單片機控制交通燈電路的設計

夏開云

（南京江寧高等職業技術學校，江蘇 南京 211100）

1 設計思想

我國交通指揮信號燈法規規定如下[1-2]。

（1）紅燈停：紅燈亮時不準車輛和行人通行；

（2）綠燈行：綠燈亮時允許行車輛和行人通行；

（3）黃燈亮等一等：黃燈亮時，已經越過停止線的車輛和行人可以繼續通行，還沒有越過停止線的不準繼續通行；

（4）綠色箭頭燈亮：車輛和行人在相應的車道上按照箭頭所指的方向通行；

（5）黃燈閃爍：車輛和行人在相應的車道上時，在確保安全的情況下可以通行。

正常情況下，交通信號燈分為東西支干和南北主干道。通常，東西支干道通行時間為20 s，南北主干道通行時間為30 s，且每個方向綠燈轉紅燈時黃燈先亮5 s。交通燈還設置了人工控制狀態，如果一道有車而另一道無車，執勤交警會通過交通燈的人工控制系統為有車道放行。有緊急車輛要求通過時，人工禁止普通車輛通行。交通信號燈的出現，使交通秩序得到了有效管制，既有利于交通疏導，也減少了交通事故的發生。

2 設計框圖

單片機控制交通燈電路[3]的單片電路主要以單片機為中心，電源、時鐘和復位電路給單片機提供電源和信號，而單片機接收到信號則對發光二極管和其他設備進行相應的控制。設計框圖如圖1所示。

圖1 單片機控制交通燈電路設計框圖

3 電路設計

單片機控制[4]交通燈電路原理，如圖2所示。

交通燈控制電路工作過程：接通電源，程序開始進入循環狀態，東西向紅燈亮，南北向綠燈亮，同時數碼管從30 s開始進行倒計時，剩余5 s時紅綠燈都不亮，轉為4個方向的黃燈，每隔1 s亮一次，蜂鳴器發聲；倒計時結束后，數碼管再次重新開始20 s倒計時，東西向綠燈亮，南北向紅燈亮，剩余5 s時紅綠燈都不亮，轉為4個方向的黃燈，每隔1 s亮一次，蜂鳴器發聲，依次循環。

圖2 單片機控制交通燈電路原理圖

按下K1按鍵后數碼管進入50 s倒計時，東西向綠燈亮，南北向紅燈亮，倒計時結束后數碼管再次重新開始50 s倒計時，依次循環。由于本電路是上電復位，所以需要重新通電，再按下K2按鍵后數碼管進入50 s倒計時，東西向紅燈亮，南北向綠燈亮，倒計時結束后數碼管重新開始50 s倒計時，依次循環。

4 各模塊原理說明

4.1 AT89C51集成芯片介紹

ATC89C51是以8051為核的ISP系統可編程芯片，最高工作時鐘頻率為80 MHz。8051由中央處理器、內部數據存儲器RAM、內部程序存儲器ROM、并行I/O口、串行口、定時/計數器、中斷系統和時鐘電路組成[1]。

（1）中央處理器是單片機的控制核心，由運算器和控制器兩部分組成。

（2）內部數據存儲器RAM：8051共有256個RAM單元，可讀可寫，一旦掉電，數據就會丟失。其中，高128個單元被專用寄存器占用；低128個單元供用戶使用，用于暫存中間數據。

（3）內部程序存儲器ROM：8051內部共有4 kB掩膜ROM，用于存放程序，而ROM只能讀不能寫。若突然斷電，不會造成數據丟失。程序運行過程中原始數據不會改變。

