基于proteus 和keil 軟件聯(lián)合仿真的紅綠燈系統(tǒng)

倪聞博

（陜西省西咸新區(qū)秦漢中學(xué)，陜西西安，712000）

紅綠燈在我們的日常生活中扮演著十分重要的角色，在大霧等低能見度天氣條件下，行人和駕駛?cè)藛T的視線會受到更大的影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致交通事故的發(fā)生?，F(xiàn)在使用范圍較廣的是單一的指示燈進(jìn)行視覺提醒，本設(shè)計(jì)在以往常規(guī)的紅綠燈基礎(chǔ)上加入預(yù)警裝置，可以進(jìn)一步保證惡劣天氣下的交通安全，降低安全隱患。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過AT89C51 單片機(jī)驅(qū)動和控制系統(tǒng)中紅黃綠燈的交錯顯示，設(shè)計(jì)的總體框架如圖1 所示。該系統(tǒng)主要由單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、LED 燈和蜂鳴器等幾部分構(gòu)成，其中，單片機(jī)、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路構(gòu)成了單片機(jī)的最小系統(tǒng)，而系統(tǒng)中使用的AT89C51 單片機(jī)包含了32個IO 口，可用于控制十字路口兩組紅黃綠燈的交錯點(diǎn)亮和蜂鳴器的發(fā)聲。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 附有蜂鳴器紅綠燈系統(tǒng)硬件組成框圖

單片機(jī)最小系統(tǒng)包含復(fù)位電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路和電源。復(fù)位電路一般分為上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種，本裝置采用的復(fù)合復(fù)位是將這兩種方式結(jié)合在一起的做法，本設(shè)計(jì)采用的復(fù)位電路具體如圖2[1]所示。復(fù)位電路的功能主要是：可以使CPU 及其它部件在開機(jī)時(shí)恢復(fù)到一個預(yù)設(shè)的初始狀態(tài)，同時(shí)復(fù)位電路還可以在單片機(jī)死機(jī)時(shí)重新開始恢復(fù)正常工作。該設(shè)計(jì)所采用的復(fù)合復(fù)位其具體的工作原理是：通過將開關(guān)與復(fù)位電容并聯(lián)，通過控制開關(guān)是否按下，從而使電容充放電為RST 引腳提供需要的復(fù)位電平值。

單片機(jī)的時(shí)鐘電路的目的是統(tǒng)一地控制單片機(jī)的微操作，為單片機(jī)提供基本的工作時(shí)鐘。單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方式分為內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式，本設(shè)計(jì)采用了單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘方式，具體是通過一個12MHz 的晶體振蕩器和兩個33pF 的電容來實(shí)現(xiàn)，具體連接方式如圖3 所示。

圖2 復(fù)位電路連接方式

圖3 時(shí)鐘電路連接方式

任何一個完整的系統(tǒng)，都必須有一個穩(wěn)定的供電模塊，即電源模塊，這是系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提。此外，本設(shè)計(jì)中采用的51 系列的單片機(jī)相比其他系列的單片機(jī)而言，更容易出現(xiàn)由于受到外部干擾而單片機(jī)內(nèi)部程序跑飛的問題。因此，為解決這一問題，需要給本設(shè)計(jì)配備一個穩(wěn)定的供電模塊，最終采用通過USB 接口來提供穩(wěn)定的電源電壓。

此外，本設(shè)計(jì)還采用了蜂鳴器來作為發(fā)聲裝置。蜂鳴器通常包含有源蜂鳴器和無源蜂鳴器兩種，其中，有源蜂鳴器內(nèi)部帶有可以發(fā)聲的振蕩器，即只要在有源蜂鳴器的兩端分別接上高低電平，蜂鳴器就會發(fā)出聲音；而無源蜂鳴器則需提供交變的信號才能實(shí)現(xiàn)發(fā)聲的功能。因此，本設(shè)計(jì)為簡化后續(xù)的程序設(shè)計(jì)采用有源蜂鳴器實(shí)現(xiàn)，具體連接方式如圖4所示。設(shè)計(jì)中，此裝置連通單片機(jī)后可以在紅燈亮起時(shí)發(fā)出警報(bào)來提醒行人。

具體地，本設(shè)計(jì)采用的發(fā)聲系統(tǒng)包括三極管、分壓電阻和蜂鳴器構(gòu)成，并由單片機(jī)的P1.6 引腳來控制三極管的導(dǎo)通和截止，三極管的一端通過上拉電阻R15 接高電平，三極管的另一端控制蜂鳴器發(fā)聲。工作時(shí)，當(dāng)單片機(jī)的P1.6引腳輸出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器兩端分別連接高低電平，蜂鳴器發(fā)聲。同樣地，當(dāng)單片機(jī)的P1.6 引腳輸出低電平時(shí)，三極管斷開，蜂鳴器的一端未通過上拉電阻接高電平，蜂鳴器不發(fā)聲。

