基于单片机的点阵显示屏交通灯控制系统设计

1. 系统总体概述

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1.1 设计背景

随着城市化进程的不断加快，交通压力日益增大，交通信号灯作为道路交通控制系统中最基础、最关键的组成部分，其运行方式直接影响道路通行效率与交通安全。传统交通灯系统结构固定、灵活性不足，不利于教学实验、方案验证以及小型智能交通控制研究。因此，基于单片机设计一种结构清晰、功能完善、易于扩展的点阵显示屏交通灯控制系统，具有较强的实际意义和教学价值。

本系统通过单片机作为核心控制单元，利用点阵显示屏模拟红、黄、绿三种交通信号灯状态，结合按键设置功能和LCD1602倒计时显示功能，实现一个完整的交通灯控制模型。系统既可用于交通控制原理的学习，也可作为嵌入式系统综合应用的典型实例。

1.2 设计目标

系统设计的主要目标包括以下几个方面：

第一，实现交通灯红、黄、绿状态的直观显示，使用点阵显示屏进行颜色和图案模拟，使信号变化清晰可见。

第二，通过按键实现交通灯时间周期的灵活设置，使系统能够适应不同交通流量和路况需求。

第三，利用LCD1602液晶显示屏实时显示当前交通灯的倒计时信息，为行人和驾驶员提供明确的时间提示。

第四，系统结构模块化、程序层次清晰，便于维护和功能扩展。

1.3 系统总体结构

系统主要由单片机最小系统、点阵显示模块、LCD1602显示模块、按键输入模块、电源管理模块等部分组成。单片机负责协调各模块的工作，通过程序控制实现交通灯状态切换、时间计数与数据显示等功能，各模块在硬件和软件层面紧密配合，构成完整的交通灯控制系统。

2. 系统功能设计

2.1 交通灯状态模拟功能

系统采用点阵显示屏对交通灯红、黄、绿三种状态进行模拟显示。通过在点阵屏上点亮不同位置的LED点阵，形成对应颜色和图案，从而直观表示当前交通信号状态。相比传统单个LED灯的显示方式，点阵显示屏具有显示灵活、表现形式丰富的优点，能够更生动地展示交通灯工作过程。

2.2 时间周期可设置功能

为了满足不同路况对信号灯周期的需求，系统引入按键设置功能。用户可通过按键对红灯、绿灯以及黄灯的持续时间进行调整。单片机在接收到按键信号后，对对应时间参数进行修改，并在后续的信号灯控制过程中按照新的参数运行，从而实现交通灯周期的灵活配置。

2.3 倒计时显示功能

系统配备LCD1602显示屏，用于实时显示当前交通灯状态下的剩余时间。倒计时功能使行人和司机能够直观了解信号变化时间，有助于提前做出通行或等待的判断，提高交通通行效率和安全性。显示内容通常包括当前信号灯类型以及对应的剩余秒数。

2.4 系统运行稳定性

系统在程序设计中采用定时器和状态机相结合的方式，确保交通灯状态切换准确、时间控制稳定。同时，通过按键消抖、显示刷新控制等措施，提高系统在实际运行中的可靠性和抗干扰能力。

3. 系统电路设计

3.1 单片机最小系统模块

单片机最小系统是整个交通灯控制系统的核心。该模块主要由单片机芯片、时钟电路和复位电路组成。

时钟电路通常采用外部晶振与电容组成，为单片机提供稳定的系统时钟信号，确保定时计数和程序执行的准确性。复位电路用于在系统上电或异常情况下对单片机进行复位，使系统能够从初始状态稳定运行。

3.2 点阵显示模块

点阵显示模块用于模拟交通灯红、黄、绿状态。该模块由点阵LED显示屏及其驱动电路组成。

点阵显示屏通过行列扫描方式工作，单片机根据当前交通灯状态输出相应的控制信号，驱动点阵屏显示不同的图案或颜色。为了减少单片机IO口占用，通常会采用行列复用或外接驱动芯片的方式，提高系统资源利用率。

3.3 LCD1602显示模块

LCD1602模块用于显示交通灯倒计时信息。该模块具有显示清晰、功耗低、接口简单等优点。

LCD1602通过并行数据总线或控制信号线与单片机连接，单片机向其发送初始化指令和显示数据。通过合理的显示布局设计，可在屏幕上显示当前信号灯类型及剩余时间，使信息一目了然。

