• 电源模块：为单片机及外设提供稳定的工作电压；
• 复位模块：实现芯片上电复位与手动复位，确保程序从初始地址执行；
• 时钟模块：提供系统时钟信号，决定单片机指令执行速度；
• 下载接口：用于程序烧录与在线调试，是开发过程中的关键通道。
1.2 核心元件选型
（1）单片机核心：STM8S103F3P6
STM8S103F3P6是一款基于STM8内核的8位微控制器，采用TSSOP20封装，具备16KB Flash、1KB RAM、1KB EEPROM，外设包含2个16位定时器、1个UART接口、1个SPI接口、18个通用I/O口，工作电压范围为2.95V-5.5V，支持低速、中速、高速三种时钟模式，满足低功耗与高性能的双重需求。
（2）电源模块元件选型
STM8S103F3支持宽电压输入，但为保证稳定性，推荐采用3.3V作为核心工作电压。电源模块可选择两种供电方案：
• USB转3.3V供电：选用CH340C芯片实现USB转串口，同时通过其内置的3.3V稳压电路输出电源，适合实验室调试场景；
• 外置电源供电：采用AMS1117-3.3稳压芯片，输入电压范围5V-12V，输出稳定3.3V，最大输出电流1A，适合外接电源的工业场景。
• 滤波元件：输入端并联1000μF电解电容（滤除低频干扰）和0.1μF瓷片电容（滤除高频噪声）；输出端并联470μF电解电容和0.1μF瓷片电容，形成高低频滤波网络，保障电源纯净度。
（3）复位模块元件选型
STM8S103F3的复位引脚为NRST（低电平有效），复位电路采用上电复位+手动复位的组合方案：
• 上电复位：由10kΩ上拉电阻和10μF电解电容组成，上电瞬间电容充电，NRST引脚拉低，实现上电复位；
• 手动复位：并联一个常开轻触开关，按下开关时NRST引脚接地，强制触发复位。
（4）时钟模块元件选型
STM8S103F3支持内部时钟（HSI） 和外部时钟（HSE） 两种模式，本文采用外部时钟方案以提升时序精度：
• 晶振：选用8MHz无源晶振，兼顾时钟精度与功耗，是STM8系列单片机的常用选型；
• 负载电容：晶振两端各串联一个22pF瓷片电容，电容另一端接地，用于稳定晶振频率，避免频率漂移。
（5）下载接口元件选型
STM8S103F3支持SWIM（Single Wire Interface Module） 单总线调试下载，仅需SWIM引脚和GND引脚即可实现程序烧录，无需额外串口资源。接口选用2Pin排针，串联1kΩ限流电阻，防止电流过大损坏芯片引脚。
二、STM8S103F3最小系统原理图绘制（基于Altium Designer 20）
2.1 前期准备：项目创建与元件库加载
1. 新建PCB项目：打开Altium Designer 20，点击菜单栏【文件】→【新的】→【项目】→【PCB项目】，命名为“STM8S103F3最小系统.PrjPcb”，选择合适的保存路径。
2. 新建原理图文件：右键点击项目名称，选择【添加新的】→【Schematic】，生成默认原理图文件，重命名为“STM8S103F3最小系统原理图.SchDoc”并保存。
3. 元件库加载：点击右侧【Libraries】面板，选择【File-based Libraries Preferences】，添加所需元件库：
◦ 自带库：Miscellaneous Devices.IntLib（电阻、电容、开关、排针等）、STMicroelectronics STM8S Series.IntLib（STM8S103F3单片机）；
◦ 第三方库：若自带库缺少CH340C、AMS1117-3.3等元件，需下载对应的原理图库并加载。
2.2 元件放置与模块绘制
（1）核心元件放置
