【单片机交通灯控制系统设计与实现】：从原理到实战，打造智能交通系统

# 1. 单片机交通灯控制系统原理

单片机交通灯控制系统是一种利用单片机作为控制核心的电子控制系统，其原理是通过单片机对交通灯的红、黄、绿灯进行控制，从而实现对交通流量的管理。单片机交通灯控制系统具有响应速度快、控制精度高、稳定性好等优点，广泛应用于交通路口、停车场等场合。

单片机交通灯控制系统主要由单片机、外围电路、传感器等组成。单片机负责系统的控制和管理，外围电路为单片机提供必要的电源和信号转换，传感器用于检测交通流量和行人状态。系统通过传感器采集交通流量和行人状态信息，并将其传递给单片机。单片机根据采集到的信息，控制交通灯的红、黄、绿灯的亮灭，从而实现对交通流量的管理。

# 2. 单片机交通灯控制系统编程

### 2.1 单片机硬件平台介绍

#### 2.1.1 单片机型号及特性

单片机是交通灯控制系统的大脑，负责控制交通灯的开关和时间控制。本系统采用型号为 STM32F103C8T6 的单片机，其特性如下：

- 基于 ARM Cortex-M3 内核，主频高达 72MHz
- 64KB Flash 内存和 20KB SRAM
- 丰富的外围接口，包括 GPIO、定时器、ADC 和 USART
- 低功耗设计，适合嵌入式应用

#### 2.1.2 外围电路设计

为了满足交通灯控制系统的需求，需要设计外围电路，包括：

- 电源电路：为单片机和外围器件供电
- 控制电路：连接单片机和交通灯，实现控制功能
- 时钟电路：提供系统时钟信号

### 2.2 交通灯控制算法实现

#### 2.2.1 状态机设计

交通灯控制算法采用状态机设计，定义了三个状态：

- 红灯状态：红灯亮，其他灯灭
- 绿灯状态：绿灯亮，其他灯灭
- 黄灯状态：黄灯亮，其他灯灭

状态机根据传感器输入和时间控制逻辑在不同状态之间切换。

#### 2.2.2 时间控制逻辑

时间控制逻辑负责控制交通灯的亮灯时间。本系统采用定时器中断的方式实现时间控制，设置三个定时器：

- 红灯定时器：控制红灯的亮灯时间
- 绿灯定时器：控制绿灯的亮灯时间
- 黄灯定时器：控制黄灯的亮灯时间

定时器中断服务程序在定时器溢出时触发，更新当前状态并切换到下一个状态。

// 红灯定时器中断服务程序
void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (TIM2->SR & TIM_SR_UIF) {
        // 红灯超时，切换到绿灯状态
        TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;
        state = GREEN_LIGHT;
    }
}

// 绿灯定时器中断服务程序
void TIM3_IRQHandler(void) {
    if (TIM3->SR & TIM_SR_UIF) {
        // 绿灯超时，切换到黄灯状态
        TIM3->SR &= ~TIM_SR_UIF;
        state = YELLOW_LIGHT;
    }
}

// 黄灯定时器中断服务程序
void TIM4_IRQHandler(void) {
    if (TIM4->SR & TIM_SR_UIF) {
        // 黄灯超时，切换到红灯状态
        TIM4->SR &= ~TIM_SR_UIF;
        state = RED_LIGHT;
    }
}

# 3. 单片机交通灯控制系统硬件实现**

### 3.1 电路原理设计

#### 3.1.1 电源电路

交通灯控制系统需要稳定的电源供电，电源电路主要包括：

- **变压器：**将交流电降压至所需的电压等级。
- **整流器：**将交流电转换为直流电。
- **滤波器：**滤除整流后的直流电中的纹波。
- **稳压器：**将滤波后的直流电稳定在所需的电压值。

**代码块：**

# 电源电路原理图
import matplotlib.pyplot as plt

# 定义变压器参数
transformer_turns_primary = 220  # 初级线圈匝数
transformer_turns_secondary = 12  # 次级线圈匝数
transformer_ratio = transformer_turns_primary / transformer_turns_secondary

