基于AT89C51單片機(jī)無(wú)線收發(fā)控制的交通信號(hào)燈模型

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對(duì)私家車(chē)、公交車(chē)的需求越來(lái)越大。相應(yīng)地，我國(guó)進(jìn)入WTO以后，我國(guó)經(jīng)濟(jì)貿(mào)易與世界接軌，汽車(chē)業(yè)關(guān)稅大大降低，使很多人都能負(fù)擔(dān)得起，買(mǎi)私家車(chē)不再是夢(mèng)想。但是，私家車(chē)、公交車(chē)的大增無(wú)疑會(huì)對(duì)我國(guó)交通系統(tǒng)帶來(lái)沉重的壓力。放眼現(xiàn)在的中國(guó)，如廣州、香港、上海等大都市，無(wú)不受到交通堵塞的困擾。中國(guó)要發(fā)展，交通事業(yè)決不能停步不前。有及于此，我國(guó)交通管制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)以人性化、智能化為目的，作出相應(yīng)的改善。本論文正是以此為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)單片機(jī)控制的交通信號(hào)燈模型作了較詳盡的介紹。
單片機(jī)無(wú)線收發(fā)控制的交通信號(hào)燈模型可以分為電源電路、單片機(jī)主控電路、無(wú)線收發(fā)控制電路和顯示電路四部分組成，組成電路如圖1：

由于顯示部分都是采用三色LED和數(shù)碼管模擬，比較簡(jiǎn)單，所以在此不作詳盡敘述。下面主要敘述單片機(jī)主控電路、直流電源的組成及其原理。

一、單片機(jī)主控電路
1、 主要元器件介紹
單片機(jī)主控電路的主要元件是AT89C51，其外型如圖2：

AT89C51是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51提供了高性價(jià)比的解決方案。
AT89C51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。
2、管腳說(shuō)明：
VCC：供電電壓。
GND：接地。
P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。
P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。
P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。
P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。
P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管腳 備選功能
P3.0 RXD（串行輸入口）
P3.1 TXD（串行輸出口）
P3.2 /INT0（外部中斷0）
P3.3 /INT1（外部中斷1）
P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）
P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入）
P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）
P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）
P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。
ST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。

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ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。
3、系統(tǒng)模擬以下交通情況
（1）正常情況下，A、B道（A、B道交叉組成十字路口，A是主道，B是支道）輪流放行，A道放行60秒（兩個(gè)數(shù)碼管從60秒開(kāi)始倒數(shù)，其中5秒用于警告），B道放行30秒（兩個(gè)數(shù)碼管從30秒開(kāi)始倒數(shù)，其中5秒用于警告）。
（2）一道有車(chē)而另一道無(wú)車(chē)（用按鍵開(kāi)關(guān)S1、S2模擬）時(shí)，使有車(chē)車(chē)道放行。
（3）有緊急車(chē)輛通過(guò)（用按鍵開(kāi)關(guān)S0模擬）時(shí)，A、B道均為紅燈（兩個(gè)數(shù)碼管顯示00）。
4、設(shè)計(jì)思路
（1）正常情況下運(yùn)行主程序，采用0.5秒延時(shí)子程序的反復(fù)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種定時(shí)時(shí)間；
（2）一道有車(chē)而另一道無(wú)車(chē)時(shí)，采用外部中斷1方式進(jìn)入與其相適應(yīng)的中斷服務(wù)程序，并設(shè)置該中斷為低 優(yōu)先級(jí)中斷；
（3）有緊急車(chē)輛通過(guò)時(shí)，采用外部中斷0方式進(jìn)入與其相適應(yīng)的中斷服務(wù)程序，并設(shè)置該中斷為高優(yōu)先級(jí)中斷，實(shí)現(xiàn)中斷嵌套。
5、硬件設(shè)計(jì)
如圖3

