1 設(shè)計(jì)名稱
基于51單片機(jī)的十字路口交通燈系統(tǒng)（C語言、Proteus開發(fā)環(huán)境）
2 設(shè)計(jì)要求
1、 基于51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口交通燈控制系統(tǒng)，用于模擬道路十字路口交通燈實(shí)際運(yùn)行的場景。
2、 東西向、南北向依次進(jìn)行周期通行，默認(rèn)設(shè)置為：東西向直行（綠燈）時(shí)間30秒，左轉(zhuǎn)（藍(lán)燈）時(shí)間15秒；南北向直行（綠燈）時(shí)間20秒，左轉(zhuǎn)（藍(lán)燈）時(shí)間10秒。
3、 每次直行（綠燈）變左轉(zhuǎn)（藍(lán)燈）和左轉(zhuǎn)（藍(lán)燈）變停車（紅燈）前，黃燈需先閃爍3秒，此3秒時(shí)長包含在上述直行和左轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)。
4、 可通過控制臺(tái)按鍵實(shí)現(xiàn)對十字路口進(jìn)行交通管制的功能。
5、 可通過控制臺(tái)按鍵實(shí)現(xiàn)對十字路口各方向的通行時(shí)間進(jìn)行設(shè)置的功能。
3 功能說明
整個(gè)十字路口由東西向道路和南北向道路垂直交叉形成，我們采用“上北下南，左西右東”的慣例進(jìn)行構(gòu)圖。每個(gè)方向都有一組4色的LED燈來控制交通的流向和節(jié)奏。流向也即方向，通過不同LED燈顏色進(jìn)行表征：紅燈停，綠燈行，黃燈等一等，這里左轉(zhuǎn)我們用藍(lán)燈表示；節(jié)奏通過倒計(jì)時(shí)時(shí)間進(jìn)行控制，該時(shí)間的時(shí)基由單片機(jī)的定時(shí)器提供。
十字路口的倒計(jì)時(shí)時(shí)間分別通過四個(gè)2位的七段共陰極數(shù)碼管顯示。綠燈點(diǎn)亮道路上的數(shù)碼管顯示的數(shù)字是該道路所剩余的可通行時(shí)間，紅燈點(diǎn)亮道路上的數(shù)碼管顯示的數(shù)字是該道路所剩余的禁行時(shí)間，小伙伴需要注意區(qū)分兩者不同的物理含義。
系統(tǒng)上電后，默認(rèn)運(yùn)行在“正常模式”下。此時(shí)南北向綠燈點(diǎn)亮，允許直行；東西向紅燈點(diǎn)亮，禁止直行和左轉(zhuǎn)。具體的狀態(tài)遷移順序可參照下面第 6 部分內(nèi)容。
4 系統(tǒng)架構(gòu)
整個(gè)架構(gòu)非常簡單，主要由四部分組成。分別是MCU單片機(jī)控制模塊、按鍵輸入掃描模塊、數(shù)碼管顯示模塊和交通燈顯示模塊。按鍵、數(shù)碼管和LED燈都是典型的人機(jī)交互的元器件，按鍵用于接收命令，數(shù)碼管和LED燈用于反饋信號和狀態(tài)。數(shù)據(jù)流向也是單向的，由左至右。
我們現(xiàn)在將十字路口交通燈的運(yùn)行場景抽象歸納一下，然后用下面的圖表進(jìn)行復(fù)盤。
5 運(yùn)行模式
對照日常生活，我們來盤點(diǎn)一下交通燈運(yùn)行的模式：
“正常模式”：模擬十字路口正常運(yùn)行的場景，交通燈按正常的順序進(jìn)行周期循環(huán)；
“夜間模式”：模擬十字路口夜間運(yùn)行的場景，東西向和南北向的黃燈同時(shí)閃爍；
“緊急模式”：模擬十字路口進(jìn)入緊急情況下的場景（救護(hù)車、消防車通過等），東西向和南北向的紅燈全部點(diǎn)亮；
“強(qiáng)制東西向通行模式”：強(qiáng)制東西向通行，南北向停車等待。
“強(qiáng)制南北向通行模式”：強(qiáng)制南北向通行，東西向停車等待。
6 ”正常模式“下狀態(tài)遷移之狀態(tài)機(jī)
不同國家、不同城市、不同十字路口都有不同的狀態(tài)設(shè)置。有的路口是先直行再左轉(zhuǎn)，有的路口是先允許左轉(zhuǎn)再允許直行，有的路口壓根就沒有專門的左轉(zhuǎn)燈，有的路口有人行道指示燈，而有的沒有。所謂千人千面，五官各不相同，但確有一個(gè)共性，就是都有五官。狀態(tài)機(jī)的思路可以很好的解決這個(gè)問題。
7 ”正常模式“下狀態(tài)遷移之矩陣表
1?- 表征對應(yīng)顏色交通燈點(diǎn)亮；
0?- 表征對應(yīng)顏色交通燈熄滅；
1/0?- 表征對應(yīng)顏色交通燈閃爍；
藍(lán)色燈?- 表征對應(yīng)道路左轉(zhuǎn)狀態(tài)；
8 仿真電路圖
因?yàn)榘咐鼈?cè)重功能的實(shí)現(xiàn)，對于硬件電路的設(shè)計(jì)要求不是太高，達(dá)到能用就行的標(biāo)準(zhǔn)就行，所以這里只簡要說一下重點(diǎn)吧。
1 單片機(jī)P0一定要加上拉電阻。為什么？因?yàn)镻0口內(nèi)部為開集電極輸出，無法輸出高電平，只有加了上拉電阻，P0口才能輸出高電平。
