基于proteus 和keil 軟件聯合仿真的紅綠燈系統

倪聞博

（陜西省西咸新區秦漢中學，陜西西安，712000）

紅綠燈在我們的日常生活中扮演著十分重要的角色，在大霧等低能見度天氣條件下，行人和駕駛人員的視線會受到更大的影響，嚴重時甚至會導致交通事故的發生?，F在使用范圍較廣的是單一的指示燈進行視覺提醒，本設計在以往常規的紅綠燈基礎上加入預警裝置，可以進一步保證惡劣天氣下的交通安全，降低安全隱患。

1 系統硬件設計

本設計通過AT89C51 單片機驅動和控制系統中紅黃綠燈的交錯顯示，設計的總體框架如圖1 所示。該系統主要由單片機、復位電路、時鐘電路、LED 燈和蜂鳴器等幾部分構成，其中，單片機、復位電路和時鐘電路構成了單片機的最小系統，而系統中使用的AT89C51 單片機包含了32個IO 口，可用于控制十字路口兩組紅黃綠燈的交錯點亮和蜂鳴器的發聲。系統框圖如圖1 所示。

圖1 附有蜂鳴器紅綠燈系統硬件組成框圖

單片機最小系統包含復位電路、時鐘產生電路和電源。復位電路一般分為上電復位和按鍵復位兩種，本裝置采用的復合復位是將這兩種方式結合在一起的做法，本設計采用的復位電路具體如圖2[1]所示。復位電路的功能主要是：可以使CPU 及其它部件在開機時恢復到一個預設的初始狀態，同時復位電路還可以在單片機死機時重新開始恢復正常工作。該設計所采用的復合復位其具體的工作原理是：通過將開關與復位電容并聯，通過控制開關是否按下，從而使電容充放電為RST 引腳提供需要的復位電平值。

單片機的時鐘電路的目的是統一地控制單片機的微操作，為單片機提供基本的工作時鐘。單片機的時鐘產生方式分為內部時鐘方式和外部時鐘方式，本設計采用了單片機的內部時鐘方式，具體是通過一個12MHz 的晶體振蕩器和兩個33pF 的電容來實現，具體連接方式如圖3 所示。

圖2 復位電路連接方式

圖3 時鐘電路連接方式

任何一個完整的系統，都必須有一個穩定的供電模塊，即電源模塊，這是系統能夠穩定運行的基礎和前提。此外，本設計中采用的51 系列的單片機相比其他系列的單片機而言，更容易出現由于受到外部干擾而單片機內部程序跑飛的問題。因此，為解決這一問題，需要給本設計配備一個穩定的供電模塊，最終采用通過USB 接口來提供穩定的電源電壓。

此外，本設計還采用了蜂鳴器來作為發聲裝置。蜂鳴器通常包含有源蜂鳴器和無源蜂鳴器兩種，其中，有源蜂鳴器內部帶有可以發聲的振蕩器，即只要在有源蜂鳴器的兩端分別接上高低電平，蜂鳴器就會發出聲音；而無源蜂鳴器則需提供交變的信號才能實現發聲的功能。因此，本設計為簡化后續的程序設計采用有源蜂鳴器實現，具體連接方式如圖4所示。設計中，此裝置連通單片機后可以在紅燈亮起時發出警報來提醒行人。

具體地，本設計采用的發聲系統包括三極管、分壓電阻和蜂鳴器構成，并由單片機的P1.6 引腳來控制三極管的導通和截止，三極管的一端通過上拉電阻R15 接高電平，三極管的另一端控制蜂鳴器發聲。工作時，當單片機的P1.6引腳輸出高電平時，三極管導通，蜂鳴器兩端分別連接高低電平，蜂鳴器發聲。同樣地，當單片機的P1.6 引腳輸出低電平時，三極管斷開，蜂鳴器的一端未通過上拉電阻接高電平，蜂鳴器不發聲。

