基于AT89C51單片機(jī)無線收發(fā)控制的交通信號燈模型

引言
    隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對私家車、公交車的需求越來越大。相應(yīng)地，我國進(jìn)入WTO以后，我國經(jīng)濟(jì)貿(mào)易與世界接軌，汽車業(yè)關(guān)稅大大降低，使很多人都能負(fù)擔(dān)得起，買私家車不再是夢想。但是，私家車、公交車的大增無疑會對我國交通系統(tǒng)帶來沉重的壓力。放眼現(xiàn)在的中國，如廣州、香港、上海等大都市，無不受到交通堵塞的困擾。中國要發(fā)展，交通事業(yè)決不能停步不前。有及于此，我國交通管制系統(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)，對單片機(jī)控制的交通信號燈模型作了較詳盡的介紹。
    單片機(jī)無線收發(fā)控制的交通信號燈模型可以分為電源電路、單片機(jī)主控電路、無線收發(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)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(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存儲單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)的AT89C51提供了高性價比的解決方案。
    AT89C51是一個低功耗高性能單片機(jī)，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，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存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。
2、管腳說明：
VCC：供電電壓。
GND：接地。
P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。
P1口：P1口是一個內(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門電流。P1口管腳寫入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，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。
P2口：P2口為一個內(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TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，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，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)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。
P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“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（記時器0外部輸入）
P3.5 T1（記時器1外部輸入）
P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）
P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）
P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。
ST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。
ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，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，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， 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，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。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)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來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（兩個數(shù)碼管從60秒開始倒數(shù)，其中5秒用于警告），B道放行30秒（兩個數(shù)碼管從30秒開始倒數(shù)，其中5秒用于警告）。
    （2）一道有車而另一道無車（用按鍵開關(guān)S1、S2模擬）時，使有車車道放行。
    （3）有緊急車輛通過（用按鍵開關(guān)S0模擬）時，A、B道均為紅燈（兩個數(shù)碼管顯示00）。
     4、設(shè)計思路
    （1）正常情況下運(yùn)行主程序，采用0.5秒延時子程序的反復(fù)調(diào)用來實現(xiàn)各種定時時間；
    （2）一道有車而另一道無車時，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)先級中斷；
    （3）有緊急車輛通過時，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)先級中斷，實現(xiàn)中斷嵌套。
    5、硬件設(shè)計
     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，兩個數(shù)碼管由P2（P2.0-P2.1）口選通，中間由PNP三極管作為推動管。
     分別以S1、S2模擬A、B道的車檢測信號，當(dāng)S1、S2為高電平（不按按鍵）時，表示有車；當(dāng)S1、S2為低電平（按下按鍵）時，表示無車。當(dāng)S1、S2屬不同值時，表示一道有車一道無車，信號經(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，對有車的車道放行，綠燈亮；對無車的車道禁止放行，紅燈亮。當(dāng)S0為低電平（按下按鍵）時，觸發(fā)外部中斷0，單片機(jī)經(jīng)查詢后，對兩車道都禁止放行，全顯示紅燈，數(shù)碼管顯示00，對緊急車輛放行。
 
二、電源電路
    從圖3可知，無論是AT89C51單片機(jī)工作電源、二極管還是數(shù)碼管的驅(qū)動，都要用到+5V的直流電源，所以，一個穩(wěn)定的、持續(xù)的+5V直流電源對本系統(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：
    電橋1、3端接交流電源，2、4為支直流輸出端。當(dāng)某一時刻，交瞬時值為上+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左右的波動直流（如圖8所示）。這一波動的直流經(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)動管，當(dāng)其基極接收到解碼芯片的高電平時，繼電器吸合，K1接通，電壓經(jīng)7805穩(wěn)壓后為AT89C51開機(jī)供電。

三、無線電遙控收發(fā)控制電路：
    無線發(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機(jī)和Q9—Q11組成的電子開關(guān)的工作。
    1． 編碼芯片PT2262芯片原理簡介：
    PT2262/2272是臺灣普城公司生產(chǎn)的一種CMOS工藝制造的低功耗低價位通用編解碼電路，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，可用于無線遙控發(fā)射電路。
    2．解碼芯片PT2272芯片原理簡介：
    編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號由：地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個完整的碼字，解碼芯片PT2272接收到信號后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對后，VT腳才輸出高電平，與此同時相應(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，編碼芯片也會連續(xù)發(fā)射。當(dāng)發(fā)射機(jī)沒有按鍵按下時，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，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，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，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，從而對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)計過程：
    主程序采用查詢方式定時，由R2寄存器確定調(diào)用0.5S延時子程序的次數(shù)，從而獲取交通燈的各種時間。子程序采用定時器1方式1，查詢式定時，定時器定時50ms，R3寄存器確定循環(huán)10次，從而獲取0.5S的延時時間。
    一道有車而另一道無車的中斷服務(wù)程序首先要保護(hù)現(xiàn)場，因而需用到延時子程序和P1口，，故需保護(hù)的寄存器有R3、P1、TH1和TL1。保護(hù)現(xiàn)場時還需關(guān)中斷，以防止高優(yōu)先級中斷（緊急車輛通過所產(chǎn)生的中斷）出現(xiàn)時導(dǎo)致程序混亂。然后，關(guān)中斷，恢復(fù)現(xiàn)場，再開中斷，返回主程序。
    緊急車輛出現(xiàn)是的中斷服務(wù)程序也需要保護(hù)現(xiàn)場，但無需關(guān)中斷（因其為高優(yōu)先級中斷），然后執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)，待交通燈信號出現(xiàn)后延時20S，確保緊急車輛通過交叉路口。然后，恢復(fù)現(xiàn)場，返回主程序。
    交通信號燈模擬控制系統(tǒng)主程序及中斷服務(wù)程序的流程圖如下圖所示。

緊急情況時的中斷服務(wù)程序（INT0）

五、系統(tǒng)可改進(jìn)的地方
    1、系統(tǒng)可加裝熱能探測器，探測出車輛內(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，哪條道無車，能對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，緊急車輛（如消防車、救護(hù)車等）上應(yīng)當(dāng)裝置紅外線放射器。這樣，在離交通信號燈遠(yuǎn)處，緊急車輛就可以開紅外線放射器使交通信號燈全部顯示紅燈，避免因交通問題導(dǎo)致不必要的人命傷亡和金錢損失；
    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)對外界情況的了解。
多加了這些功能后，無疑會使成本增加，但是這樣確實可以提高交通效率，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)計原理圖和硬件實物。
    
七、結(jié)束語
    現(xiàn)在，我國已經(jīng)成功申辦2008年奧運(yùn)會和2010年亞運(yùn)會，屆時，各國人士歡聚在中國，必定會給我國交通帶來一定的壓力。如果我國交通管理好了，不但給各國旅客留下美好的回憶，而且間接提高了中國的國際競爭力，提高我國的國際地位。