基于proteus 和keil 软件联合仿真的红绿灯系统

倪闻博

（陕西省西咸新区秦汉中学，陕西西安，712000）

红绿灯在我们的日常生活中扮演着十分重要的角色，在大雾等低能见度天气条件下，行人和驾驶人员的视线会受到更大的影响，严重时甚至会导致交通事故的发生。现在使用范围较广的是单一的指示灯进行视觉提醒，本设计在以往常规的红绿灯基础上加入预警装置，可以进一步保证恶劣天气下的交通安全，降低安全隐患。

1 系统硬件设计

本设计通过AT89C51 单片机驱动和控制系统中红黄绿灯的交错显示，设计的总体框架如图1 所示。该系统主要由单片机、复位电路、时钟电路、LED 灯和蜂鸣器等几部分构成，其中，单片机、复位电路和时钟电路构成了单片机的最小系统，而系统中使用的AT89C51 单片机包含了32个IO 口，可用于控制十字路口两组红黄绿灯的交错点亮和蜂鸣器的发声。系统框图如图1 所示。

图1 附有蜂鸣器红绿灯系统硬件组成框图

单片机最小系统包含复位电路、时钟产生电路和电源。复位电路一般分为上电复位和按键复位两种，本装置采用的复合复位是将这两种方式结合在一起的做法，本设计采用的复位电路具体如图2[1]所示。复位电路的功能主要是：可以使CPU 及其它部件在开机时恢复到一个预设的初始状态，同时复位电路还可以在单片机死机时重新开始恢复正常工作。该设计所采用的复合复位其具体的工作原理是：通过将开关与复位电容并联，通过控制开关是否按下，从而使电容充放电为RST 引脚提供需要的复位电平值。

单片机的时钟电路的目的是统一地控制单片机的微操作，为单片机提供基本的工作时钟。单片机的时钟产生方式分为内部时钟方式和外部时钟方式，本设计采用了单片机的内部时钟方式，具体是通过一个12MHz 的晶体振荡器和两个33pF 的电容来实现，具体连接方式如图3 所示。

图2 复位电路连接方式

图3 时钟电路连接方式

任何一个完整的系统，都必须有一个稳定的供电模块，即电源模块，这是系统能够稳定运行的基础和前提。此外，本设计中采用的51 系列的单片机相比其他系列的单片机而言，更容易出现由于受到外部干扰而单片机内部程序跑飞的问题。因此，为解决这一问题，需要给本设计配备一个稳定的供电模块，最终采用通过USB 接口来提供稳定的电源电压。

此外，本设计还采用了蜂鸣器来作为发声装置。蜂鸣器通常包含有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种，其中，有源蜂鸣器内部带有可以发声的振荡器，即只要在有源蜂鸣器的两端分别接上高低电平，蜂鸣器就会发出声音；而无源蜂鸣器则需提供交变的信号才能实现发声的功能。因此，本设计为简化后续的程序设计采用有源蜂鸣器实现，具体连接方式如图4所示。设计中，此装置连通单片机后可以在红灯亮起时发出警报来提醒行人。

具体地，本设计采用的发声系统包括三极管、分压电阻和蜂鸣器构成，并由单片机的P1.6 引脚来控制三极管的导通和截止，三极管的一端通过上拉电阻R15 接高电平，三极管的另一端控制蜂鸣器发声。工作时，当单片机的P1.6引脚输出高电平时，三极管导通，蜂鸣器两端分别连接高低电平，蜂鸣器发声。同样地，当单片机的P1.6 引脚输出低电平时，三极管断开，蜂鸣器的一端未通过上拉电阻接高电平，蜂鸣器不发声。

图4 发声系统连接方式

2 系统软件设计

2.1 proteus 和keil 联合仿真

Proteus 软件是英国Labcenter electronics 公司开发的目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台软件，该软件可以在windows 系统上正常运行，主要用于模拟器件和集成电路的仿真与分析。同时，该软件还包含了信号发生器、虚拟示波器等硬件开发工具[2]。它支持许多主流的单片机的调试和仿真，例如本文的AT89C51 单片机，因此，受到了国内许多单片机爱好者、教师和科技工作者的青睐。

Keil 是德国的一个单片机开发平台，运行基础可以是32 位windows 环境，支持C 语言，它的强大的软件仿真功能使得它受到许多片机爱好者、教师和科技工作者的喜爱。目前，keil 公司推出的C51 编译器已经被完全集成到一个功能强大的全新集成开发环境中，具体包括项目管理、连接定位、项目管理等，并且可以与proteus 原理图进行联机仿真，为单片机的开发带来极大方便[3]。

Proteus 和keil 软件可以实现联合编程，在keil 软件上编写源程序，在proteus 软件上进行电路的设计，再将keil 中的源程序加载到proteus 的单片机上，就可以在proteus 中进行仿真。

图5 是本设计最终采用的proteus 原理图，本系统使用了红色、绿色和黄色的LED 灯、蜂鸣器、三极管以及电容等元器件。

图5 proteus 设计图

2.2 程序设计

图6

本程序的设计思想是：首先，东西方向绿灯亮，南北方向的红灯亮，并伴随蜂鸣器发声提醒，蜂鸣器发声十次；然后，东西方向绿灯变成黄灯，黄灯闪烁十次，南北方向依然是红灯亮；接着，东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮；最后，东西方向红灯亮，南北方向黄灯闪烁十次，并伴随蜂鸣器发声提醒，并依次循环。上述更换过程中，每次绿灯与红灯转换之间都会有黄灯闪烁十次，而在每次黄灯变成红灯时，蜂鸣器都会发出声音提醒行人。

根据上述思想编写的程序如下：

上述设计具体的执行过程为：首先，根据设计思想，先编写源程序，并在keil 软件中存储为.c 文件；将源程序书写完毕后，点击keil 软件中的translate 按钮编译源程序，编译信息显示程序没有错误，如图7 所示[4]。接着，在Keil软件内，最终会生成一个.hex 文件，将这个生成的.hex可执行文件加载到proteus 软件中的单片机内，并且点击proteus 软件中的运行按钮，便能观测设计系统的仿真结果。

图7 程序编译图

3 运行结果

3.1 东西向通行运行结果显示

附有蜂鸣器红绿灯系统的东西向通行仿真效果如图8所示。图中，东西向为绿灯，南北向为红灯，此时蜂鸣器发声系统接高电平，蜂鸣器发声。

3.2 东西向黄灯闪烁运行结果显示

附有蜂鸣器红绿灯系统的东西向黄灯闪烁运行效果如图9 所示，图中，东西向黄灯闪烁，南北向红灯点亮，此时蜂鸣器发声系统未接高电平，蜂鸣器不发声。

图8 东西向通行模拟效果图

图9 东西向黄灯慢行模拟效果图

3.3 南北向通行运行结果显示

附有蜂鸣器红绿灯系统南北向通行模拟效果如图10 所示。图中，南北向绿灯点亮，东西向红灯点亮，此时蜂鸣器发声系统接高电平，蜂鸣器发声。

图10 南北向通行模拟效果图

4 总结

本文使用proteus 软件设计了使用AT89C51 作为控制的核心的红绿灯系统，并且利用keil 软件使用C 语言进行源代码的编程，最后将其生成的.hex 文件加载到单片机上，实现了proteus 与keil 的联合编程。再利用proteus 仿真成功，证明本设计是合理可行的。本设计具有性价比高、功能可靠、结构简单的特点，对比传统的红绿灯多出了蜂鸣器，提高了行人在大雾天气或者雾霾天气驾车的安全系数。