2 數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)一定要加限流電阻。雖然在Proteus中仿真不加問題也不大，但是實(shí)際產(chǎn)品肯定是不允許的，而且也無法工作。
3 LED燈驅(qū)動(dòng)一定要加限流電阻。如果不加限流電阻，單片機(jī)會(huì)工作異常，因?yàn)閱纹瑱C(jī)引腳的驅(qū)動(dòng)電流的能力是有限制的，超出則正常功能無法保證，甚至燒壞單片機(jī)。
4 LED燈不建議直接并聯(lián)使用。雖然LED燈具有正向單調(diào)的伏安特性曲線，但是它的溫度系數(shù)卻是負(fù)向的，不利于均流。
5 按鍵模塊采用的是普通的點(diǎn)對點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，但設(shè)計(jì)中也可采用矩陣式按鍵，小伙伴可以自行發(fā)揮。
6 當(dāng)前的設(shè)計(jì)，單片機(jī)引腳基本被全部分配用完，沒有冗余。對于實(shí)物產(chǎn)品的開發(fā)這是不被允許的，因?yàn)檫^于捉襟見肘的單片機(jī)資源完全不利于產(chǎn)品后期的功能升級和延展。如果單片機(jī)引腳緊張，除可以采用矩陣式鍵盤節(jié)省引腳外，也可以采用數(shù)字鎖存器或者譯碼器對引腳進(jìn)行擴(kuò)展使用。
9 器件清單
其他未盡事宜，諸如導(dǎo)線啊，芯片底座啊，電源插座啊，電源啊等等，都是基本功，這里暫就不表了。
10 C 語言核心源代碼
軟件架構(gòu)采用的是時(shí)間觸發(fā)機(jī)制+狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)模式，這種模式的好處是MCU執(zhí)行效率高，實(shí)時(shí)性好，另外一點(diǎn)很重要的就是靈活性，代碼容易擴(kuò)展。時(shí)間片調(diào)度周期為20ms，用于按鍵的掃描識別和LED數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)刷新。交通燈運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)機(jī)是通過switch來完成的。大俠看到網(wǎng)絡(luò)上很多的案例代碼用到了外部中斷來實(shí)現(xiàn)按鍵掃描，這是完全沒必要的，主函數(shù)輪詢掃描的方式完全就夠用了，51單片機(jī)的外部中斷資源畢竟有限且珍貴，何以要用中斷呢？難道江郎才盡了？此外，設(shè)計(jì)中按鍵掃描模塊實(shí)現(xiàn)了去抖的功能。
因版面受限，這里只能貼出核心狀態(tài)機(jī)的源代碼供各位看管參考學(xué)習(xí)了。其他功能相對簡單，大家可以適當(dāng)腦補(bǔ)，或者也可劃至文章最后尋找解決方案。
10.1 變量定義
sbit Gb_SN_LEDH_En = P2^0; // 南北向高位LED數(shù)碼管使能控制位
sbit Gb_SN_LEDL_En = P2^1; // 南北向低位LED數(shù)碼管使能控制位
sbit Gb_EW_LEDH_En = P2^2; // 東西向高位LED數(shù)碼管使能控制位
sbit Gb_EW_LEDL_En = P2^3; // 東西向低位LED數(shù)碼管使能控制位
sbit Gb_Debug_LEDH_En = P2^4; // 調(diào)試用高位LED數(shù)碼管使能控制位
sbit Gb_Debug_LEDL_En = P2^5; // 調(diào)試用低位LED數(shù)碼管使能控制位
sbit Gb_EW_Walk_Green_En = P2^6;? // 東西向人行道綠燈使能控制位
sbit Gb_SN_Walk_Green_En = P2^7;? // 南北向人行道綠燈使能控制位
sbit Gb_EW_Yellow_En = P1^2;? // 東西向黃燈使能控制位
sbit Gb_SN_Yellow_En = P1^6;? // 南北向黃燈使能控制位
sbit Gb_EW_Red_En = P1^3;? // 東西向黃燈使能控制位
sbit Gb_SN_Red_En = P1^7;? // 南北向黃燈使能控制位
#define SET 0? // 設(shè)置/確認(rèn)按鈕
#define SET_ADD 1? // 設(shè)置+
#define SET_SUB 2? //設(shè)置-
#define SET_HOME 3? // 正常模式
#define SET_YELLOW 4? // 夜間模式
#define SET_RED 5? // 緊急模式
#define SET_EW 6? // 強(qiáng)制東西向通行模式
#define SET_SN 7? //強(qiáng)制南北向通行模式
