单片机控制交通灯电路的设计

2020-09-07夏开云

通信电源技术 2020年11期

关键词：黄灯交通灯数码管

夏开云

（南京江宁高等职业技术学校，江苏南京 211100）

1 设计思想

我国交通指挥信号灯法规规定如下[1-2]。

（1）红灯停：红灯亮时不准车辆和行人通行；

（2）绿灯行：绿灯亮时允许行车辆和行人通行；

（3）黄灯亮等一等：黄灯亮时，已经越过停止线的车辆和行人可以继续通行，还没有越过停止线的不准继续通行；

（4）绿色箭头灯亮：车辆和行人在相应的车道上按照箭头所指的方向通行；

（5）黄灯闪烁：车辆和行人在相应的车道上时，在确保安全的情况下可以通行。

正常情况下，交通信号灯分为东西支干和南北主干道。通常，东西支干道通行时间为20 s，南北主干道通行时间为30 s，且每个方向绿灯转红灯时黄灯先亮5 s。交通灯还设置了人工控制状态，如果一道有车而另一道无车，执勤交警会通过交通灯的人工控制系统为有车道放行。有紧急车辆要求通过时，人工禁止普通车辆通行。交通信号灯的出现，使交通秩序得到了有效管制，既有利于交通疏导，也减少了交通事故的发生。

2 设计框图

单片机控制交通灯电路[3]的单片电路主要以单片机为中心，电源、时钟和复位电路给单片机提供电源和信号，而单片机接收到信号则对发光二极管和其他设备进行相应的控制。设计框图如图1所示。

图1 单片机控制交通灯电路设计框图

3 电路设计

单片机控制[4]交通灯电路原理，如图2所示。

交通灯控制电路工作过程：接通电源，程序开始进入循环状态，东西向红灯亮，南北向绿灯亮，同时数码管从30 s开始进行倒计时，剩余5 s时红绿灯都不亮，转为4个方向的黄灯，每隔1 s亮一次，蜂鸣器发声；倒计时结束后，数码管再次重新开始20 s倒计时，东西向绿灯亮，南北向红灯亮，剩余5 s时红绿灯都不亮，转为4个方向的黄灯，每隔1 s亮一次，蜂鸣器发声，依次循环。

图2 单片机控制交通灯电路原理图

按下K1按键后数码管进入50 s倒计时，东西向绿灯亮，南北向红灯亮，倒计时结束后数码管再次重新开始50 s倒计时，依次循环。由于本电路是上电复位，所以需要重新通电，再按下K2按键后数码管进入50 s倒计时，东西向红灯亮，南北向绿灯亮，倒计时结束后数码管重新开始50 s倒计时，依次循环。

4 各模块原理说明

4.1 AT89C51集成芯片介绍

ATC89C51是以8051为核的ISP系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80 MHz。8051由中央处理器、内部数据存储器RAM、内部程序存储器ROM、并行I/O口、串行口、定时/计数器、中断系统和时钟电路组成[1]。

（1）中央处理器是单片机的控制核心，由运算器和控制器两部分组成。

（2）内部数据存储器RAM：8051共有256个RAM单元，可读可写，一旦掉电，数据就会丢失。其中，高128个单元被专用寄存器占用；低128个单元供用户使用，用于暂存中间数据。

（3）内部程序存储器ROM：8051内部共有4 kB掩膜ROM，用于存放程序，而ROM只能读不能写。若突然断电，不会造成数据丢失。程序运行过程中原始数据不会改变。

（4）并行I/O口：利用8051内部的4个8位I/O接口实现数据的并行输入输出。

（5）串行口：实现单片机与其他设备之间的串行数据通信，可以利用8051内部的一个全双工异步串行口。该串行口除了实现串行通信外，还能扩展外部I/O端口。

（6）定时/计数器：利用8051内部的16个定时/计数器，实现定时或计数功能。

（7）中断源：8051内部共有5个中断源，根据优先级别不同分为高级和低级两个级别。

（8）时钟电路：8051内部自带时钟电路，只需外接石英晶体，两端并联微调电容即可产生时钟振荡信号。

芯片具有系统可编程的特性，配合PC端的相应控制程序即可将用户的程序代码烧进单片机内部。STC89C51RC系列单片机具有高速、低功耗等优点，内部集成MAX810专用复位电路。

4.2 复位电路

89C51的复位引脚（RST）是第9脚，此引脚连接高电平的时间超过2个机器周期（一个机器周期为6个时钟脉冲），即可使单片机复位。本电路由1个电阻和1个电容构成。在系统上电时，经C1与R1充电，使RST端为高电平，持续时间大于2个机器周期完成复位。电容充电结束后系统复位结束，开始正常工作。复位操作有两种基本形式：一种是上电与按键均有效的复位，另一种是本系统所采用的上电复位，电路如图3所示。

图3 复位电路

4.3 发光二极管

发光二极管简称LED，是一类特殊的二极管。由于在管内加入了特殊气体，当加以正向电流时便能导通发光。本次设计中，它用于模拟交通灯。

4.4 外部晶振时钟电路设计

89C51单片机内部有一个具有高增益的反相输入放大器，输入输出引脚分别为XTAL1和XTAL2。只要两个引脚之间具有合适的可调电阻，就构成了稳定的振荡电路。一般C2和C3的电容取30 pF左右。为了减小寄生电容，晶振和电容尽可能安装得与单片机的XTAL1和XTAL2靠近些。晶振的频率范围1.2～12 MHz。振荡频率越高，系统的时钟频率就越高，单片机此时的运行速度也就越快。对于外部振荡器，则应将外部振荡信号直接加到XTAL1，而使XTAL2悬空。外部晶振时钟电路如图4所示。

4.5 按键模块

按键功能区的主要任务是通过系统按键改变电路的现象，能够通过按键模块对系统各方向信号灯预设时间，并根据现实情况进行合理化设置。本电路设置了2个按键K1和K2，按K1南北的绿灯亮时间为50 s，按K2东西的绿灯亮时间为50 s。

图4 晶振时钟电路

4.6 显示模块

数码管的实质是7个发光二极管，但具有单向导电性，一般通过5 mA左右的电流即可发光。显示器的右下角用一个圆点型发光二极管作为小数点，用字母DP来表示。通过程序控制7个发光二极管的亮灭，用不同组合显示各种数字、字母等。

数码管的连接方式有共阳极和共阴极两种[2]。共阳极接法是指发光二极管的阳极（正极）连在一起构成公共阳极。使用时，公共阳极接+5 V。阴极输入低电平对应的段，发光极管就导通点亮；阴极输入高电平的段，则不亮。共阴极接法是指把发光二极管的阴极（负极）连在一起构成公共阴极。使用时，公共阴极接地。当阳极端输入高电平对应的段，发光二极管导通点亮；阳极输入低电平的段，则不亮。本系统采用的是共阳极接法。

LED显示器[5]是现在最常用的显示器之一，显示电路如图5所示。