单片机交通灯控制系统：从零到一实战指南，快速掌握系统开发

# 1. 单片机交通灯控制系统概述**

单片机交通灯控制系统是一种基于单片机的嵌入式控制系统，用于控制交通信号灯的运行。它由单片机、外围电路和软件组成，能够根据预设的控制逻辑自动控制交通灯的亮灭顺序，实现交通信号的协调管理。

交通灯控制系统在现代交通管理中发挥着至关重要的作用。它可以提高交通效率，减少拥堵，保障行人和车辆的安全。单片机交通灯控制系统具有成本低、可靠性高、可扩展性强的特点，广泛应用于城市道路、十字路口和高速公路等场景。

# 2. 单片机交通灯控制系统硬件设计

### 2.1 单片机选型与系统架构

**2.1.1 单片机性能要求分析**

交通灯控制系统对单片机的性能要求主要包括：

- **处理能力：**系统需要实时处理交通信号的转换，因此单片机需要具备较强的处理能力。
- **I/O口数量：**系统需要控制多个交通灯，因此单片机需要提供足够的I/O口。
- **定时器功能：**系统需要精确控制交通信号的转换时间，因此单片机需要提供定时器功能。
- **低功耗：**系统长期运行，因此单片机需要具备低功耗特性。

**2.1.2 系统架构设计**

单片机交通灯控制系统采用以下系统架构：

graph LR
subgraph 单片机
    MCU[单片机]
end
subgraph 外围电路
    LED[交通灯]
    BTN[按键]
end
MCU --> LED
MCU --> BTN

- **单片机：**负责系统的控制和处理。
- **交通灯：**由单片机控制，用于显示交通信号。
- **按键：**用于人工干预交通信号的转换。

### 2.2 外围电路设计

**2.2.1 交通灯驱动电路**

交通灯驱动电路负责为交通灯提供驱动电流，使其能够正常亮起。常用的交通灯驱动电路有：

- **三极管驱动电路：**使用三极管作为开关，控制交通灯的亮灭。
- **MOSFET驱动电路：**使用MOSFET作为开关，具有更低的导通电阻，提高效率。

**2.2.2 按键输入电路**

按键输入电路负责检测按键的按下状态，并将其转换为电信号输入单片机。常用的按键输入电路有：

- **上拉电阻输入电路：**使用上拉电阻将按键连接到电源，按键按下时接地，单片机检测到低电平信号。
- **下拉电阻输入电路：**使用下拉电阻将按键连接到地，按键按下时接通电源，单片机检测到高电平信号。

### 2.3 PCB设计与制作

**2.3.1 PCB设计原则**

PCB设计时应遵循以下原则：

- **合理布局：**元器件布局应紧凑合理，便于布线和焊接。
- **电源布线：**电源线应粗壮，并使用铜箔加宽，以降低电阻和压降。
- **地线布线：**地线应连接到所有元器件的地端，并使用铜箔加宽，以降低阻抗和噪声。
- **信号布线：**信号线应尽量短而直，避免交叉和并行，以减少电磁干扰。

**2.3.2 PCB制作工艺**

PCB制作工艺包括以下步骤：

- **设计：**使用PCB设计软件设计PCB布局。
- **制版：**将PCB设计文件转为光刻胶片。
- **曝光：**将光刻胶片贴合在铜箔板上，并通过紫外线曝光。
- **显影：**将曝光后的铜箔板放入显影液中，未曝光的部分被腐蚀掉。
- **蚀刻：**将显影后的铜箔板放入蚀刻液中，进一步腐蚀掉剩余的铜箔。
- **钻孔：**在PCB板上钻出元器件安装孔。
- **组装：**将元器件焊接在PCB板上。

# 3. 单片机交通灯控制系统软件设计

### 3.1 系统初始化与配置

#### 3.1.1 单片机时钟配置

单片机时钟配置是软件设计的关键步骤，它决定了单片机的运行速度和系统性能。在交通灯控制系统中，时钟配置主要涉及以下内容：

- **时钟源选择：**系统时钟源可以是内部时钟（如内部RC振荡器）或外部时钟（如晶体振荡器）。内部时钟精度较低，但功耗较小；外部时钟精度较高，但功耗较大。根据系统要求，选择合适的时钟源。
- **时钟频率设置：**时钟频率决定了单片机指令执行的速度。交通灯控制系统中，时钟频率一般设置为1MHz或更高，以满足系统实时性要求。
- **时钟分频：**时钟分频可以降低系统时钟频率，从而降低功耗。在交通灯控制系统中，可以根据需要对时钟进行分频。

**代码块：**

// 时钟配置函数
void clock_init(void)
{
    // 选择时钟源为内部RC振荡器
    CLK->CKDIVR = 0x00;
    // 设置时钟频率为1MHz
    CLK->CKDIVR |= (1 << 0);
}

**逻辑分析：**

该代码块实现了单片机的时钟配置。首先，将时钟源选择为内部RC振荡器，然后将时钟频率设置为1MHz。

#### 3.1.2 I/O口配置

I/O口配置是单片机与外围设备通信的基础。在交通灯控制系统中，需要配置I/O口用于控制交通灯和读取按键输入。

- **I/O口方向设置：**I/O口可以配置为输入口或输出口。交通灯控制系统中，用于控制交通灯的I/O口配置为输出口，用于读取按键输入的I/O口配置为输入口。
- **I/O口电平设置：**I/O口电平可以配置为高电平或低电平。交通灯控制系统中，用于控制交通灯的I/O口电平配置为高电平时输出高电平，低电平时输出低电平。

**代码块：**

// I/O口配置函数
void io_init(void)
{
    // 设置交通灯控制I/O口为输出口
    GPIOA->DDR |= (1 << 0);
    GPIOA->DDR |= (1 << 1);
    GPIOA->DDR |= (1 << 2);
    /