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浅析单片机对交通信号灯的控制

范文

汪利华

摘要；本文主要分析了单片机对交通信号灯的控制，首先阐述了交通信号灯的基本需求和时序设计，而后设计整体的硬件框架，以及软件系统的逻辑设计，从而实现单片机对交通信号等的控制。

关键词：单片机；交通信号灯；逻辑控制；7端数码管

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）07-0216-02

1概述

国民经济水平的不断提升，使得人们对于物质生活水平的要求越来越高，机动车辆已经成为了人们日常生活、工作的代步设备，成为了家庭中不可或缺的组成部分。机动车辆的增加，使得城市交通压力不断提成，尤其是在早晚高峰期在十字路口处，车辆来来往往、行人熙熙攘攘，这对为交通安全造成了一定的压力，如何有序的指导车辆来往成为交通安全的关键。交通信号灯又称为红绿灯，是世界上通用的交通指挥方式，按照红灯停、绿灯行、黄灯等的规则，指挥相应的车辆来来往往通行，从而保障了城市交通十字路口的车流人行的秩序。单片机是以微电子为核心技术的嵌入式系统组成部分，通过外围部件来辅助，通过人为的编程来实现单片机自动控制交通信号灯，从而有序地控制交通信号灯的依次亮灭，实现了单片机对红绿灯和时间显示器的自动有序控制，这对于保障交通有序通行来说具有非常重要的现实意义。

2交通信号灯的控制系统的设计

2.1交通信号灯的设计需求

在城市的十字路口设置交通信号灯，从而有效保障十字路口交通安全有序地通行，为我国城市交通安全提供安全保障，那么交通信号灯的亮灭顺序就需要按照一定的要求来设计。

针对交通信号灯的规则中，全国具有统一的安全规则认识，即红灯表示停止、绿灯表示通行、黄灯表示等待，同时为了缓解人们在等待红灯时的心理压力，或者在绿灯通行时时间不够而停在路中间造成的安全隐患，需要在灯色最后改变的10秒钟内以及黄灯亮起的3秒钟内进行秒数跳转显示，从而缓解司机和行人的心理压力，减少交通不安全隐患。

根据上述的基本需求，以十字路口为例来设计整个交通信号等的亮灭顺序，从而指挥不同方向的车辆与行人的安全通行。在十字路口的东西和南北干道上分别设计安装四套交通信号灯，每套由两组红绿灯加秒数显示器组成，其中一组指挥前行的车辆，另外一组指挥左行的车辆。由于右行有专门的右转通道，且具有不等待红绿灯的最高权限，所以不设定红绿灯指示系统，只设定一个常亮的安全指示灯即可。根据要求在红灯或者绿灯调换到黄灯之前的最后10秒钟，秒数显示器自动亮起计时10秒钟，来为司机提供时间指示，而黄灯亮起时，提供3秒钟的时间指示，直到秒数显示器的最后一秒钟，红绿灯切换，对应方向的司机通行或停止，从而消除安全隐患。另外，在主干道的两侧安装有8组人行红绿灯，按照同样的切换规则和秒数显示规则来进行展示。

假设前行的红灯、绿灯、黄灯分别为FR、FC、FY，左行的红灯、绿灯、黄灯分别为LR、LG、LY，人行的红灯、绿灯、黄灯分别为PR、PG、PY，那么十字路口的交通信号灯亮灭组合为表1所示。根据当前表1的内容来设计十字路口交通信号灯的亮灭顺序流程，即可来指挥相应的车辆和行人安全通过，从而有效保障城市交通的安全有效。

2.2交通信号灯控制系统的硬件结构设计

交通信号灯控制系统的设计，要实现红绿灯和秒数显示器的自动控制，为了考虑性价比和资源应用性，选用51系列的单片机作为整个控制系统的核心，其内部包含了两个可编程的定时器/计数器，分别为T0和T1，可以满足整个交通信号控制系统的计时。另外，51系列的单片机外部扩展接口相对比较少，为了满足整个交通信号控制系统的需求，使用多个锁存器和8255A扩展并行接口来提供额外的数据接口，从而实现交通信号灯和秒数显示器的显示控制。同时，为了增加人工控制的参与，提供了外部键盘输入接口，保障在突发情况下能够人为地控制交通信号灯的亮灭，从而为事故处理和紧急情况提供有效的控制。如图1所示，为基于51系列单片机的交通信号灯控制系统的硬件结构设计框图。

