上一篇文章我们已经确立了一个学习项目，就是制作一个交通灯控制系统，并且对系统的功能有了描述，在器件选型上也有了选择结果，接下来，我们来了解原理图。
01
设计原理图需要使用EDA软件，国内使用比较普遍的有Protel、Altium Designer等等。
Protel虽然有着简单易学的美名，但是我强烈建议初学就用Altium Designer。举个例子：win98简单，但是win8更先进，用先进的东西可以让你做出更丰富的内容，节省更多的时间，简单背后是长期的低效，克服暂时的困难才能给你带来长期的高效。
如何快速入门？学习！方法很多，这是一个系统话题，这里先不介绍相关内容或方法。从入门到熟练使用需要一个长期的过程。
原理图设计步骤简单分为以下几步：
建立PCB工程
新建原理图SCH文件
新建PCB文件
添加或制作SCH元器件
绘制原理图
元件注释
编译文件
添加或制作PCB元件
在原理图中设置封装管理器
更新PCB文件（update pcb document）
布线
错误规则检查
输出最终文件
02
打开Altium Designer 软件，首先建立一个PCB工程：
用Altium Designer建立新PCB工程截图
然后在工程里面新建两个文件，一个是SCH文件，一个是PCB文件：
用Altium Designer建立新文件截图
保存后，就可以开始设计原理图。
03
下面我们来具体分析绘制好的原理图。
振荡器外接晶体电路
对于目前主流单片机来说，既有内部集成的时钟电路，也有外接晶体的振荡电路，可以通过设置来选择使用哪一种方式给系统提供时钟源。而且时钟还可以设置分频，总之功能和选择空间非常大。
那么我们这次采用的单片机，内部只有一个振荡电路，需要外接晶体和两个电容。
XTAL1是振荡器输入端，XTAL2是振荡器输出端，连接到内部时钟信号输出端，那么，如果有一个时钟信号，就可以不用晶振，从这个管脚输入给单片机，一样可以工作。
这个晶体的选择范围是2MHz至40MHz，我们这里用的是12MHz，这个频率值关系到单片机的运行速度。单片机的定时函数，和定时器时间设置，都要根据实际频率来计算。
51单片机外部晶体连接原理图
复位电路
同样，对于目前主流单片机来说，内部集成集成了可靠的复位电路，一般无需外接。
那么我们这次采用的单片机，需要外接电容和电阻实现开机复位功能。用按键实现随时手动复位的功能。
复位可以看作是一个低电平有效的输入信号。如图所示：在上电时，由于电容两端电压不能突变，RESET脚和VCC同时上升到5V电压，然后电阻给电容充电，电容两端电压差增大，RESET脚电压降低，低到一定值后，单片机接收到一个相对的低电平，内部做出复位操作。
手动复位则是人为通过按键短路电容，使得RESET管脚电压升高，再利用电阻充电的功能使RESET获得一个低电平。
51单片机复位电路原理图
串行通讯接口
单片机提供了一个两线串行通讯接口RXD/TXD，连接到元器件P2插针。虽然本设计没有使用串行通讯，但是要下载单片机代码，必须使用这个端口。
单片机串行接口原理图
信号灯
每个方向的信号灯都是由红、黄、绿三种颜色组成。
实际的信号灯通常采用大功率点阵提供高亮的光照信号，我们作为学习，采用单个的LED发光二极管模拟它。
每一组信号灯实际不会出现同时点亮的情况，因此可以共用一个供电限流电阻。如图，当某一个LED的负极被单片机I/O口拉低电平后，就可以被点亮。
信号灯控制原理图
实际演示效果中，绿色LED被点亮时显得很暗淡，分析原因，是由于绿色LED的正向压降大。直插封装LED的正向压降，红色一般是1.8V左右，绿 色为2V左右，那么采用同样的限流电阻，LED的工作电流就不同，为了使绿色LED亮度提高，单独给绿色LED提供供电，限流电阻阻值相应减小。
传统直插封装LED的电流通常是20mA，目前我们大多选购高亮产品，同样亮度时，相对电流小，但是对于室内实验，我们一般给它提供3至5mA的电流就可以明显点亮。这样不但节省电能，也提高了LED的使用寿命。
下图是针对绿色LED单独供电的线路图：
针对绿色LED选择不同限流电阻的原理图
思考：由于东西和南北两个方向不会出现同时绿灯通行情况，那么绿色LED的供电电阻是否也可以公用？
原理图使用的标号说明：
东East、 西West、 南South、 北North，
取英文首字母E、W、S、N代表不同方向；
红Red、黄Yellow、绿Green，
取首字母R、Y、G代表三种颜色；
标号，在原理图设计中，用标号代替连线。两个或多个节点，放置相同的标号，就等同于用导线将它们连接起来。这样做很方便更换和修改连接，而且线路简洁清晰。
由于东和西一组方向的信号灯一致，南和北方向的信号灯一也致，所以把相同的颜色LED可以并联控制。
下面是单片机端口和信号灯连接原理图：
单片机I/O口控制信号灯原理图
数码管显示
上一篇文章介绍了数码管内部结构和显示原理。
下面是数码管段码数据和单片机连接原理图：
单片机连接数码管段码原理图
从图中可以看出，决定显示内容的段码数据，连接到单片机P0端口，对于一个共阳极数码管，段码（内部LED负极）可以不需要上拉电流，只要有下拉电流就可以点亮。因此P0口作为I/O口使用也不需要上拉电阻，只串接限流电阻就可以。
下面是数码管公共端（也就是选择点亮的位）和单片机连接原理图：
单片机通过74HC245控制数码管公共极的驱动电路原理图
由于东和西一组方向的倒计时时间一致，南和北方向的也一致，所以把相同的位并联控制。当然也可以分开控制，需要多用一些端口，程序中稍作修改即可。
整个电路共有四组数码管和信号灯。
供电电路
这是一个简单的供电电路，由三部分组成：输入、开关、滤波。
电源电路原理图
J1是一个圆孔电源插座，有三个电极。
内部电源地和1端连接，插座内部连接的是一个有弹性的金属片；
插座2端连接的是一个金属触点，平常2和1通过触点联通；
内部电源VCC在开关之前连接到插座3端，插座内部是一个圆针。
当外部插头插入插座时：
外部地线通过弹片和1端连接到内部地线，由于物理变形，弹片和触点断开，1和2断开，也就是断开了端2；
外部电源正极通过圆针和端子3连接到内部电源开关输入端；
既实现了外部供电，同时也切断了端子2的连接。
P1是一个外电源接线端子。
P1的1端是外部电源输入负极（地），连接到插座的2端，当插座使用时，该脚被断开，可以自动的避免两路供电发生冲突。
S1是一个电源开关。
C4和C5是电源滤波电容。
C4是电解电容，对外部电源进行低频滤波，同时具有储能作用。
C5是独石或瓷片电容，负责滤除电源中的高频干扰。
04
PCB文件制作
线路板规划：双面板，大小10*15cm。
设置规则。
自动布线。
Altium Designer 自动布线完成后的截图
随后针对机器布线的问题手工修正和调整。
错误规则检查后，就可以输出需要的文件。
简单的步骤就可以这样完成。
05
作为学习目的，实物制作可以采用面包版或洞洞板加连线。
在洞洞板焊接的情况下，有一种错误的做法是：个别人喜欢用元器件的长针脚当作连线焊接，而一旦某个元件需要更换或者调整，拆除是非常困难的。因此，不要用元器件的管脚充当连线，这样不仅利于制作，也利于美观和焊接方便。
Altium Designer 设计完成的3D效果图
