使用单片机实现交通信号灯控制系统是一个经典的嵌入式系统应用。这个项目可以帮助你理解如何通过单片机控制不同颜色的LED灯、处理时间控制、以及输入输出的基本操作。通过这个项目，你将掌握如何设计交通信号灯的时序控制、如何实现定时控制交通灯的切换、以及如何与外部设备（如LED、按键等）交互。
1. 项目概述
交通信号灯控制系统的主要功能是根据预设的时序，自动切换红绿灯，并可以加入一些额外的功能（例如按钮触发、故障检测等）。通常的交通信号灯有三种颜色：红灯、绿灯、黄灯。常见的工作模式是：
- 红灯：车辆停。
- 绿灯：车辆行驶。
- 黄灯：警告灯，指示红灯即将亮起，提醒车辆准备停车。
2. 硬件需求
- 单片机：我们使用8051单片机作为控制器，可以选择其他单片机如STM32、AVR等。
- LED：红、绿、黄三种LED灯，用来表示交通信号灯的不同状态。
- 按键（可选）：如果需要实现交通信号灯控制按钮或者测试功能，可以增加按键输入。
- 电源：为单片机和LED灯提供电源。
- 电阻、连接线等：用于连接单片机和LED。
3. 硬件连接
- LED连接：将红、绿、黄三个LED连接到单片机的不同I/O端口。假设我们使用P1口来控制LED灯。
- 按键连接（可选）：可以通过按键来手动控制交通灯的切换，假设按键连接到P3口。
3.1 硬件连接示意
| LED颜色 | 单片机端口 | 连接方式 |
|---|---|---|
| 红灯 | P1.0 | 控制红灯亮灭 |
| 绿灯 | P1.1 | 控制绿灯亮灭 |
| 黄灯 | P1.2 | 控制黄灯亮灭 |
4. 程序设计
为了实现交通信号灯的控制，我们可以使用定时器来生成切换的时间间隔。交通信号灯的时序控制通常是：
- 红灯：持续一定时间，例如30秒。
- 绿灯：持续一定时间，例如30秒。
- 黄灯：持续一定时间，例如5秒。
我们需要通过定时器来实现时间控制，并通过I/O端口控制LED的亮灭。
4.1 定时器配置
使用8051的定时器来实现时间控制，每个交通灯颜色的持续时间将由定时器中断触发。在定时器溢出时，会切换交通灯的状态。
4.2 控制逻辑
- 初始状态为红灯亮，绿灯和黄灯熄灭。
- 红灯亮一定时间后，切换为绿灯亮。
- 绿灯亮一定时间后，切换为黄灯亮。
- 黄灯亮一定时间后，切换回红灯。
4.3 程序代码
#include <reg51.h> // 包含8051单片机的寄存器定义#define RED_LIGHT P1_0 // 红灯连接到P1.0
#define GREEN_LIGHT P1_1 // 绿灯连接到P1.1
#define YELLOW_LIGHT P1_2 // 黄灯连接到P1.2unsigned char timer_count = 0; // 用于定时器计数// 定时器0中断服务程序
void timer0_ISR() interrupt 1 {timer_count++; // 每次定时器溢出增加计数if (timer_count >= 100) { // 每100次中断，计时1秒timer_count = 0;// 控制交通灯的时序if (RED_LIGHT == 1) {RED_LIGHT = 0; // 关闭红灯GREEN_LIGHT = 1; // 打开绿灯}else if (GREEN_LIGHT == 1) {GREEN_LIGHT = 0; // 关闭绿灯YELLOW_LIGHT = 1; // 打开黄灯}else if (YELLOW_LIGHT == 1) {YELLOW_LIGHT = 0; // 关闭黄灯RED_LIGHT = 1; // 打开红灯}}// 清除定时器0中断标志TH0 = 0x3C; // 设置定时器初值TL0 = 0xB0;
}// 初始化定时器
void timer_init() {TMOD = 0x01; // 配置定时器0为模式1（16位计数）TH0 = 0x3C; // 设置定时器初值TL0 = 0xB0; IE = 0x82; // 开启定时器中断TR0 = 1; // 启动定时器0
}// 初始化交通灯
void init_traffic_lights() {RED_LIGHT = 1; // 红灯初始状态为亮GREEN_LIGHT = 0; // 绿灯初始状态为灭YELLOW_LIGHT = 0; // 黄灯初始状态为灭
}// 延时函数
void delay(unsigned int time) {unsigned int i, j;for(i = 0; i < time; i++) {for(j = 0; j < 1275; j++) {// 空循环实现延时}}
}void main() {init_traffic_lights(); // 初始化交通灯状态timer_init(); // 初始化定时器while(1) {// 主循环为空，所有控制由定时器中断自动处理// 可添加其他功能，如故障检测、手动控制等}
}
5. 程序说明
5.1 定时器中断
我们使用定时器0来生成周期性的中断。每次定时器中断时，我们通过timer_count计数，计时1秒钟。当timer_count达到100时（即1秒钟），就切换交通灯的状态。
5.2 交通灯时序
在timer0_ISR函数中，我们根据当前的灯的状态来切换到下一个灯的状态：
- 如果当前是红灯（
RED_LIGHT == 1），则将红灯熄灭，绿灯点亮； - 如果当前是绿灯（
GREEN_LIGHT == 1），则将绿灯熄灭，黄灯点亮； - 如果当前是黄灯（
YELLOW_LIGHT == 1），则将黄灯熄灭，红灯点亮。
5.3 初始化与延时
在main函数中，首先初始化交通灯的状态，红灯亮，绿灯和黄灯熄灭。定时器初始化后，进入主循环，所有的操作都由定时器中断自动控制。
5.4 扩展功能
- 手动控制：可以增加按键来手动控制交通信号灯的切换，例如通过按键切换到绿灯或红灯状态。
- 计时显示：可以使用LCD显示当前交通灯的状态和计时器的时间。
- 故障检测：可以增加故障检测功能，例如如果某个LED灯损坏，自动报警或切换为备用模式。
6. 总结
通过实现交通信号灯控制系统，我们学习了如何使用8051单片机控制外设（LED灯），如何使用定时器进行定时控制，以及如何处理中断。此外，项目还可以进一步扩展，例如加入按键控制、故障检测等，来实现更复杂的交通灯控制系统。
这个项目不仅帮助你掌握了单片机基本的输入输出控制，还加深了对定时器、时序控制以及中断处理等概念的理解。