3.4 按键输入模块

按键模块用于设置交通灯的时间周期。通常包括多个独立按键，如模式选择键、增加键和减少键等。

按键通过GPIO口与单片机相连，采用上拉或下拉电阻方式保证按键状态稳定。为了防止按键抖动引起误操作，在硬件或软件层面需要加入消抖措施。

3.5 电源管理模块

电源模块为系统各部分提供稳定的工作电压。通常通过稳压芯片将外部输入电源转换为单片机、点阵屏和LCD模块所需的电压等级。

在电源输入和输出端加入滤波电容，有效抑制电源噪声和瞬态干扰，保证系统长期稳定运行。

4. 系统程序设计

4.1 程序总体结构设计

系统程序采用模块化设计思想，主要包括初始化模块、交通灯状态控制模块、定时计数模块、显示驱动模块和按键处理模块等。主程序负责系统整体调度，各功能模块在主循环或中断服务程序中协同工作。

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int main(void)
{
    System_Init();
    while(1)
    {
        Traffic_Light_Control();
        Key_Scan();
        LCD_Update();
    }
}

4.2 系统初始化模块

初始化模块用于完成单片机IO口配置、定时器初始化、点阵显示初始化以及LCD1602初始化等工作。

该模块确保系统在进入主循环前，各硬件资源处于正确的工作状态，为后续功能实现奠定基础。

c 复制代码

void System_Init(void)
{
    MCU_IO_Init();
    Timer_Init();
    DotMatrix_Init();
    LCD1602_Init();
}

4.3 交通灯状态控制模块

交通灯控制模块是系统的核心逻辑部分。程序采用状态机方式，定义红灯、绿灯和黄灯三种状态，并根据定时器计数结果进行状态切换。

每种状态对应点阵显示屏上的一种显示模式，同时为倒计时模块提供当前剩余时间数据。

c 复制代码

void Traffic_Light_Control(void)
{
    switch(light_state)
    {
        case RED:
            Show_Red_Light();
            break;
        case GREEN:
            Show_Green_Light();
            break;
        case YELLOW:
            Show_Yellow_Light();
            break;
    }
}

4.4 定时器与倒计时模块

定时器模块用于产生固定时间基准，例如1秒中断。在定时器中断服务程序中，对当前交通灯剩余时间进行递减操作。

当倒计时结束时，程序自动切换到下一个交通灯状态，实现交通灯周期运行。

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void Timer_ISR(void)
{
    if(remaining_time > 0)
    {
        remaining_time--;
    }
    else
    {
        Change_Light_State();
    }
}

4.5 LCD1602显示驱动模块

LCD显示模块用于将当前交通灯状态和剩余时间显示在屏幕上。程序对显示内容进行格式化处理，并周期性刷新LCD显示，保证显示信息与系统状态同步。

c 复制代码

void LCD_Update(void)
{
    LCD_ShowString(0,0,"Time Left:");
    LCD_ShowNumber(1,0,remaining_time);
}

4.6 按键扫描与参数设置模块

按键扫描模块用于检测用户按键操作，并根据按键功能调整交通灯时间参数。

程序中采用周期扫描方式结合软件延时实现消抖处理，确保按键输入的准确性。当检测到有效按键时，对对应的时间参数进行修改，并更新系统运行参数。

c 复制代码

void Key_Scan(void)
{
    if(Key_Increase_Pressed())
    {
        Set_Time++;
    }
    if(Key_Decrease_Pressed())
    {
        Set_Time--;
    }
}

4.7 程序可靠性与扩展性设计

在程序设计中，通过清晰的模块划分和接口定义，提高代码的可读性和可维护性。同时预留扩展接口，便于后续增加如多路交通灯控制、通信接口或智能感应控制等功能，使系统具备良好的扩展潜力。

5. 系统总结

基于单片机的点阵显示屏交通灯控制系统通过合理的功能设计、电路模块划分和程序结构规划，实现了交通灯状态模拟、时间周期设置以及倒计时显示等功能。系统结构清晰、运行稳定，既能够满足教学实验和课程设计的需求，又为进一步研究智能交通控制系统提供了良好的基础。