圖4 發聲系統連接方式

2 系統軟件設計

2.1 proteus 和keil 聯合仿真

Proteus 軟件是英國Labcenter electronics 公司開發的目前世界上最先進、最完整的嵌入式系統設計與仿真平臺軟件，該軟件可以在windows 系統上正常運行，主要用于模擬器件和集成電路的仿真與分析。同時，該軟件還包含了信號發生器、虛擬示波器等硬件開發工具[2]。它支持許多主流的單片機的調試和仿真，例如本文的AT89C51 單片機，因此，受到了國內許多單片機愛好者、教師和科技工作者的青睞。

Keil 是德國的一個單片機開發平臺，運行基礎可以是32 位windows 環境，支持C 語言，它的強大的軟件仿真功能使得它受到許多片機愛好者、教師和科技工作者的喜愛。目前，keil 公司推出的C51 編譯器已經被完全集成到一個功能強大的全新集成開發環境中，具體包括項目管理、連接定位、項目管理等，并且可以與proteus 原理圖進行聯機仿真，為單片機的開發帶來極大方便[3]。

Proteus 和keil 軟件可以實現聯合編程，在keil 軟件上編寫源程序，在proteus 軟件上進行電路的設計，再將keil 中的源程序加載到proteus 的單片機上，就可以在proteus 中進行仿真。

圖5 是本設計最終采用的proteus 原理圖，本系統使用了紅色、綠色和黃色的LED 燈、蜂鳴器、三極管以及電容等元器件。

圖5 proteus 設計圖

2.2 程序設計

圖6

本程序的設計思想是：首先，東西方向綠燈亮，南北方向的紅燈亮，并伴隨蜂鳴器發聲提醒，蜂鳴器發聲十次；然后，東西方向綠燈變成黃燈，黃燈閃爍十次，南北方向依然是紅燈亮；接著，東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮；最后，東西方向紅燈亮，南北方向黃燈閃爍十次，并伴隨蜂鳴器發聲提醒，并依次循環。上述更換過程中，每次綠燈與紅燈轉換之間都會有黃燈閃爍十次，而在每次黃燈變成紅燈時，蜂鳴器都會發出聲音提醒行人。

根據上述思想編寫的程序如下：

上述設計具體的執行過程為：首先，根據設計思想，先編寫源程序，并在keil 軟件中存儲為.c 文件；將源程序書寫完畢后，點擊keil 軟件中的translate 按鈕編譯源程序，編譯信息顯示程序沒有錯誤，如圖7 所示[4]。接著，在Keil軟件內，最終會生成一個.hex 文件，將這個生成的.hex可執行文件加載到proteus 軟件中的單片機內，并且點擊proteus 軟件中的運行按鈕，便能觀測設計系統的仿真結果。

圖7 程序編譯圖

3 運行結果

3.1 東西向通行運行結果顯示

附有蜂鳴器紅綠燈系統的東西向通行仿真效果如圖8所示。圖中，東西向為綠燈，南北向為紅燈，此時蜂鳴器發聲系統接高電平，蜂鳴器發聲。

3.2 東西向黃燈閃爍運行結果顯示

附有蜂鳴器紅綠燈系統的東西向黃燈閃爍運行效果如圖9 所示，圖中，東西向黃燈閃爍，南北向紅燈點亮，此時蜂鳴器發聲系統未接高電平，蜂鳴器不發聲。

圖8 東西向通行模擬效果圖

圖9 東西向黃燈慢行模擬效果圖

3.3 南北向通行運行結果顯示

附有蜂鳴器紅綠燈系統南北向通行模擬效果如圖10 所示。圖中，南北向綠燈點亮，東西向紅燈點亮，此時蜂鳴器發聲系統接高電平，蜂鳴器發聲。

圖10 南北向通行模擬效果圖

4 總結

本文使用proteus 軟件設計了使用AT89C51 作為控制的核心的紅綠燈系統，并且利用keil 軟件使用C 語言進行源代碼的編程，最后將其生成的.hex 文件加載到單片機上，實現了proteus 與keil 的聯合編程。再利用proteus 仿真成功，證明本設計是合理可行的。本設計具有性價比高、功能可靠、結構簡單的特點，對比傳統的紅綠燈多出了蜂鳴器，提高了行人在大霧天氣或者霧霾天氣駕車的安全系數。