用數(shù)碼管模擬交通燈上的數(shù)字顯示板。數(shù)碼管的七段由AT89C51的P0（P0.0-P0.6）口控制，兩個(gè)數(shù)碼管由P2（P2.0-P2.1）口選通，中間由PNP三極管作為推動(dòng)管。
分別以S1、S2模擬A、B道的車(chē)檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)S1、S2為高電平（不按按鍵）時(shí)，表示有車(chē)；當(dāng)S1、S2為低電平（按下按鍵）時(shí)，表示無(wú)車(chē)。當(dāng)S1、S2屬不同值時(shí)，表示一道有車(chē)一道無(wú)車(chē)，信號(hào)經(jīng)74LS04，74LS86后，輸入到P3.3口，觸發(fā)外部中斷1，AT89C51單片機(jī)經(jīng)查詢后，對(duì)有車(chē)的車(chē)道放行，綠燈亮；對(duì)無(wú)車(chē)的車(chē)道禁止放行，紅燈亮。當(dāng)S0為低電平（按下按鍵）時(shí)，觸發(fā)外部中斷0，單片機(jī)經(jīng)查詢后，對(duì)兩車(chē)道都禁止放行，全顯示紅燈，數(shù)碼管顯示00，對(duì)緊急車(chē)輛放行。

二、電源電路
從圖3可知，無(wú)論是AT89C51單片機(jī)工作電源、二極管還是數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)，都要用到+5V的直流電源，所以，一個(gè)穩(wěn)定的、持續(xù)的+5V直流電源對(duì)本系統(tǒng)十分重要。本系統(tǒng)運(yùn)用橋式整流電路，將交流轉(zhuǎn)換為直流，為各部分電路提供恒定的+5V直流。模擬部分和數(shù)字部分分別采用一個(gè)獨(dú)立的穩(wěn)壓管供電，保證電路的穩(wěn)定性和抗干擾，其電路如圖4。

1、 主要元器件介紹
DB為全波整流電橋，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5

其工作原理如下：

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電橋1、3端接交流電源，2、4為支直流輸出端。當(dāng)某一時(shí)刻，交瞬時(shí)值為上+下-（即1端為+，3端為-），電流從1端輸入，經(jīng)1、2間的二極管到2端，再經(jīng)2、4端的負(fù)載流到4端，然后經(jīng)3、4間的二極管流回交流負(fù)端；同理，電流從3端流入，從1端流回交流負(fù)端。
2、 電源電路工作原理
從接口J1輸入的9V左右的交流電壓（波形如圖7所示），經(jīng)全波整流電橋DB整流后，得到一幅值為0-8V左右的波動(dòng)直流（如圖8所示）。這一波動(dòng)的直流經(jīng)C1、C2、C3濾波后，得到一較平穩(wěn)的直流，再經(jīng) LM7805穩(wěn)壓為+5V，C4再次濾波后，得到穩(wěn)定的+5V直流電流（如圖9所示），為系統(tǒng)無(wú)線電接收發(fā)模塊和解碼芯片PT2272路供電。Q1為繼電器驅(qū)動(dòng)管，當(dāng)其基極接收到解碼芯片的高電平時(shí)，繼電器吸合，K1接通，電壓經(jīng)7805穩(wěn)壓后為AT89C51開(kāi)機(jī)供電。