# 定义整流器参数
rectifier_type = "桥式整流"
rectifier_diodes = 4  # 整流二极管数量

# 定义滤波器参数
capacitor_value = 1000  # 电容值 (μF)
inductor_value = 10  # 电感值 (mH)

# 定义稳压器参数
regulator_type = "线性稳压器"
regulator_output_voltage = 5  # 输出电压 (V)

# 绘制电路原理图
fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 5))

# 绘制变压器
ax.plot([0, 1], [0, transformer_ratio], label="变压器")

# 绘制整流器
ax.plot([1, 2], [transformer_ratio, 0], label="整流器")

# 绘制滤波器
ax.plot([2, 3], [0, 0], label="滤波器")

# 绘制稳压器
ax.plot([3, 4], [0, regulator_output_voltage], label="稳压器")

# 添加标签和图例
ax.set_xlabel("时间 (s)")
ax.set_ylabel("电压 (V)")
ax.legend()

plt.show()

**逻辑分析：**

代码块展示了电源电路的原理图。变压器将交流电降压，整流器将交流电转换为直流电，滤波器滤除直流电中的纹波，稳压器将滤波后的直流电稳定在所需的电压值。

#### 3.1.2 控制电路

控制电路是交通灯控制系统的核心，主要包括：

- **单片机：**控制系统的核心，负责执行交通灯控制算法。
- **输入/输出接口：**与外部设备（如传感器、继电器）通信。
- **时钟电路：**为单片机提供稳定的时钟信号。

**代码块：**

// 控制电路原理图
#include <avr/io.h>

// 定义单片机型号
#define MCU_MODEL "ATmega328P"

// 定义输入/输出端口
#define INPUT_PORT PORTB
#define INPUT_PIN PINB
#define OUTPUT_PORT PORTD
#define OUTPUT_PIN PIND

// 定义时钟频率
#define CLOCK_FREQUENCY 16000000

// 初始化控制电路
void init_control_circuit() {
  // 设置输入/输出端口
  DDRB = 0x00;  // 输入端口
  DDRD = 0xFF;  // 输出端口

  // 初始化时钟
  CLKPR = (1 << CLKPCE);  // 允许更改时钟预分频器
  CLKPR = (0 << CLKPS3) | (0 << CLKPS2) | (0 << CLKPS1) | (0 << CLKPS0);  // 设置时钟预分频器为 1
}

**逻辑分析：**

代码块展示了控制电路的原理图和初始化代码。单片机负责执行交通灯控制算法，输入/输出接口与外部设备通信，时钟电路为单片机提供稳定的时钟信号。

### 3.2 PCB设计与制作

#### 3.2.1 PCB布局

PCB（印刷电路板）是交通灯控制系统硬件的核心，主要包括：

- **元器件布局：**确定元器件在PCB上的位置和方向。
- **走线设计：**规划PCB上的导线连接。
- **尺寸和形状：**确定PCB的尺寸和形状。

**代码块：**

# PCB布局原理图
import kicad_pcb

# 定义PCB尺寸和形状
pcb = kicad_pcb.new_board("traffic_light_controller")
pcb.add_edge_cuts(kicad_pcb.EdgeCuts(x1=0, y1=0, x2=100, y2=100))

# 定义元器件布局
pcb.add_footprint("U1", "SOT-23", pos=(10, 10), rot=0)  # 单片机
pcb.add_footprint("R1", "0805", pos=(20, 20), rot=0)  # 电阻
pcb.add_footprint("C1", "0805", pos=(30, 30), rot=0)  # 电容

# 定义走线设计
pcb.add_track("net1", (10, 10), (20, 20))  # 连接单片机和电阻
pcb.add_track("net2", (20, 20), (30, 30))  # 连接电阻和电容

# 保存PCB文件
pcb.save("traffic_light_controller.kicad_pcb")

**逻辑分析：**

代码块展示了PCB布局的原理图。PCB尺寸和形状由`add_edge_cuts()`函数定义，元器件布局由`add_footprint()`函数定义，走线设计由`add_track()`函数定义。

#### 3.2.2 元器件焊接

元器件焊接是PCB制作的最后一步，主要包括：

- **元器件放置：**将元器件放置在PCB上的指定位置。
- **焊接：**使用烙铁将元器件焊接到PCB上。
- **检查：**检查焊接质量，确保所有元器件都已正确焊接。

