基于Arduino單片機(jī)的交通燈倒計(jì)時(shí)顯示器設(shè)計(jì)

摘 要：本文通過(guò)Arduino單片機(jī)對(duì)數(shù)碼管的控制實(shí)現(xiàn)了交通燈倒計(jì)時(shí)顯示器設(shè)計(jì)，使數(shù)碼管可以循環(huán)顯示數(shù)字9-1，并對(duì)運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析、解決。

關(guān)鍵詞：Arduino；數(shù)碼管

中圖分類號(hào)：TP273.5

電子產(chǎn)品智能化使人們可以在炎炎夏日躲在被窩里開(kāi)啟空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，茶余飯后坐在沙發(fā)上使用遙控器更換電視頻道，開(kāi)車迷路時(shí)可以打開(kāi)GPS導(dǎo)航尋找出路……其實(shí)，生活中很多的電器或者設(shè)備的控制并不都需要使用高性能計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，而是采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。在眾多的單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具中，你不需要關(guān)心程序的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，只需要學(xué)會(huì)使用單片機(jī)提供的工具包即可，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程。

1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)及工具簡(jiǎn)介

1.1 Arduino單片機(jī)簡(jiǎn)介。Arduino是基于AVR指令集單片機(jī)的一種開(kāi)發(fā)平臺(tái)，相對(duì)于傳統(tǒng)的單片機(jī)而言，Arduino基于C/C++這種入門(mén)級(jí)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言基礎(chǔ)上進(jìn)行編程，大量庫(kù)文件可以直接從網(wǎng)絡(luò)中下載獲得，價(jià)格也比普通單片機(jī)便宜，軟硬件平臺(tái)均開(kāi)源，常用的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（Windows、Linux等）均支持Arduino軟件。Arduino電路板提供6個(gè)模擬輸入/輸出端口，14個(gè)數(shù)字輸入/輸出端口，可以讀取傳感器、各種開(kāi)關(guān)元件的信號(hào)來(lái)控制各種電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)時(shí)可以僅開(kāi)發(fā)一個(gè)Arduino獨(dú)立項(xiàng)目，也可以建立與PC機(jī)中程序的相互通訊?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，Arduino具有很好的發(fā)展前景。

1.2 編程語(yǔ)言。要實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制，少不了進(jìn)行編寫(xiě)程序。在使用Arduino編程語(yǔ)言編程時(shí)，很多參數(shù)設(shè)置均已函數(shù)化處理了，只需要用戶直接調(diào)用即可。要掌握好Arduino編程語(yǔ)言，就需要認(rèn)真復(fù)習(xí)C語(yǔ)言語(yǔ)法。Arduino編程語(yǔ)言中運(yùn)算符號(hào)、數(shù)據(jù)類型、流程控制語(yǔ)句均可參考C語(yǔ)言要求，而Arduino程序的主要結(jié)構(gòu)包括初始化變量、設(shè)置管教模式的void setup（）函數(shù)和類似于C語(yǔ)言中void main（）函數(shù)功能的循環(huán)執(zhí)行函數(shù)void loop（）。Arduino編程語(yǔ)言提供數(shù)字I/O口輸入輸出模式的定義函數(shù)、模擬I/O輸入輸出函數(shù)、時(shí)間函數(shù)和數(shù)學(xué)函數(shù)等眾多函數(shù)。

1.3 主要硬件設(shè)備——數(shù)碼管。數(shù)碼管是一種用于顯示數(shù)字0-9（也可包含小數(shù)點(diǎn)）的可發(fā)光元件，按照段數(shù)分有七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管多一位小數(shù)點(diǎn)。若將數(shù)碼管的8個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極并接在一起，8個(gè)陰極分開(kāi)，則為共陽(yáng)極數(shù)碼管；若將數(shù)碼管的8個(gè)發(fā)光二極管的陰極并接在一起，8個(gè)陽(yáng)極分開(kāi)，則為共陰極數(shù)碼管。實(shí)際的數(shù)碼管引腳排列可按以下方法判別：從數(shù)碼管正面看，左下角第一個(gè)引腳為1腳，以逆時(shí)針?lè)较蛞来螢?～10腳，其中3腳和8腳連通，稱為公共腳。

2 功能和硬件材料簡(jiǎn)介

2.1 功能簡(jiǎn)介。通過(guò)數(shù)碼管連線和程序編寫(xiě)，通過(guò)程序控制數(shù)碼管連續(xù)循環(huán)顯示數(shù)字9～1，每顯示一個(gè)數(shù)字后間隔1s再顯示下一個(gè)數(shù)字。

2.2 工作原理。通過(guò)對(duì)數(shù)碼管特性的分析，將數(shù)碼管的管腳通過(guò)限流電阻的一端連接到數(shù)字I/O接口中，公共極接5V（共陽(yáng)極數(shù)碼管）或者接GND（共陰極數(shù)碼管）。對(duì)于共陽(yáng)極數(shù)碼管來(lái)說(shuō)，通過(guò)程序給連接好數(shù)碼管的數(shù)字口設(shè)置低電平時(shí)，數(shù)碼管在該管腳和公共極之間就會(huì)產(chǎn)生壓降，因此可以將數(shù)碼管相應(yīng)字段點(diǎn)亮。反言之，通過(guò)程序給連接好數(shù)碼管的數(shù)字口設(shè)置高電平時(shí)，數(shù)碼管在該管腳和公共極之間則不產(chǎn)生壓降，數(shù)碼管相應(yīng)字段就不亮。

2.3 硬件材料清單。主要的硬件材料包括：1個(gè)Arduino 328控制板、1個(gè)原形開(kāi)發(fā)擴(kuò)展板、1個(gè)面包板、1個(gè)8位數(shù)碼管、8個(gè)220歐電阻、5根多彩面包板實(shí)驗(yàn)跳線、1根USB連接線。