三、無(wú)線電遙控收發(fā)控制電路：
無(wú)線發(fā)射，接收控制有兩部分組成，如圖10所示，發(fā)射部分采用編碼芯片PT2262和DF數(shù)據(jù)發(fā)射模塊，接收部分主要由解碼芯片PT2272、DF接收模塊組成。為簡(jiǎn)化電路，發(fā)射接收部分采用現(xiàn)成的收發(fā)芯片，其工作頻率為315M，采用FM方式調(diào)制。S1-S4為脈沖編碼開(kāi)關(guān)，按下后在接收端解碼后將輸出相應(yīng)的電平控制電路的開(kāi)機(jī)和Q9—Q11組成的電子開(kāi)關(guān)的工作。
1． 編碼芯片PT2262芯片原理簡(jiǎn)介：
PT2262/2272是臺(tái)灣普城公司生產(chǎn)的一種CMOS工藝制造的低功耗低價(jià)位通用編解碼電路，PT2262/2272最多可有12位（A0-A11）三態(tài)地址端管腳（懸空,接高電平,接低電平）,任意組合可提供531441地址碼,PT2262最多可有6位（D0-D5）數(shù)據(jù)端管腳,設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17腳串行輸出，可用于無(wú)線遙控發(fā)射電路。
2．解碼芯片PT2272芯片原理簡(jiǎn)介：
編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號(hào)由：地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個(gè)完整的碼字，解碼芯片PT2272接收到信號(hào)后，其地址碼經(jīng)過(guò)兩次比較核對(duì)后，VT腳才輸出高電平，與此同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平，如果發(fā)送端一直按住按鍵，編碼芯片也會(huì)連續(xù)發(fā)射。當(dāng)發(fā)射機(jī)沒(méi)有按鍵按下時(shí)，PT2262不接通電源，其17腳為低電平，所以315MHz的高頻發(fā)射電路不工作，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，PT2262得電工作，其第17腳輸出經(jīng)調(diào)制的串行數(shù)據(jù)信號(hào)，當(dāng)17腳為高電平期間315MHz的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號(hào)，當(dāng)17腳為低平期間315MHz的高頻發(fā)射電路停止振蕩，所以高頻發(fā)射電路完全收控于PT2262的17腳輸出的數(shù)字信號(hào)，從而對(duì)高頻電路完成幅度鍵控（ASK調(diào)制）相當(dāng)于調(diào)制度為100％的調(diào)幅。

四、軟件設(shè)計(jì)過(guò)程：
主程序采用查詢方式定時(shí)，由R2寄存器確定調(diào)用0.5S延時(shí)子程序的次數(shù)，從而獲取交通燈的各種時(shí)間。子程序采用定時(shí)器1方式1，查詢式定時(shí)，定時(shí)器定時(shí)50ms，R3寄存器確定循環(huán)10次，從而獲取0.5S的延時(shí)時(shí)間。
一道有車(chē)而另一道無(wú)車(chē)的中斷服務(wù)程序首先要保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，因而需用到延時(shí)子程序和P1口，，故需保護(hù)的寄存器有R3、P1、TH1和TL1。保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)還需關(guān)中斷，以防止高優(yōu)先級(jí)中斷（緊急車(chē)輛通過(guò)所產(chǎn)生的中斷）出現(xiàn)時(shí)導(dǎo)致程序混亂。然后，關(guān)中斷，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，再開(kāi)中斷，返回主程序。
緊急車(chē)輛出現(xiàn)是的中斷服務(wù)程序也需要保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，但無(wú)需關(guān)中斷（因其為高優(yōu)先級(jí)中斷），然后執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)，待交通燈信號(hào)出現(xiàn)后延時(shí)20S，確保緊急車(chē)輛通過(guò)交叉路口。然后，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，返回主程序。
交通信號(hào)燈模擬控制系統(tǒng)主程序及中斷服務(wù)程序的流程圖如下圖所示。

緊急情況時(shí)的中斷服務(wù)程序（INT0）

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五、系統(tǒng)可改進(jìn)的地方
1、系統(tǒng)可加裝熱能探測(cè)器，探測(cè)出車(chē)輛內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)輻射出的熱量，從而能使單片機(jī)判斷出哪條道有車(chē)，哪條道無(wú)車(chē)，能對(duì)路面交通狀況作出迅速反應(yīng)，從而提高交通效率；
2、系統(tǒng)應(yīng)裝置紅外線接收器，相應(yīng)地，緊急車(chē)輛（如消防車(chē)、救護(hù)車(chē)等）上應(yīng)當(dāng)裝置紅外線放射器。這樣，在離交通信號(hào)燈遠(yuǎn)處，緊急車(chē)輛就可以開(kāi)紅外線放射器使交通信號(hào)燈全部顯示紅燈，避免因交通問(wèn)題導(dǎo)致不必要的人命傷亡和金錢(qián)損失；
3、系統(tǒng)可裝置一點(diǎn)陣式LED中文顯示屏，用以顯示溫度、天氣情況、空氣指數(shù)等，方便司機(jī)對(duì)外界情況的了解。
多加了這些功能后，無(wú)疑會(huì)使成本增加，但是這樣確實(shí)可以提高交通效率，疏通交通堵塞和避免不必要的損失。
六、附單片機(jī)源程序、硬件設(shè)計(jì)原理圖和硬件實(shí)物。