【正文】 雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛(ài)好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。 Altium designer 是常用的電子設(shè)計(jì)軟件之一，它可用于原理圖和 PCB 的制作，是一款功能強(qiáng)大的電子軟件。 Altium Designer 引入了強(qiáng) 大的 ‘ 逃逸布線(xiàn) ’ 引擎，嘗試將每個(gè)定義的焊盤(pán)通過(guò)布線(xiàn)剛好引到 BGA 邊界，這令對(duì)密集 BGA 類(lèi)型封裝的布線(xiàn)變的非常簡(jiǎn)單。 Altium Designer 可充分利用當(dāng)今 FPGA 器件上的擴(kuò)展 I/O 管腳。然而， Altium 的理念是讓電子設(shè)計(jì)變得更容易， Altium Designer 讓每一位工程師都能使用最新的設(shè)計(jì)功能。 基于 51單片機(jī)智能路燈控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 30 在本系統(tǒng)的電路原理圖設(shè)計(jì)中使用 Altium 進(jìn)行設(shè)計(jì)， Altium Limited 宣布發(fā)布 Altium Designer ，它是完全一體化電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的下一個(gè)版本。 2020 年 Altium Designer Summer 將 ECAD 和 MCAD 兩種文件格式結(jié)合在一起， Altium 在其最新 版的一體化設(shè)計(jì)解決方案中為電子工程師帶來(lái)了全面驗(yàn)證機(jī)械設(shè)計(jì) (如外殼與電子組件 )與電氣特性關(guān)系的能力。 2020 年 Protel99se 性能進(jìn)一步提高，可以對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程有更大控制力。 產(chǎn)品歷史： 1985 年 誕生 dos 版 Protel。 （ 5） 分別討論了，電路原理圖、 PCB 圖和實(shí)物圖、并在最后給出了它們的示意基于 51單片機(jī)智能路燈控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 28 圖。 （ 1） 系統(tǒng)介紹了光敏電阻的發(fā)光原理、構(gòu)成材料、組成結(jié)構(gòu)，并給出了光敏電阻的結(jié)構(gòu)示意圖。通過(guò)前面的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)課題的硬件電路部可分為以 下四個(gè)組成部分 ：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制電路部分、路燈控制電路部分、光電檢測(cè)與執(zhí)行電路部分和兩位一體的數(shù)碼顯示電路電路部分。防止虛焊、漏焊、焊錯(cuò)等現(xiàn)象的發(fā)生。通過(guò)它，可以將 BCD碼變?yōu)槭M(jìn)制數(shù)字，并在數(shù)碼管上顯示出來(lái)，在數(shù)字儀表、數(shù)控設(shè)備、和微型計(jì)算機(jī)中不可缺少的人機(jī)聯(lián)系手段。應(yīng)用于城市主干道 (Main road) 城市次干道 (Street) 工業(yè)園區(qū)道路、城鄉(xiāng)道路等領(lǐng)域。 在整個(gè)系統(tǒng)中，單片機(jī)控制電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)對(duì)光電檢測(cè)電路采集 到光 信號(hào)進(jìn)行處理和加工，并按照之前設(shè)定好的指令進(jìn)行執(zhí)行、運(yùn)算，并將結(jié)果傳送給相應(yīng)的執(zhí)行電路。 LM324 引腳圖如圖 所示： LM324引腳圖 基于 51單片機(jī)智能路燈控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 20 光電檢測(cè)與執(zhí)行電路 在設(shè)計(jì)中使用光敏電阻作為光傳感器件對(duì)外界光線(xiàn)進(jìn)行檢測(cè)，主要是利用了光敏電阻 在光線(xiàn)的作用下其阻值往往變小 的 這種光導(dǎo)效應(yīng)現(xiàn)象 ，也有基于光敏二極管、光敏三極管等光電檢測(cè) 元件的相關(guān)電路，如下圖所示： 圖 基于光敏二極管設(shè)計(jì)的相關(guān)檢測(cè)電路 此外，如圖 圖所示是光電檢測(cè)電路將檢測(cè)到的信號(hào)以高低電平的形式傳送給單片機(jī)，從而完成整個(gè)光電檢測(cè)的過(guò)程。其特點(diǎn)可歸納如下：（ 1）短跑保護(hù)輸出 （ 2） 真差動(dòng)輸入級(jí) (3)可單電源工作： 3V32V(4)低偏置電流：最大100nA（ LM324A） (5)每封裝含 四個(gè)運(yùn)算放大器。 第二章 硬件電路部分分析 19 圖 光敏電阻器結(jié)構(gòu) 在光敏 電阻兩端的金屬電極之間加上電壓，其中便有電流通過(guò)，受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線(xiàn)照射時(shí)，電流就會(huì)隨光強(qiáng)的增加而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻的原理結(jié)構(gòu)如圖所示。 光敏電阻是采用半導(dǎo)體材料制作，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。當(dāng)光敏電阻兩端加上電壓后，流過(guò)光敏電阻的電流隨光照增大而增大。構(gòu)成光敏電阻的材料有金屬的硫化物、硒化物、碲化物等半導(dǎo)體。 基于 51單片機(jī)智能路燈控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 18 光敏電阻介紹 光敏電阻是一種特殊的電阻，其阻值隨著光線(xiàn)強(qiáng)度的變化而變化。 (2) 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片內(nèi) RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器最大尋址空間為 256 字節(jié)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間也分為片內(nèi)和片外兩大部分，即片內(nèi) RAM 和片外 RAM。 