点击【放置】→【元件】，在搜索栏输入元件名称，依次调出STM8S103F3P6、AMS1117-3.3、8MHz晶振、10kΩ电阻、10μF电容、2Pin排针等元件，按模块分类摆放：将STM8S103F3P6放置在原理图中央，电源模块、复位模块、时钟模块、下载接口分别置于芯片四周，避免线路交叉。
（2）电源模块绘制
• 供电输入：绘制DC插座或USB接口，作为电源输入端口；
• 稳压电路：将AMS1117-3.3的输入端（Vin）连接至输入电源，接地端（GND）连接至系统地，输出端（Vout）连接至3.3V网络；
• 滤波电路：在AMS1117-3.3输入端并联1000μF电解电容C1和0.1μF瓷片电容C2，输出端并联470μF电解电容C3和0.1μF瓷片电容C4；
• 电源指示：串联1kΩ限流电阻R1和LED发光二极管D1，一端接3.3V网络，一端接地，上电后LED点亮，指示电源状态。
（3）复位模块绘制
• 上电复位：将10kΩ上拉电阻R2一端接3.3V网络，另一端接NRST引脚；10μF电解电容C5一端接NRST引脚，另一端接地；
• 手动复位：将轻触开关S1并联在电容C5两端，常态下开关断开，按下时NRST引脚接地，触发复位。
（4）时钟模块绘制
将8MHz晶振Y1的两个引脚分别连接至STM8S103F3的CLK_IN和CLK_OUT引脚，晶振两端各串联一个22pF瓷片电容C6、C7，电容另一端接地，形成外部振荡电路。
（5）下载接口绘制
绘制2Pin排针J1，Pin1连接至STM8S103F3的SWIM引脚，串联1kΩ限流电阻R3；Pin2连接至系统地，用于程序烧录。
（6）I/O端口预留
STM8S103F3的18个通用I/O口（PA0-PA7、PB0-PB7、PC0-PC3）通过排针引出，便于后续连接传感器、执行器等外设。需注意，部分I/O口与时钟、复位引脚复用，绘制时需标注清楚引脚功能。
2.3 电气连接与网络标签设置
1. 模块连线：点击【放置】→【线】，将各模块按电气原理连接：电源模块的3.3V网络连接至单片机的VDD引脚，GND网络连接至VSS引脚；复位模块的NRST引脚连接至单片机复位端；时钟模块的CLK_IN、CLK_OUT连接至对应引脚；下载接口的SWIM引脚连接至单片机调试端。
2. 网络标签优化：对于交叉较多的线路，使用【放置】→【网络标签】标注，如“3.3V”“GND”“SWIM”等，相同标签的引脚视为导通，简化布线。例如，所有电源引脚标注“3.3V”，所有接地引脚标注“GND”。
3. 电气规则检查：点击【工具】→【Electrical Rules Check】，勾选短路、未连接引脚、引脚悬空等检查项，执行检查。根据检查报告修改错误，确保电路逻辑无误。
2.4 原理图优化与保存
1. 元件编号与参数标注：点击【工具】→【标注】→【标注原理图】，为所有元件分配唯一编号（如R1、C1、U1等）；双击元件注释，填写具体参数（如R1=1kΩ、C1=1000μF、Y1=8MHz）。
2. 添加模块说明：使用【放置】→【文本字符串】，在各模块区域添加注释（如“3.3V稳压模块”“SWIM下载接口”），提升原理图可读性。
3. 绘制边框与标题栏：点击【放置】→【Sheet Border】绘制边框，添加【Title Block】填写项目名称、设计者、日期等信息，保存原理图文件。
三、STM8S103F3最小系统PCB设计（基于Altium Designer 20）
3.1 前期准备：原理图更新与PCB文件创建
1. 生成网络表：在原理图界面点击【设计】→【工程的网络表】→【Altium Designer】，生成网络表文件。
2. 新建PCB文件：右键点击项目名称，选择【添加新的】→【PCB】，生成默认PCB文件，重命名为“STM8S103F3最小系统PCB.PcbDoc”并保存。