uint_8 Gb_Traffic_RunMode;? // 紅綠燈運(yùn)行模式? 0-正常? 1-夜間? 2-緊急? 3-東西強(qiáng)制? 4-南北強(qiáng)制
uint_8 Gb_SET_Active_Flag;? // 使能設(shè)置功能標(biāo)志位
uint_8 Gb_SET_LEDSEG_Blink_Flag;? // 控制臺(tái)數(shù)碼管閃爍時(shí)基標(biāo)志位
uint_8 Gb_LED_SEG_Update_Flag;? // LED數(shù)碼管刷新調(diào)度標(biāo)志位
uint_8 Gb_LED_YellowControl_Flag;? // LED黃燈閃爍調(diào)度標(biāo)志位
uint_8 Gb_LED_Task1s_Flag;? // 交通燈任務(wù)調(diào)度標(biāo)志位
uint_8 Gb_EW_YellowLight_Flag;? // 東西向黃燈閃爍標(biāo)志位
uint_8 Gb_SN_YellowLight_Flag;? // 南北向黃燈閃爍標(biāo)志位
uint_8 Gb_EW_LED_RealTime;? // 東西向LED數(shù)碼管顯示時(shí)間
uint_8 Gb_SN_LED_RealTime;? // 南北向LED數(shù)碼管顯示時(shí)間
uint_8 Gb_SET_LED_RealTime;? // 控制臺(tái)LED數(shù)碼管顯示時(shí)間，默認(rèn)無顯示
uint_8 Gb_System_Step_Index = 0;? // 正常模式下紅綠燈運(yùn)行進(jìn)度標(biāo)志
uint_8 Cc_EW_DirectPass_Time = 10;? // 東西向道路直行時(shí)間參數(shù)（不含黃燈閃爍時(shí)間）,單位秒
uint_8 Cc_SN_DirectPass_Time = 15;? // 南北向道路直行時(shí)間參數(shù)（不含黃燈閃爍時(shí)間）,單位秒
uint_8 Cc_EW_LeftPass_Time = 5;? // 東西向道路左轉(zhuǎn)時(shí)間參數(shù)（不含黃燈閃爍時(shí)間）,單位秒
uint_8 Cc_SN_LeftPass_Time = 5;? // 南北向道路左轉(zhuǎn)時(shí)間參數(shù)（不含黃燈閃爍時(shí)間）,單位秒
uint_8 Cc_YellowLight_Time = 3;? // 黃燈閃爍時(shí)間參數(shù),單位秒
uint_8 code LED_SEG_Table[11]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x00};? //共陰數(shù)碼管0-9段選碼表,及無顯示狀態(tài)
uint_8 code LED_Light_Table[4]={0X28,0X18,0X82,0X81};? //交通信號燈控制代碼，對應(yīng)P1引腳
10.2 交通燈控制函數(shù)
/*************************************************
函數(shù)名：十字路口交通燈控制函數(shù)
參? 數(shù)：無
返回值：無
結(jié)? 果：管理紅綠藍(lán)交通燈，管理人行道交通燈
************************************************/
void Traffic_Control(void)
{
? ? Gb_SN_LED_RealTime--;? // 南北向時(shí)間倒計(jì)時(shí)
? ? Gb_EW_LED_RealTime--;? // 東西向時(shí)間倒計(jì)時(shí)
? ? switch(Gb_System_Step_Index)
? ? {
? ? ? ? case 0:? // 狀態(tài)0 - 南北向綠燈，東西向紅燈
? ? ? ? ? ? if(Gb_SN_LED_RealTime <= Cc_YellowLight_Time)
? ? ? ? ? ? {
? ? ? ? ? ? ? ? P1 = P1&0x0F;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_SN_YellowLight_Flag = 1;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_System_Step_Index++;
? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? ? break;
? ? ? ? case 1:? // 狀態(tài)1 - 南北向黃燈，東西向紅燈
? ? ? ? ? ? if(Gb_SN_LED_RealTime <= 0)
? ? ? ? ? ? {
? ? ? ? ? ? ? ? P1 = LED_Light_Table[1];
