基于51单片机的交通灯设计

秦风元

（重庆三峡职业学院，重庆 404155）

今天，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术在19世纪就已出现了。 进入新世纪以来，世界经济发展迅猛，从而带动了以出行、物流为主的交通行业的蓬勃发展，而对交通灯的控制是一种对大众进行管理的公共系统手段。安全并且高效的公共交通秩序，必须以一系列强制的交通规则作为基础保障，同时利用新兴的高科技方式进行有效实施。在交通管理中引入单片机控制交通灯代替交管人员在交叉路口服务，有助于提高交通运输的安全性、提高交通管理的服务质量。并在一定程度上尽可能降低由道路拥挤造成的经济损失，同时也减小了工作人员的劳动强度。

中国车辆数量不断增加，交通控制在未来的交通管理中起着越来越重要的作用。智能交通灯的管理比重修一条马路无论在经济、交通运行速率上都有很好的效益、更加节约资源。交管人员有更多的精力投入到整个城市交通管理中，带来更大的经济和社会效益，为创造美好的城市交通形象发挥更多的作用。本设计应用8051单片机为核心，利用数码管及LED灯组成显示电路，以键盘电路组成系统设置和特殊情况控制电路。

1 设计任务

东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三个指示灯，指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。设置红灯25s、黄灯5s、绿灯20s、采用两位数码管来显示时间，时间以倒计时方式来显示；通过键盘来调整东西、南北路口各信号灯的时间和紧急情况的设置。

1.1 系统硬件设计

本设计采用8051单片机作为控制器，通行时间或者等待时间通过数码管以倒计时方式显示，同时单片机控制交通信号灯（红灯、黄灯、绿灯）的正常替换工作。系统设计框图如图1所示。其中，单片机是整个系统的核心部件，是控制中心，能运行程序和处理数据，交通灯主要完成交通信号红、黄、绿灯的显示，数码管完成时间的显示。只有各个部件协调工作，才能实现整个系统的功能。通过对系统功能的分析，确定硬件组成，并在PROTUES中绘制系统原理图。

图1 系统硬件组成方框图

（1）单片机。单个芯片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机，是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器CUP、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。单片机的产生与发展和微处理器的产生与发展大体上同步。现在，虽然单片机的品种繁多、各具特色，但以80C51为核心的单片机仍占主流，兼容其结构和指令系统的有Philips公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。

本设计采用美国ATMEL公司生产的AT89C51单片机作为主控模块，实现信息处理和对整个系统的控制功能。

（2）最小系统电路。系统中，复位电路、时钟电路、电源电路和单片机组成单片机最小系统，是保证单片机正常运行程序的最小硬件电路。只要正确完整设计单片机最小系统，单片机就能运行程序，从而控制硬件电路，实现交通灯的功能。其中复位电路采用按键复位，电路如图2所示。

（3）数码管显示电路。数码管显示分为静态显示和动态显示，本系统采用数码管动态显示方式。采用两个两位的共阳数码管，分别显示东西和南北路口的信号灯持续时间，时间采用倒计时显示，利用单片机的定时/计数器来实现1秒精确定时。数码管段码接单片机P0口，位码接P2口。电路如图2所示。

（4）信号灯电路。本设计应用单片机的P2口来控制12个发光二极管来模拟十字路口信号灯的工作情况，其中，P1.0，P1.1，P1.2分别控制东西路口的红灯、黄灯和绿灯，用P1.3，P1.4，P1.5分别来控制南北路口的绿灯、黄灯和红灯。二极管才用共阳连接方式，所以对应端口输出高电平信号灯点亮，输出低电平信号灯熄灭。

（5）键盘控制电路。单片机键盘电路分独立式键盘和矩阵式键盘，本设计应用独立式键盘。在单片机的P3口接几个按键开关，主要实现对东西和南北信号灯持续时间的调整。当需要根据实时交通堵塞情况实行人为控制时或遇到紧急情况时，键盘电路起到控制的作用，并能使各路交通恢复到初始状态。

根据上述对系统各部分电路的分析和设计，最后在protues中绘制完成整个系统的电路图，如图2所示。

图2 系统硬件电路原理图

1.2 系统软件设计

本系统软件采用C语言编写程序，C语言是一种编译型程序设计语言，兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。C语言有功能丰富的库函数、运行速度快、编译效率高、有很好的可移植性，而且可以实现对系统硬件的直接控制。此外，C语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件设计中采用结构化程序设计方法提供了很好的保障。因此，使用C语言进行程序设计已成为软件开发的一个主流。

软件实现对整个硬件电路的控制，按要求完成本系统的全部功能。本系统软件主要包括主函数、延时函数、数码管显示函数、按键识别函数和定时器中断函数等。采用结构化程序设计，每个函数完成特定功能。整个程序的运行总是从主函数开始，最后从主函数结束，所以主函数是整个程序的入口，也是整个程序的出口。其中，主函数主要完成了交通灯的初始化工作，使得东西和南北干道交通能正常转换工作。在主函数中分别调用了两个子函数，一个是数码管动动态显示函数，用来控制十字路口信号灯持续时间，另一个是键盘扫描函数，用来实现键盘的识别和按键开关功能。系统1秒时间由单片机定时/计数器实现，一次定时50ms，连续定时20次就是1秒时间，定时/计数器采用中断方式，定时方便而且精确。

根据系统功能分析，确定软件设计算法，并画出程序流程图，然后在KEIL软件中进行程序的编写。

1.3 系统仿真并调试功能

打开绘制完成的电路图，将运行并编译成功的程序文件加载到单片机，在PROTUES中仿真运行系统，实现相应的功能。

图3 主函数流程图

2 结语

由此可见一个完整的单片机应用系统由硬件系统和软件系统组成，只有软件和硬件协调工作，才能完成系统功能。本次设计采用8051单片机为核心，结合特殊情况下的控制电路、时钟电路、键盘、LED显示，进而设计出一种高效快速，绿色节能的新型交通灯控制系统。

［1］刘小平.单片机应用技术［M］.重庆：重庆大学出版社，2016.

［2］黄美兴.电子技术［M］.南京：南京大学出版社，2015.

［3］张毅坤.单片微型计算机原理及应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，1998.

［4］谭浩强.单片机课程设计［M］.北京：清华大学出版社，1998.