3. 导入网络表：在PCB界面点击【设计】→【Import Changes From STM8S103F3最小系统.PrjPcb】，在弹出的对话框中点击【执行变化】，将原理图中的元件与网络导入PCB文件。
3.2 网络类创建（PWR电源网络类）
1. 点击【设计】→【类】→【网络类】，打开网络类编辑对话框；
2. 点击【添加】，创建新的网络类，命名为PWR；
3. 在右侧网络列表中，选中5V、3V3、VCAP、GND网络，点击【添加到类】，将其加入PWR网络类，点击【确定】保存设置。
3.3 布线规则设置
布线规则是PCB设计的核心，直接影响电路板的稳定性与抗干扰能力。根据需求，设置以下规则：
（1）最小间距规则
1. 点击【设计】→【规则】，打开PCB规则编辑器；
2. 展开【Electrical】→【Clearance】，右键点击【Clearance】选择【新规则】；
3. All对象最小间距：设置规则名称为“All_Clearance”，适用范围为“All”，最小间距值设为6mil；
4. Copper与Via最小间距：新建规则“Copper_Via_Clearance”，适用范围为“Object Kind Is Copper And Object Kind Is Via”，最小间距设为6mil；
5. Copper与其余对象最小间距：新建规则“Copper_Others_Clearance”，适用范围为“Object Kind Is Copper And Not Object Kind Is Via”，最小间距设为10mil。
（2）线宽规则
1. 展开【Routing】→【Width】，右键点击【Width】选择【新规则】；
2. All网络线宽：设置规则名称为“All_Width”，适用范围为“All”，最小线宽10mil，优先线宽10mil，最大线宽10mil；
3. PWR网络类线宽：新建规则“PWR_Width”，适用范围选择“Net Class”→“PWR”，最小线宽10mil，优先线宽15mil，最大线宽20mil；
4. 调整规则优先级：将PWR_Width规则优先级设为高于All_Width，确保电源网络优先应用宽线宽规则。
（3）布线层规则
展开【Routing】→【Routing Layers】，勾选Top Layer（顶层） 和Bottom Layer（底层），设置为双层布线；其余层保持默认关闭状态。
（4）过孔参数规则
展开【Routing】→【Vias】，新建规则“Via_Size”，适用范围为“All”，设置孔径大小12mil，孔直径24mil，点击【确定】保存所有规则。
3.4 元器件布局
元器件布局遵循“紧凑合理、功能分区、缩短连线”的原则：
1. 核心元件居中：将STM8S103F3P6放置在PCB板中央，采用TSSOP20封装，引脚间距0.65mm，便于焊接；
2. 电源模块靠边：将AMS1117-3.3、DC插座、滤波电容等电源元件放置在PCB板边缘，远离核心芯片，减少电源干扰；
3. 高频元件就近放置：将8MHz晶振及负载电容靠近单片机的CLK_IN、CLK_OUT引脚，缩短线路长度，降低电磁干扰；
4. 接口元件朝外：将SWIM下载接口、I/O排针放置在PCB板边缘，便于外接设备连接。
3.5 布线操作
1. 手动布线：点击【布线】→【交互式布线】，优先布PWR网络类的电源线（3.3V、5V、GND），采用15mil宽线宽；再布时钟线、复位线、SWIM线，采用10mil线宽；最后布I/O口线。布线时避免锐角和直角，转角采用45°角，减少信号反射。
2. 过孔使用：当顶层线路与底层线路交叉时，放置过孔切换布线层，过孔参数严格遵循12mil孔径、24mil直径的设置。
3. 布线检查：点击【工具】→【设计规则检查】，执行布线规则检查，修正线宽、间距等不符合规则的问题。