0003H0023H 單元被均勻的分為 5段。當(dāng)指令地址超過(guò) 0FFFH 后，就自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外 ROM 中取指令。片外最多可擴(kuò)至 64K 字節(jié)。程序存儲(chǔ)器通過(guò) 16 位程序計(jì)數(shù)器 PC 尋址。 8051 單片機(jī)具有四個(gè)存儲(chǔ)器空間： （ 1） 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，即單片機(jī)芯片內(nèi)置的存儲(chǔ)空間 （ 2） 片外程序存儲(chǔ)器，即當(dāng)單片機(jī)芯片內(nèi)置的存儲(chǔ)空間不夠使用時(shí)，我們需要外加的一個(gè)存儲(chǔ)器芯片 （ 3） 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，即單片機(jī)芯片內(nèi)置的存儲(chǔ)空間 （ 4） 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，即當(dāng)單片機(jī)芯片內(nèi)置的存儲(chǔ)空間不夠使用時(shí)，我們需要外加的一個(gè)存儲(chǔ)器芯片 但從用戶(hù)使用的角度， 8051 存儲(chǔ)器地址空間分為三類(lèi)： 0000HFFFFH 的 64K 字節(jié)的程序存儲(chǔ)器地址空間，用16 位地址。顯然，對(duì)內(nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器的 8031,EA 端必須接地。Pin29: 當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此腳輸出負(fù)脈沖選通信號(hào)， PC 的 16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在 P0 和 P2 口上，外部程序存儲(chǔ)器則把指令數(shù)據(jù)放到 P0口上，由 CPU 讀入并執(zhí)行。而訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 端將有一個(gè) 1/6 時(shí)鐘頻率的正脈沖信號(hào)，基于 51單片機(jī)智能路燈控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 16 這個(gè)信號(hào)可以用于識(shí)別單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個(gè)時(shí)鐘向外輸出。 8051 的復(fù)位方式可以是 自動(dòng)復(fù)位，也可以是手動(dòng)復(fù)位，見(jiàn)下圖 ?，F(xiàn)在我們對(duì)這些引腳的功能加以說(shuō)明： 第二章 硬件電路部分分析 15 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115U18 0 5 1 圖 8051單片機(jī)引腳圖 Pin9: RESET/Vpd復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳，當(dāng) 8051 通電，時(shí)鐘電路開(kāi)始工作，在 RESET引腳上出現(xiàn) 24 個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)有兩種類(lèi)型，一種是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)的形式，即哈佛 (Harvard)結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用計(jì)算機(jī)廣泛使用的程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓 (Princeton)結(jié)構(gòu)。 程序存儲(chǔ)器 (ROM) 8051 共有 4096 個(gè) 8位掩膜 ROM，用于存放用戶(hù)程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 中央處理器 中央處理器 (CPU)是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，是 8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理 8 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼， CPU負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功 能等操作。在程序開(kāi)始執(zhí)行之前，必須將其起始地址，即程序的第一條指令所在的內(nèi)存中的單元地址送人 PC，當(dāng)執(zhí)行指令時(shí)， CPU 將自動(dòng)修改 PC 中的內(nèi)容，使之總是保存將要執(zhí)行的下一條指令的地址。操作碼一經(jīng)譯碼后，即可向操作控制器發(fā)出具體操作的特定信號(hào)。 相對(duì)控制器而言，運(yùn)算器接收控制器的命令而進(jìn)行操作，即，運(yùn)算器所進(jìn)行的所有操作都是由控制器發(fā)出的控制信號(hào)來(lái)指揮的。 2． 操作控制器的主要功能： （ 1） 從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置。 二、控制器： 它由程序計(jì)數(shù)器 PC、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序產(chǎn)生器、操作控制器組成。 ALU 可以對(duì)這兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結(jié)果存入累加器。 算數(shù)邏輯單元 ALU 的作用：把傳送到處理器的數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)或邏輯運(yùn)算， 他具有兩個(gè)輸入來(lái)源，一來(lái)自累加器，二來(lái)自數(shù)據(jù)寄存器。 (8) 一個(gè)全雙工 UART 的串行 I/O 口，可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與單片機(jī)或 其他微機(jī)系統(tǒng)串行通訊。 (4) 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ ROM）：用以存放原始程序、數(shù)據(jù)何表格。 