2.3控制芯片和外围芯片

在交通信号灯控制系统中，51单片机作为数据计算、信号读取和输出控制的核心，通过编程来实现相应的功能；锁存器采用74LS373芯片，能够将80C51单片机的通过端口输出的数据锁存，而后持续为对应的8255A扩展芯片提供稳定的数据。8255A并行扩展芯片能够在时间脉冲的驱动下，读取到74LS373锁存芯片的数据，而后将该数据传输到时间显示器和交通信号灯，从而控制秒数显示器的对应秒数的改变，控制交通信号灯的红绿灯的亮灭。键盘输入为整个控制系统的交互接口，外部控制人员能够通过键盘按下，将控制意愿传递给单片机，单盘机读取到相应的键盘数据后，就会将作出相应的操作，直到外部控制人员按下自动按钮之后才能跳转回自动控制程序，按照既定的时间和顺序进行有效控制。

2.4信号灯和秒数显示器

交通信号灯为常见的红绿灯，可以理解为不同颜色的发光二极管，在其电源驱动下能够进行发光发亮。在对红绿灯连接的方式上有两种，电源经电阻连接红绿灯，而后连入到8255A扩展芯片端口；第二种方式是8255A扩展芯片端口，经电阻连接红绿灯，而后接地。这两种方式都可以满足不同的需求，不同的是在具体实现时，前者需要给定一个低电平可以让红绿灯发亮，后者则需要给定高电平才能使红绿灯发亮。在具体的交通信号控制系统具体实现时，可以选择不同的红绿灯型号，来进行方案选择，是红绿灯电源供给处在最佳的状态。

秒数显示器为7段数码管，理论上我们可以理解为7个按照一定格局排列的二极管组，同样的，7端数码管对应的二极显示管可以采用接电源或者接地的方式进行连接，当连接电源时，在另一端给低电平即可使发亮；连接地时，在另外一端给定高电平即可使其发亮。7端数码管对应的二极管组合形成的对应数字最终可以对应一个8比特位的二进制数值，所以可以采用枚举的方法，写定10个8比特位的二进制数值，定时1，秒对7端数码管进行数据发送，从而形成秒数显示的效果。以接地方式为例，如果要显示0，则要7端数码管外围一圈的二极管发亮，中间一段二极管关闭，所以对应的二进制则为00111111，如果要显示7，则使最上的数码管和右侧的两个数码管显示，所以对应的二进制位00000111，最终得到了10个枚举的二进制数据，从0到9依次为00111111，00001110，01011011，01001111，01100110，01101101，01111101，00000111，01111111，01100111。

3单片机对交通信号灯的控制逻辑

3.1秒数显示子程序逻辑设计

秒数显示程序是一直被频繁调用，所以定义子函数，在主函数中直接调用即可，秒数显示子程序逻辑设计如下：

1）定义定义数组LightNumber，使其包含10个枚举二进制数值，顺序为从9到0；

2）定义循环次数为n次，i等于0；（n作为函数的参数，在主体中被定义）

3）进入循环体设定定位器/计时器为定时模式，初始化数据设定使其定时1s pLightNumber[i]，来让7段数码管显示；开启定时器；

4）i++；

5）重复到步骤c。

3.2交通信號灯控制系统主体逻辑设计

关于交通信号灯控制系统主体逻辑设计，主要是参照交通信号灯的基本需求和十字路口信号灯的变换顺序来设计整个程序主体，具体如下：

1）上电初始化

2）发送控制字，使东西干道绿灯发送低电平，其他红绿灯发送高电平

3）开启定时程序，定时50s；

4）调用秒数显示子程序，传递参数10；

5）发送控制字，使南北干道黄灯发送低电平，绿灯、红灯高电平；其他干道黄灯低电平，绿灯、红灯高电平；

6）调用秒数显示子程序，传递参数为3；

7）发送控制字，使东西干道绿灯发送低电平，黄、红灯高电平；其他干道黄、绿高电平，红灯低电平；

8）定时50s；

9）调用描述显示子程序，传递参数为10；

10）发送控制字，使东西干道黄灯发送高电平，绿灯、红灯低电平；其他干道黄灯低电平，绿灯、红灯高电平；

11）调用秒数显示子程序，传递参数为3；

12）从b步骤循环。

4总结

使用单片机来控制交通信号灯，从实际需求到硬件框架再到软件逻辑人手，通过硬件电路搭建、软件编程以及后期调试来实现整个系统，从而有序地指挥城市十字路口的交通，保障人们的出行安全。

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