交通灯单片机程序设计：面向对象编程的实践，提升代码可读性和可扩展性

# 1. 交通灯单片机系统概述**

交通灯单片机系统是一种基于单片机的交通灯控制系统，它通过单片机对交通灯进行控制，实现交通灯的自动运行。单片机系统具有体积小、功耗低、成本低、可靠性高的优点，非常适合交通灯控制的应用。

交通灯单片机系统主要由单片机、交通灯、传感器和电源等部件组成。单片机是系统的核心，负责控制交通灯的运行。交通灯是系统的外围设备，负责显示交通信号。传感器用于检测车辆的存在，并向单片机发送信号。电源为系统提供所需的电能。

交通灯单片机系统的工作原理如下：当车辆检测到车辆时，它会向单片机发送信号。单片机根据信号判断当前的交通状况，并控制交通灯显示相应的信号。交通灯显示信号后，车辆可以根据信号通行或停止。

# 2. 面向对象编程在交通灯程序设计中的应用

面向对象编程（OOP）是一种软件设计范式，它将程序组织成对象，每个对象包含数据（属性）和操作（方法）。OOP 提供了代码重用、可维护性和可扩展性的优势。

### 2.1 面向对象编程的基本概念

#### 2.1.1 类和对象

类是对象的蓝图，它定义了对象的属性和方法。对象是类的实例，它具有类的属性和方法。例如，我们可以定义一个 `TrafficLight` 类，它具有 `color`（颜色）和 `duration`（持续时间）属性，以及 `changeColor`（更改颜色）和 `getDuration`（获取持续时间）方法。

class TrafficLight:
    def __init__(self, color, duration):
        self.color = color
        self.duration = duration

    def changeColor(self, new_color):
        self.color = new_color

    def getDuration(self):
        return self.duration

#### 2.1.2 继承和多态

继承允许一个类（子类）从另一个类（父类）继承属性和方法。多态允许子类对象以不同的方式响应相同的方法调用。例如，我们可以创建一个 `RedLight` 子类，它继承自 `TrafficLight` 类，并具有特定的 `color` 和 `duration` 值。

class RedLight(TrafficLight):
    def __init__(self):
        super().__init__("red", 10)

### 2.2 交通灯单片机程序的面向对象设计

#### 2.2.1 交通灯状态类

我们可以定义一个 `TrafficLightState` 类来表示交通灯的不同状态（红灯、绿灯、黄灯）。该类包含一个 `state` 属性，表示当前状态，以及一个 `changeState` 方法，用于更改状态。

class TrafficLightState:
    def __init__(self, state):
        self.state = state

    def changeState(self, new_state):
        self.state = new_state

#### 2.2.2 交通灯控制器类

`TrafficLightController` 类负责管理交通灯的状态和时间。它包含一个 `current_state` 属性，表示当前状态，以及一个 `run` 方法，用于控制交通灯的循环。

class TrafficLightController:
    def __init__(self, red_duration, yellow_duration, green_duration):
        self.red_duration = red_duration
        self.yellow_duration = yellow_duration
        self.green_duration = green_duration
        self.current_state = RedLightState()

    def run(self):
        while True:
            self.current_state.changeState(self.next_state())
            time.sleep(self.current_state.getDuration())

通过使用面向对象编程，我们可以创建可重用、可维护和可扩展的交通灯单片机程序。

# 3. 交通灯单片机程序的实现

### 3.1 程序框架搭建

#### 3.1.1 系统初始化

void SystemInit() {
    // 初始化单片机系统时钟
    SystemClock_Config();

    // 初始化 GPIO 口
    GPIO_Init();

    // 初始化定时器
    TIM_Init();

    // 初始化中断
    NVIC_Init();
}

**代码逻辑逐行解读：**

1. `SystemClock_Config()`：初始化单片机系统时钟，确保单片机以稳定的时钟频率运行。
2. `GPIO_Init()`：初始化 GPIO 口，配置 GPIO 口的输入输出模式和中断功能。
3. `TIM_Init()`：初始化定时器，用于产生周期性中断，控制交通灯状态切换。
4. `NVIC_Init()`：初始化中断向量表，配置中断优先级和使能中断。

#### 3.1.2 主循环

int main() {
    // 系统初始化
    SystemInit();

    // 进入主循环
    while (1) {
        // 处理交通灯状态管理
        TrafficLight_StateManagement();
    }
}

**代码逻辑逐行解读：**

1. `SystemInit()`：调用系统初始化函数，初始化单片机系统。
2. `TrafficLight_StateManagement()`：调用交通灯状态管理函数，处理交通灯状态切换。

### 3.2 交通灯状态管理

#### 3.2.1 红灯状态

`