圖4 發(fā)聲系統(tǒng)連接方式

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 proteus 和keil 聯(lián)合仿真

Proteus 軟件是英國Labcenter electronics 公司開發(fā)的目前世界上最先進(jìn)、最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺軟件，該軟件可以在windows 系統(tǒng)上正常運(yùn)行，主要用于模擬器件和集成電路的仿真與分析。同時(shí)，該軟件還包含了信號發(fā)生器、虛擬示波器等硬件開發(fā)工具[2]。它支持許多主流的單片機(jī)的調(diào)試和仿真，例如本文的AT89C51 單片機(jī)，因此，受到了國內(nèi)許多單片機(jī)愛好者、教師和科技工作者的青睞。

Keil 是德國的一個單片機(jī)開發(fā)平臺，運(yùn)行基礎(chǔ)可以是32 位windows 環(huán)境，支持C 語言，它的強(qiáng)大的軟件仿真功能使得它受到許多片機(jī)愛好者、教師和科技工作者的喜愛。目前，keil 公司推出的C51 編譯器已經(jīng)被完全集成到一個功能強(qiáng)大的全新集成開發(fā)環(huán)境中，具體包括項(xiàng)目管理、連接定位、項(xiàng)目管理等，并且可以與proteus 原理圖進(jìn)行聯(lián)機(jī)仿真，為單片機(jī)的開發(fā)帶來極大方便[3]。

Proteus 和keil 軟件可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合編程，在keil 軟件上編寫源程序，在proteus 軟件上進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)，再將keil 中的源程序加載到proteus 的單片機(jī)上，就可以在proteus 中進(jìn)行仿真。

圖5 是本設(shè)計(jì)最終采用的proteus 原理圖，本系統(tǒng)使用了紅色、綠色和黃色的LED 燈、蜂鳴器、三極管以及電容等元器件。

圖5 proteus 設(shè)計(jì)圖

2.2 程序設(shè)計(jì)

圖6

本程序的設(shè)計(jì)思想是：首先，東西方向綠燈亮，南北方向的紅燈亮，并伴隨蜂鳴器發(fā)聲提醒，蜂鳴器發(fā)聲十次；然后，東西方向綠燈變成黃燈，黃燈閃爍十次，南北方向依然是紅燈亮；接著，東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮；最后，東西方向紅燈亮，南北方向黃燈閃爍十次，并伴隨蜂鳴器發(fā)聲提醒，并依次循環(huán)。上述更換過程中，每次綠燈與紅燈轉(zhuǎn)換之間都會有黃燈閃爍十次，而在每次黃燈變成紅燈時(shí)，蜂鳴器都會發(fā)出聲音提醒行人。

根據(jù)上述思想編寫的程序如下：

上述設(shè)計(jì)具體的執(zhí)行過程為：首先，根據(jù)設(shè)計(jì)思想，先編寫源程序，并在keil 軟件中存儲為.c 文件；將源程序書寫完畢后，點(diǎn)擊keil 軟件中的translate 按鈕編譯源程序，編譯信息顯示程序沒有錯誤，如圖7 所示[4]。接著，在Keil軟件內(nèi)，最終會生成一個.hex 文件，將這個生成的.hex可執(zhí)行文件加載到proteus 軟件中的單片機(jī)內(nèi)，并且點(diǎn)擊proteus 軟件中的運(yùn)行按鈕，便能觀測設(shè)計(jì)系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

圖7 程序編譯圖

3 運(yùn)行結(jié)果

3.1 東西向通行運(yùn)行結(jié)果顯示

附有蜂鳴器紅綠燈系統(tǒng)的東西向通行仿真效果如圖8所示。圖中，東西向?yàn)榫G燈，南北向?yàn)榧t燈，此時(shí)蜂鳴器發(fā)聲系統(tǒng)接高電平，蜂鳴器發(fā)聲。

3.2 東西向黃燈閃爍運(yùn)行結(jié)果顯示

附有蜂鳴器紅綠燈系統(tǒng)的東西向黃燈閃爍運(yùn)行效果如圖9 所示，圖中，東西向黃燈閃爍，南北向紅燈點(diǎn)亮，此時(shí)蜂鳴器發(fā)聲系統(tǒng)未接高電平，蜂鳴器不發(fā)聲。

圖8 東西向通行模擬效果圖

圖9 東西向黃燈慢行模擬效果圖

3.3 南北向通行運(yùn)行結(jié)果顯示

附有蜂鳴器紅綠燈系統(tǒng)南北向通行模擬效果如圖10 所示。圖中，南北向綠燈點(diǎn)亮，東西向紅燈點(diǎn)亮，此時(shí)蜂鳴器發(fā)聲系統(tǒng)接高電平，蜂鳴器發(fā)聲。

圖10 南北向通行模擬效果圖

4 總結(jié)

本文使用proteus 軟件設(shè)計(jì)了使用AT89C51 作為控制的核心的紅綠燈系統(tǒng)，并且利用keil 軟件使用C 語言進(jìn)行源代碼的編程，最后將其生成的.hex 文件加載到單片機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了proteus 與keil 的聯(lián)合編程。再利用proteus 仿真成功，證明本設(shè)計(jì)是合理可行的。本設(shè)計(jì)具有性價(jià)比高、功能可靠、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，對比傳統(tǒng)的紅綠燈多出了蜂鳴器，提高了行人在大霧天氣或者霧霾天氣駕車的安全系數(shù)。