2.4 硬件線路連接。將Arduino 328控制板、原形開(kāi)發(fā)擴(kuò)展板和面包板連接好，并將USB線接入相應(yīng)插口。按照數(shù)碼管的接線規(guī)則，從數(shù)碼管的正面看，將數(shù)碼管的第10個(gè)管腳（即左上角的管腳）連接1個(gè)220歐電阻，電阻的另一端連接數(shù)字口的第9個(gè)引腳。同理，將數(shù)碼管的第9、7、6個(gè)管腳分別通過(guò)1個(gè)電阻連接到數(shù)字口的第8、7、6個(gè)引腳。將數(shù)碼管的第5、4個(gè)管腳分別通過(guò)1個(gè)電阻和1根跳線連接到數(shù)字口的第5、4個(gè)引腳，第8個(gè)管腳（公共極）通過(guò)1根跳線與5V接口連接，另一個(gè)數(shù)碼管公共極即第3管腳不做連接。

3 驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)與運(yùn)行情況

3.1 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)程序中共定義了9個(gè)全局變量，分別對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的各數(shù)字段；定義了9個(gè)用于顯示9～1數(shù)字的子函數(shù)digital_9～digital_1供loop（）函數(shù)調(diào)用；在執(zhí)行l(wèi)oop（）函數(shù)之前，先在setup（）函數(shù)中設(shè)置數(shù)字口4～11引腳為輸出模式。digital_1子函數(shù)代碼如下：

void digital_1（void）

{ unsigned char j；

digitalWrite（c，HIGH）；

digitalWrite（b，HIGH）；

for（j=7；j<=11；j++）

digitalWrite（j，HIGH）；

digitalWrite（dp，HIGH）；

}

3.2 運(yùn)行問(wèn)題。在運(yùn)行過(guò)程中，數(shù)碼管能夠顯示出各數(shù)字段和小數(shù)點(diǎn)段，說(shuō)明線路是連通的，因此排除電路板線路連接不通的問(wèn)題。仔細(xì)觀察數(shù)碼管顯示的數(shù)字段情況后，要顯示數(shù)字3本應(yīng)點(diǎn)亮數(shù)碼管的A、B、C、D和G段，但是實(shí)際數(shù)碼管點(diǎn)亮了E、F和DP段；要顯示數(shù)字4本應(yīng)點(diǎn)亮數(shù)碼管的B、C、F和G段，但是實(shí)際數(shù)碼管點(diǎn)亮了A、E、D和DP段；要顯示數(shù)字6本應(yīng)點(diǎn)亮數(shù)碼管的A、C、D、E、F和G段，但是實(shí)際數(shù)碼管點(diǎn)亮了B和DP段……以此類推，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管點(diǎn)亮的數(shù)字段和應(yīng)該點(diǎn)亮的數(shù)字段均相反，因此考慮可能是線路接反導(dǎo)致的。

3.3 問(wèn)題分析與解決方法。重新檢查線路后發(fā)現(xiàn)連接線路是按照共陽(yáng)極數(shù)碼管的連接規(guī)則連接的，運(yùn)行問(wèn)題可能是由于數(shù)碼管陰極和陽(yáng)極電路接反導(dǎo)致的。從電路板上拆下數(shù)碼管仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，初始程序源代碼是根據(jù)共陽(yáng)極數(shù)碼管特性編寫(xiě)的，電路板也是根據(jù)共陽(yáng)極數(shù)碼管性質(zhì)連接的，而實(shí)際準(zhǔn)備的材料很可能是共陰極數(shù)碼管。

使用萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)試，把萬(wàn)用表調(diào)到測(cè)阻檔，紅筆端接公共端，黑筆端接任意段碼端，沒(méi)有數(shù)字段發(fā)亮；將紅筆端和黑筆端調(diào)換，有數(shù)字段發(fā)亮，因此使用的為共陰極數(shù)碼管，所以程序運(yùn)行后實(shí)現(xiàn)的效果與預(yù)期的正好相反。

經(jīng)過(guò)對(duì)原連接線路的分析，將數(shù)碼管的公共極改為接地，并對(duì)程序代碼中進(jìn)行修改，將代碼中所有設(shè)置為高電平的地方改為低電平，低電平的地方改為設(shè)置高電平。

交通燈倒計(jì)時(shí)顯示器的設(shè)計(jì)，使我真正理解和掌握了數(shù)碼管的工作原理和應(yīng)用方法，并且為拓展設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。比如可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)智能擲骰器，即再添加一個(gè)按鍵，通過(guò)按鍵來(lái)控制數(shù)碼管數(shù)字的顯示，按下按鍵時(shí)，數(shù)碼管停留在當(dāng)前數(shù)字不變；松開(kāi)按鍵，數(shù)碼管繼續(xù)顯示下一個(gè)數(shù)字并繼續(xù)循環(huán)顯示。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王潔瓊，王紅衛(wèi)，敬敏.基于單片機(jī)的實(shí)用交通燈設(shè)計(jì)[J].科協(xié)論壇，2009（06）.

作者簡(jiǎn)介：王希娟（1983.01-），女，西安人，管理科學(xué)與工程教研室主任，講師，工程師，碩士，研究方向：數(shù)據(jù)庫(kù)、智能控制方向。

作者單位：陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712046

基金項(xiàng)目：本文為陜西省教育廳科研項(xiàng)目《空巢老人無(wú)線物聯(lián)智能家居系統(tǒng)研究（項(xiàng)目編號(hào)：14JK2018）》基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)論文。