**代码块：**

# 元器件焊接流程图
import mermaid

# 定义流程图
flowchart = """
graph LR
subgraph 元器件放置
    A[元器件放置] --> B[检查放置]
end
subgraph 焊接
    B[检查放置] --> C[焊接]
end
subgraph 检查
    C[焊接] --> D[检查焊接]
end
D[检查焊接] --> A[元器件放置]

# 生成流程图
mermaid.mermaidAPI.render('flowchart', flowchart, 'graph')

**逻辑分析：**

代码块展示了元器件焊接的流程图。流程图包括三个子流程：元器件放置、焊接和检查。元器件放置后需要检查放置是否正确，焊接后需要检查焊接质量，检查通过后继续进行下一个元器件的放置。

# 4. 单片机交通灯控制系统软件实现**

**4.1 嵌入式C语言编程**

**4.1.1 变量和数据类型**

嵌入式C语言中，变量用于存储数据，其类型决定了变量可以存储的数据类型。常见的变量类型包括：

| 数据类型 | 说明 |
|---|---|
| int | 整数 |
| float | 浮点数 |
| char | 字符 |
| double | 双精度浮点数 |
| bool | 布尔值 |

**4.1.2 函数和流程控制**

函数是代码的模块化单元，用于执行特定任务。流程控制语句用于控制程序执行的顺序，包括：

| 语句 | 说明 |
|---|---|
| if-else | 条件判断 |
| for | 循环 |
| while | 循环 |
| switch | 多路选择 |

**4.2 交通灯控制程序编写**

**4.2.1 主函数结构**

主函数是程序的入口点，其结构如下：

int main(void) {
  // 初始化变量
  // 配置硬件
  // 进入主循环
  while (1) {
    // 检测传感器输入
    // 根据状态机更新状态
    // 输出控制信号
  }
  return 0;
}

**4.2.2 状态机实现**

交通灯控制使用状态机实现，状态机定义了系统在不同状态下的行为。

| 状态 | 动作 |
|---|---|
| 红灯 | 亮红灯 |
| 黄灯 | 亮黄灯 |
| 绿灯 | 亮绿灯 |

状态机的转换逻辑如下：

switch (state) {
  case RED:
    if (timer_expired) {
      state = YELLOW;
    }
    break;
  case YELLOW:
    if (timer_expired) {
      state = GREEN;
    }
    break;
  case GREEN:
    if (timer_expired) {
      state = RED;
    }
    break;
}

**代码逻辑分析：**

该代码块实现了状态机的转换逻辑。它根据当前状态和计时器是否到期来更新状态。如果计时器到期，则根据当前状态转换到下一个状态。

# 5. 单片机交通灯控制系统测试与应用

### 5.1 测试方法与注意事项

#### 5.1.1 功能测试

* **测试步骤：**
* 检查电源连接是否正常。
* 上电后，观察交通灯是否正常亮起。
* 按下按钮，观察交通灯是否按照预设状态切换。
* 连续按下按钮，观察交通灯是否按照预设时间循环切换。
* **注意事项：**
* 测试时应使用稳定的电源。
* 按钮按下时应保持一定时间，避免误触发。
* 测试过程中应观察交通灯的亮灭情况，确保其与预设状态一致。

#### 5.1.2 性能测试

* **测试指标：**
* 响应时间：按钮按下到交通灯切换的时间。
* 循环时间：交通灯一个完整循环所需的时间。
* **测试方法：**
* 使用示波器或逻辑分析仪测量响应时间和循环时间。
* 记录多次测试结果，计算平均值和标准差。
* **注意事项：**
* 测试环境应保持稳定，避免外界干扰。
* 测试次数应足够多，以确保结果的可靠性。
* 测试结果应与设计要求进行对比，确保系统性能满足要求。

### 5.2 交通灯控制系统应用场景

#### 5.2.1 交通路口控制

* **应用场景：**
* 城市道路交叉路口
* 停车场出入口
* **优点：**
* 自动化控制，无需人工干预。
* 提高交通效率，减少拥堵。
* 增强交通安全，降低事故率。

#### 5.2.2 停车场管理

* **应用场景：**
* 商场、办公楼、医院等停车场
* **优点：**
* 自动控制车辆进出，提高停车场管理效率。
* 引导车辆停放，优化停车位利用率。
* 防止车辆乱停乱放，保障停车场秩序。