3.6 铺铜操作
铺铜可增强电路板的抗干扰能力，降低接地电阻，提升电路稳定性。根据需求，设置以下铺铜规则：
（1）顶层局部铺铜
1. 点击【放置】→【铺铜】，打开铺铜属性对话框；
2. 设置铺铜网络：依次选择5V、3V3、VCAP、GND网络；
3. 设置铺铜范围：使用【放置】→【禁止布线区】，为每个电源网络划定铺铜区域，仅在对应区域内铺铜；
4. 铺铜属性：勾选“移除死铜”，选择“实心铺铜”，最小环宽设为10mil，点击【确定】完成顶层局部铺铜。
（2）底层全板铺铜
1. 点击【放置】→【铺铜】，设置铺铜网络为GND；
2. 铺铜范围：选择覆盖整个PCB板（在禁止布线区内）；
3. 铺铜属性：勾选“移除死铜”“连接到网络”，连接方式选择“热焊盘”，点击【确定】完成底层全板铺铜。
（3）顶层GND铺铜过孔缝合
1. 点击【放置】→【过孔】，设置过孔参数为12mil孔径、24mil直径；
2. 在顶层GND铺铜区域均匀放置过孔，过孔另一端连接至底层GND铺铜；
3. 过孔间距建议设为200mil-300mil，确保顶层与底层GND网络良好导通，增强接地效果。
3.7 PCB后期优化与导出
1. 丝印层标注：在丝印层添加元件编号、参数及模块说明，便于焊接与维护；
2. 泪滴添加：点击【工具】→【泪滴焊盘】，为所有焊盘和过孔添加泪滴，增强连接强度，防止焊接时焊盘脱落；
3. 文件导出：点击【文件】→【另存为】，导出Gerber文件用于电路板打样；或导出PDF文件用于文档存档。
四、常见问题排查与设计优化建议
4.1 常见问题排查
（1）单片机上电不工作
• 电源问题：用万用表测量3.3V输出是否稳定，若电压偏低，检查滤波电容是否虚焊、AMS1117-3.3是否接反；
• 复位问题：测量NRST引脚电平，上电后应出现“低电平→高电平”跳变，若无跳变，检查复位电阻、电容取值是否正确；
• 时钟问题：用示波器测量CLK_OUT引脚是否有8MHz时钟信号，若无信号，检查晶振是否虚焊、负载电容是否匹配。
（2）程序无法下载
• 接线问题：确认SWIM下载接口的接线是否正确，SWIM引脚是否串联限流电阻，GND是否共地；
• 驱动问题：安装STM8烧录工具（如STVP）对应的驱动程序，确保电脑识别下载器；
• 芯片锁定：若芯片被锁定，需通过SWIM接口执行解锁操作，再重新烧录程序。
4.2 设计优化建议
1. 抗干扰优化：在单片机VDD与VSS引脚之间并联0.1μF去耦电容，靠近引脚放置，减少电源噪声干扰；时钟线路采用地线包围，降低电磁辐射；
2. 散热优化：AMS1117-3.3稳压芯片工作时会发热，可在芯片下方铺铜增大散热面积，或添加小型散热片；
3. 扩展性优化：预留I2C、SPI、UART等外设接口排针，便于后续连接LCD显示屏、温湿度传感器等模块；
4. 焊接优化：选用0805封装的电阻电容，减小PCB板面积；单片机采用TSSOP20封装，若焊接难度大，可选用转接板转换为DIP封装。
五、总结
STM8S103F3最小系统的设计是嵌入式开发的入门必修课，原理图绘制的核心是理解各模块的电气原理，PCB设计的关键是遵循布线规则与铺铜技巧。本文以Altium Designer 20为工具，从原理分析、元件选型到原理图绘制、PCB设计，构建了一套完整的设计流程。通过本文的学习，读者不仅能掌握STM8S103F3最小系统的设计方法，更能理解嵌入式硬件设计的核心逻辑。
在实际开发中，建议先通过Proteus仿真验证电路逻辑，再进行PCB打样与焊接调试，提高项目成功率。随着技术的深入，可在此基础上扩展电机驱动、传感器采集等功能，实现更复杂的嵌入式应用。
我借鉴这位博客的博文有很大收获
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