（4）并行I/O口：利用8051內部的4個8位I/O接口實現數據的并行輸入輸出。

（5）串行口：實現單片機與其他設備之間的串行數據通信，可以利用8051內部的一個全雙工異步串行口。該串行口除了實現串行通信外，還能擴展外部I/O端口。

（6）定時/計數器：利用8051內部的16個定時/計數器，實現定時或計數功能。

（7）中斷源：8051內部共有5個中斷源，根據優先級別不同分為高級和低級兩個級別。

（8）時鐘電路：8051內部自帶時鐘電路，只需外接石英晶體，兩端并聯微調電容即可產生時鐘振蕩信號。

芯片具有系統可編程的特性，配合PC端的相應控制程序即可將用戶的程序代碼燒進單片機內部。STC89C51RC系列單片機具有高速、低功耗等優點，內部集成MAX810專用復位電路。

4.2 復位電路

89C51的復位引腳（RST）是第9腳，此引腳連接高電平的時間超過2個機器周期（一個機器周期為6個時鐘脈沖），即可使單片機復位。本電路由1個電阻和1個電容構成。在系統上電時，經C1與R1充電，使RST端為高電平，持續時間大于2個機器周期完成復位。電容充電結束后系統復位結束，開始正常工作。復位操作有兩種基本形式：一種是上電與按鍵均有效的復位，另一種是本系統所采用的上電復位，電路如圖3所示。

圖3 復位電路

4.3 發光二極管

發光二極管簡稱LED，是一類特殊的二極管。由于在管內加入了特殊氣體，當加以正向電流時便能導通發光。本次設計中，它用于模擬交通燈。

4.4 外部晶振時鐘電路設計

89C51單片機內部有一個具有高增益的反相輸入放大器，輸入輸出引腳分別為XTAL1和XTAL2。只要兩個引腳之間具有合適的可調電阻，就構成了穩定的振蕩電路。一般C2和C3的電容取30 pF左右。為了減小寄生電容，晶振和電容盡可能安裝得與單片機的XTAL1和XTAL2靠近些。晶振的頻率范圍1.2～12 MHz。振蕩頻率越高，系統的時鐘頻率就越高，單片機此時的運行速度也就越快。對于外部振蕩器，則應將外部振蕩信號直接加到XTAL1，而使XTAL2懸空。外部晶振時鐘電路如圖4所示。

4.5 按鍵模塊

按鍵功能區的主要任務是通過系統按鍵改變電路的現象，能夠通過按鍵模塊對系統各方向信號燈預設時間，并根據現實情況進行合理化設置。本電路設置了2個按鍵K1和K2，按K1南北的綠燈亮時間為50 s，按K2東西的綠燈亮時間為50 s。

圖4 晶振時鐘電路

4.6 顯示模塊

數碼管的實質是7個發光二極管，但具有單向導電性，一般通過5 mA左右的電流即可發光。顯示器的右下角用一個圓點型發光二極管作為小數點，用字母DP來表示。通過程序控制7個發光二極管的亮滅，用不同組合顯示各種數字、字母等。

數碼管的連接方式有共陽極和共陰極兩種[2]。共陽極接法是指發光二極管的陽極（正極）連在一起構成公共陽極。使用時，公共陽極接+5 V。陰極輸入低電平對應的段，發光極管就導通點亮；陰極輸入高電平的段，則不亮。共陰極接法是指把發光二極管的陰極（負極）連在一起構成公共陰極。使用時，公共陰極接地。當陽極端輸入高電平對應的段，發光二極管導通點亮；陽極輸入低電平的段，則不亮。本系統采用的是共陽極接法。

LED顯示器[5]是現在最常用的顯示器之一，顯示電路如圖5所示。

圖5 LED顯示器電路

本電路接直流穩壓電源+5 V電壓，由于當時采用排針導致正負極之間的距離過小，一不小心易引起電路短路，所以用兩根電子線將它們纏繞在排針上，增大了正負極之間的距離，避免了短路現象的發生。

5 結 論

傳統交通燈電路目前在技術上已經比較成熟，但是交通堵塞問題依然嚴重。為了更好地解決這一問題，需要在硬件和軟件上對車流和人流的控制做進一步改善，使交通燈更加智能化。