P2 口有兩個(gè)功能：擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線(xiàn)使用 ； 做一般 I/O 口使用，其內(nèi)部有上拉電阻 。 P2口： 8位雙向 I/O 端口（ 2128 引腳） ， 。平時(shí)不訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 也以六分之一的振蕩頻率固定輸出正脈沖。 PSEN（ 29腳）：程序存儲(chǔ)器允許輸入端（也叫：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)端）：在讀外部 ROM時(shí) PSEN 低電平有效，以實(shí)現(xiàn)外部 ROM單元的讀操作 （ 4） 內(nèi)部 ROM 讀取時(shí)， PSEN 不動(dòng)作； （ 5） 外部 ROM 讀取時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期會(huì)動(dòng)作兩次； （ 6） 外部 RAM 讀取時(shí)，兩個(gè) PSEN 脈沖被跳過(guò)不會(huì)輸出； （ 7） 外接 ROM 時(shí)，與 ROM 的 OE 腳相接。 （ 2） 當(dāng) EA 腳接低電平時(shí)， CPU 只訪(fǎng)問(wèn)外部 EPROM，并執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器中的指令。以保證信息不丟失，電源恢復(fù)后，能夠正常工作 。 復(fù)位引腳（ RESET） （ 9 腳 ） ：它是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效，當(dāng)此腳保持兩個(gè)機(jī)器周期，即 24 個(gè)時(shí)鐘振蕩周期為高電平時(shí)，即可完成復(fù)位操作。若采用外部時(shí)鐘電路，該引腳輸入外部脈 沖。 振蒎電路（ 1 19）：?jiǎn)纹瑱C(jī)是一種時(shí)序電路，必須提供脈沖信號(hào)才能正常工作，在單片機(jī)內(nèi)部已集成了振蕩器，使用晶體振蕩器，接 1 19 腳。與 MCS48 系列單片機(jī)相比，其以典型的體系結(jié)構(gòu)和完善的專(zhuān)用寄存器集中管理方式，方便的邏輯位操作功能及豐富的指令系統(tǒng)，堪稱(chēng)一代“名機(jī)”，為之后的其他單片機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 第 四章主要介紹了與本課題相關(guān)的幾種設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)比分析論證了本 案最佳，然后對(duì)硬 件電路和軟件電路都進(jìn)行了認(rèn)真的調(diào)試，小結(jié)了本章內(nèi)容。 本文內(nèi)容安排 本文共分為六章，內(nèi)容分別為第一章緒論、第二章 硬件電路分析 、第三章 相關(guān)軟件及程序設(shè)計(jì)分析、 第四章 系統(tǒng)方案論證及總體電路調(diào)試與功能實(shí)現(xiàn)、 第五章 總結(jié)與展望、 第六章 結(jié)束語(yǔ)。 （ 6）低電壓和低功耗：?jiǎn)纹瑱C(jī)制造時(shí)普遍采用 CMOS 工藝。 （ 2）存儲(chǔ)器的發(fā)展：增大了片內(nèi)存儲(chǔ)器容量；片內(nèi)采用 EEPROM 和 Flash 可在線(xiàn)編程，讀 /寫(xiě)更方便；采用了編程加密技術(shù)。隨著單片機(jī)應(yīng)用的推廣，微控制技術(shù)將不斷發(fā)展完善 。 單片機(jī)應(yīng)用的 意義不僅在于它的廣闊范圍及所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的意義在于，單片機(jī)的應(yīng)用從根本上改變了控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。如數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)、故障診斷、聯(lián)網(wǎng)集控等。 （ 4） 工業(yè)自動(dòng)化控制：工業(yè)自動(dòng)化控制是最早采用單片機(jī)控制的領(lǐng)域之一。如洗衣機(jī) 、空調(diào)、電視機(jī)、錄像機(jī)、微波爐、電冰箱、電飯煲以及各種視聽(tīng)設(shè)備等。 它的輸入輸出，如前面所說(shuō)，也是多種多樣的。幾乎您上網(wǎng)用的計(jì)算機(jī)能做的事情，它都同樣能做。同時(shí)它 也 是計(jì)算機(jī) — 單片微型計(jì)算機(jī)。隨著微電子技術(shù)和集成電子技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)正朝著高集成度、低功耗、低電壓、多功能方向發(fā)展。單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故 又稱(chēng)為微控制器。 （ 6）單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)所使用的存儲(chǔ)芯片可選用 EPROM、 EEPROM、 OTP 芯片或利用掩膜形式生產(chǎn)，便于批量生產(chǎn)和應(yīng)用。 （ 2）單片機(jī)具有獨(dú)立的指令系統(tǒng)，可以將我們的設(shè)計(jì)思想充分表達(dá)出來(lái)，使產(chǎn)品智能化。 隨 著嵌入式系統(tǒng)的快速發(fā)展和在各行各業(yè)的深入應(yīng)用，人們的電子設(shè)備的小 型化、智能化的要求也越來(lái)越高。要利用單片機(jī)開(kāi)發(fā)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)，就必須掌握其硬件結(jié)構(gòu)特征、指令系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)環(huán)境。在特定的程序控制下，就能使該芯片實(shí)現(xiàn)特定的功能。這些電 路能在軟件控制之下，準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)。 最小系統(tǒng)是 51 單片機(jī)的最基本的組成部分， 51 單片機(jī)的引腳雖然只有四十，但它有很多的擴(kuò)展功能，根據(jù)相應(yīng)的課題設(shè)計(jì)要求可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的外圍電路。 (6)+5V 直流電壓源一個(gè) 。 （ 2）