基于51單片機的交通燈設計

秦風元

（重慶三峽職業學院，重慶 404155）

今天，紅綠燈安裝在各個道口上，已經成為疏導交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術在19世紀就已出現了。 進入新世紀以來，世界經濟發展迅猛，從而帶動了以出行、物流為主的交通行業的蓬勃發展，而對交通燈的控制是一種對大眾進行管理的公共系統手段。安全并且高效的公共交通秩序，必須以一系列強制的交通規則作為基礎保障，同時利用新興的高科技方式進行有效實施。在交通管理中引入單片機控制交通燈代替交管人員在交叉路口服務，有助于提高交通運輸的安全性、提高交通管理的服務質量。并在一定程度上盡可能降低由道路擁擠造成的經濟損失，同時也減小了工作人員的勞動強度。

中國車輛數量不斷增加，交通控制在未來的交通管理中起著越來越重要的作用。智能交通燈的管理比重修一條馬路無論在經濟、交通運行速率上都有很好的效益、更加節約資源。交管人員有更多的精力投入到整個城市交通管理中，帶來更大的經濟和社會效益，為創造美好的城市交通形象發揮更多的作用。本設計應用8051單片機為核心，利用數碼管及LED燈組成顯示電路，以鍵盤電路組成系統設置和特殊情況控制電路。

1 設計任務

東西、南北兩干道交于一個十字路口，各干道有一組紅、黃、綠三個指示燈，指揮車輛和行人安全通行。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行。設置紅燈25s、黃燈5s、綠燈20s、采用兩位數碼管來顯示時間，時間以倒計時方式來顯示；通過鍵盤來調整東西、南北路口各信號燈的時間和緊急情況的設置。

1.1 系統硬件設計

本設計采用8051單片機作為控制器，通行時間或者等待時間通過數碼管以倒計時方式顯示，同時單片機控制交通信號燈（紅燈、黃燈、綠燈）的正常替換工作。系統設計框圖如圖1所示。其中，單片機是整個系統的核心部件，是控制中心，能運行程序和處理數據，交通燈主要完成交通信號紅、黃、綠燈的顯示，數碼管完成時間的顯示。只有各個部件協調工作，才能實現整個系統的功能。通過對系統功能的分析，確定硬件組成，并在PROTUES中繪制系統原理圖。

圖1 系統硬件組成方框圖

（1）單片機。單個芯片微型計算機（Single Chip Microcomputer）簡稱單片機，是把組成微型計算機的各功能部件：中央處理器CUP、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O接口電路、定時器/計數器以及串行接口等部件制作在一塊集成芯片中，構成一個完整的微型計算機。單片機的產生與發展和微處理器的產生與發展大體上同步。現在，雖然單片機的品種繁多、各具特色，但以80C51為核心的單片機仍占主流，兼容其結構和指令系統的有Philips公司的產品，ATMEL公司的產品和中國臺灣的Winbond系列單片機。

本設計采用美國ATMEL公司生產的AT89C51單片機作為主控模塊，實現信息處理和對整個系統的控制功能。

（2）最小系統電路。系統中，復位電路、時鐘電路、電源電路和單片機組成單片機最小系統，是保證單片機正常運行程序的最小硬件電路。只要正確完整設計單片機最小系統，單片機就能運行程序，從而控制硬件電路，實現交通燈的功能。其中復位電路采用按鍵復位，電路如圖2所示。

（3）數碼管顯示電路。數碼管顯示分為靜態顯示和動態顯示，本系統采用數碼管動態顯示方式。采用兩個兩位的共陽數碼管，分別顯示東西和南北路口的信號燈持續時間，時間采用倒計時顯示，利用單片機的定時/計數器來實現1秒精確定時。數碼管段碼接單片機P0口，位碼接P2口。電路如圖2所示。

（4）信號燈電路。本設計應用單片機的P2口來控制12個發光二極管來模擬十字路口信號燈的工作情況，其中，P1.0，P1.1，P1.2分別控制東西路口的紅燈、黃燈和綠燈，用P1.3，P1.4，P1.5分別來控制南北路口的綠燈、黃燈和紅燈。二極管才用共陽連接方式，所以對應端口輸出高電平信號燈點亮，輸出低電平信號燈熄滅。

（5）鍵盤控制電路。單片機鍵盤電路分獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤，本設計應用獨立式鍵盤。在單片機的P3口接幾個按鍵開關，主要實現對東西和南北信號燈持續時間的調整。當需要根據實時交通堵塞情況實行人為控制時或遇到緊急情況時，鍵盤電路起到控制的作用，并能使各路交通恢復到初始狀態。

根據上述對系統各部分電路的分析和設計，最后在protues中繪制完成整個系統的電路圖，如圖2所示。

圖2 系統硬件電路原理圖

1.2 系統軟件設計

本系統軟件采用C語言編寫程序，C語言是一種編譯型程序設計語言，兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。C語言有功能豐富的庫函數、運行速度快、編譯效率高、有很好的可移植性，而且可以實現對系統硬件的直接控制。此外，C語言程序具有完善的模塊程序結構，從而為軟件設計中采用結構化程序設計方法提供了很好的保障。因此，使用C語言進行程序設計已成為軟件開發的一個主流。

軟件實現對整個硬件電路的控制，按要求完成本系統的全部功能。本系統軟件主要包括主函數、延時函數、數碼管顯示函數、按鍵識別函數和定時器中斷函數等。采用結構化程序設計，每個函數完成特定功能。整個程序的運行總是從主函數開始，最后從主函數結束，所以主函數是整個程序的入口，也是整個程序的出口。其中，主函數主要完成了交通燈的初始化工作，使得東西和南北干道交通能正常轉換工作。在主函數中分別調用了兩個子函數，一個是數碼管動動態顯示函數，用來控制十字路口信號燈持續時間，另一個是鍵盤掃描函數，用來實現鍵盤的識別和按鍵開關功能。系統1秒時間由單片機定時/計數器實現，一次定時50ms，連續定時20次就是1秒時間，定時/計數器采用中斷方式，定時方便而且精確。

根據系統功能分析，確定軟件設計算法，并畫出程序流程圖，然后在KEIL軟件中進行程序的編寫。

1.3 系統仿真并調試功能

打開繪制完成的電路圖，將運行并編譯成功的程序文件加載到單片機，在PROTUES中仿真運行系統，實現相應的功能。

圖3 主函數流程圖

2 結語

由此可見一個完整的單片機應用系統由硬件系統和軟件系統組成，只有軟件和硬件協調工作，才能完成系統功能。本次設計采用8051單片機為核心，結合特殊情況下的控制電路、時鐘電路、鍵盤、LED顯示，進而設計出一種高效快速，綠色節能的新型交通燈控制系統。

［1］劉小平.單片機應用技術［M］.重慶：重慶大學出版社，2016.

［2］黃美興.電子技術［M］.南京：南京大學出版社，2015.

［3］張毅坤.單片微型計算機原理及應用［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1998.

［4］譚浩強.單片機課程設計［M］.北京：清華大學出版社，1998.