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_SN_LED_RealTime = Cc_SN_LeftPass_Time + Cc_YellowLight_Time;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_SN_YellowLight_Flag = 0;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_System_Step_Index++;
? ? ? ? ? ? }? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? break;
? ? ? ? case 2:? // 狀態(tài)2 - 南北向左轉(zhuǎn)燈亮，東西向紅燈
? ? ? ? ? ? if(Gb_SN_LED_RealTime <= Cc_YellowLight_Time)
? ? ? ? ? ? {
? ? ? ? ? ? ? ? P1 = P1&0x0F;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_SN_YellowLight_Flag = 1;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_System_Step_Index++;
? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? ? ? break;
? ? ? ? case 3:? // 狀態(tài)3 - 南北向黃燈，東西向紅燈
? ? ? ? ? ? if(Gb_SN_LED_RealTime <= 0)
? ? ? ? ? ? {
? ? ? ? ? ? ? ? P1 = LED_Light_Table[2];
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_SN_LED_RealTime = Cc_EW_DirectPass_Time + Cc_EW_LeftPass_Time + 2*Cc_YellowLight_Time;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_EW_LED_RealTime = Cc_EW_DirectPass_Time + Cc_YellowLight_Time;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_SN_Walk_Green_En = 0;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_EW_Walk_Green_En = 1;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_SN_YellowLight_Flag = 0;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_System_Step_Index++;
? ? ? ? ? ? }? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? break;
? ? ? ? case 4:? // 狀態(tài)4 - 南北向紅燈，東西向綠燈
? ? ? ? ? ? if(Gb_EW_LED_RealTime <= Cc_YellowLight_Time)
? ? ? ? ? ? {
? ? ? ? ? ? ? ? P1 = P1&0xF0;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_EW_YellowLight_Flag = 1;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_System_Step_Index++;
? ? ? ? ? ? }? ? ? ?
? ? ? ? ? ? break;
? ? ? ? case 5:? // 狀態(tài)5 - 南北向紅燈，東西向黃燈
? ? ? ? ? ? if(Gb_EW_LED_RealTime <= 0)
? ? ? ? ? ? {
? ? ? ? ? ? ? ? P1 = LED_Light_Table[3];
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_EW_LED_RealTime = Cc_EW_LeftPass_Time + Cc_YellowLight_Time;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_EW_YellowLight_Flag = 0;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_System_Step_Index++;
? ? ? ? ? ? }? ? ? ?
? ? ? ? ? ? break;
? ? ? ? case 6:? // 狀態(tài)6 - 南北向紅燈，東西向左轉(zhuǎn)燈亮
? ? ? ? ? ? if(Gb_EW_LED_RealTime <= Cc_YellowLight_Time)
? ? ? ? ? ? {
? ? ? ? ? ? ? ? P1 = P1&0xF0;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_EW_YellowLight_Flag = 1;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_System_Step_Index++;
? ? ? ? ? ? }? ? ? ?
? ? ? ? ? ? break;
? ? ? ? case 7:? // 狀態(tài)7 - 南北向紅燈，東西向黃燈
? ? ? ? ? ? if(Gb_SN_LED_RealTime <= 0)
? ? ? ? ? ? {
? ? ? ? ? ? ? ? Cc_EW_DirectPass_Time = Cc_EW_DirectPass_Time2;?
? ? ? ? ? ? ? ? Cc_SN_DirectPass_Time = Cc_SN_DirectPass_Time2;?
? ? ? ? ? ? ? ? Cc_EW_LeftPass_Time = Cc_EW_LeftPass_Time2;?
? ? ? ? ? ? ? ? Cc_SN_LeftPass_Time = Cc_SN_LeftPass_Time2;?
? ? ? ? ? ? ? ? Cc_YellowLight_Time = Cc_YellowLight_Time2;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_SN_LED_RealTime = Cc_SN_DirectPass_Time + Cc_YellowLight_Time;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_EW_LED_RealTime = Cc_SN_DirectPass_Time + Cc_SN_LeftPass_Time + 2*Cc_YellowLight_Time;
? ? ? ? ? ? ? ? P1 = LED_Light_Table[0];
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_SN_Walk_Green_En = 1;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_EW_Walk_Green_En = 0;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_EW_YellowLight_Flag = 0;
? ? ? ? ? ? ? ? Gb_System_Step_Index = 0;
? ? ? ? ? ? }? ? ? ?
? ? ? ? ? ? break;
? ? ? ? default:
? ? ? ? ? ? break;
? ? }
}
11 操作說明
從按鍵用途的角度進(jìn)行劃分，上圖中的8個(gè)按鍵可以被歸為兩類。一類是用來設(shè)置時(shí)間參數(shù)的，另一類是用來切換交通燈系統(tǒng)運(yùn)行模式的，我們就根據(jù)這2種大的分類分別進(jìn)行詳細(xì)的解釋和說明。
11.1 “參數(shù)設(shè)置”按鍵操作說明
“參數(shù)設(shè)置”類的按鍵有三個(gè)，由上至下分別為“設(shè)置/確認(rèn)“按鈕、”加+“按鈕和”減-“按鈕。其主要功能是用來對十字路口東西向和南北向在各個(gè)階段（東西向直行、東西向左轉(zhuǎn)、南北向直行、南北向左轉(zhuǎn)和黃燈等待）的通行時(shí)間參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和更新。
”設(shè)置/確認(rèn)“按鈕：共有三種功能：1 使系統(tǒng)進(jìn)入時(shí)間參數(shù)設(shè)置狀態(tài)；2 對設(shè)置參數(shù)進(jìn)行順序切換；3 完成參數(shù)設(shè)置并返回退出；
”加+“按鈕：單擊一下，對應(yīng)時(shí)間參數(shù)加1。
” 減-“按鈕：單擊一下， 對應(yīng)時(shí)間參數(shù)減1。
11.2 “模式切換”按鍵操作說明
“模式切換”類按鍵共有五個(gè)，由上至下分別為“正常模式“按鈕、”夜間模式“按鈕、”緊急模式“按鈕、”強(qiáng)制東西向通行模式“按鈕和”強(qiáng)制南北向通行模式“按鈕。此處操作非常簡單，不再贅述。交通燈在個(gè)模式下運(yùn)行時(shí)對應(yīng)的實(shí)際場景請參照上文說明。
以上為全部分享內(nèi)容，如有任何技術(shù)疑問，可以在文章下方留言交流或關(guān)注下方公眾號討論。
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