隨著我國經濟的高速發展，人們對私家車、公交車的需求越來越大。相應地，我國進入WTO以后，我國經濟貿易與世界接軌，汽車業關稅大大降低，使很多人都能負擔得起，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帶來沉重的壓力。放眼現在的中國，如廣州、香港、上海等大都市，無不受到交通堵塞的困擾。中國要發展，交通事業決不能停步不前。有及于此，我國交通管制系統應當以人性化、智能化為目的，作出相應的改善。本論文正是以此為出發點，對單片機控制的交通信號燈模型作了較詳盡的介紹。
    單片機無線收發控制的交通信號燈模型可以分為電源電路、單片機主控電路、無線收發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主控電路、直流電源的組成及其原理。
   
 一、單片機主控電路
    1、 主要元器件介紹
    單片機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，片內含4k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內置功能強大的微型計算機的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，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發成本。
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據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，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P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，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。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。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個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，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（外部數據存儲器寫選通）
P3.7 /RD（外部數據存儲器讀選通）
P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。
ST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。

 

ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。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：每當用作外部數據存儲器時，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行狀態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，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。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部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。
    3、系統模擬以下交通情況
    （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（兩個數碼管從60秒開始倒數，其中5秒用于警告），B道放行30秒（兩個數碼管從30秒開始倒數，其中5秒用于警告）。
    （2）一道有車而另一道無車（用按鍵開關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S0模擬）時，A、B道均為紅燈（兩個數碼管顯示00）。
     4、設計思路
    （1）正常情況下運行主程序，采用0.5秒延時子程序的反復調用來實現各種定時時間；
    （2）一道有車而另一道無車時，采用外部中斷1方式進入與其相適應的中斷服務程序，并設置該中斷為低 優先級中斷；
    （3）有緊急車輛通過時，采用外部中斷0方式進入與其相適應的中斷服務程序，并設置該中斷為高優先級中斷，實現中斷嵌套。
    5、硬件設計
     如圖3

 

用數碼管模擬交通燈上的數字顯示板。數碼管的七段由AT89C51的P0（P0.0-P0.6）口控制，兩個數碼管由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S1、S2為高電平（不按按鍵）時，表示有車；當S1、S2為低電平（按下按鍵）時，表示無車。當S1、S2屬不同值時，表示一道有車一道無車，信號經74LS04，74LS86后，輸入到P3.3口，觸發外部中斷1，AT89C51單片機經查詢后，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S0為低電平（按下按鍵）時，觸發外部中斷0，單片機經查詢后，對兩車道都禁止放行，全顯示紅燈，數碼管顯示00，對緊急車輛放行。
 
二、電源電路
    從圖3可知，無論是AT89C51單片機工作電源、二極管還是數碼管的驅動，都要用到+5V的直流電源，所以，一個穩定的、持續的+5V直流電源對本系統十分重要。本系統運用橋式整流電路，將交流轉換為直流，為各部分電路提供恒定的+5V直流。模擬部分和數字部分分別采用一個獨立的穩壓管供電，保證電路的穩定性和抗干擾，其電路如圖4。

1、 主要元器件介紹
    DB為全波整流電橋，其內部結構如圖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1、2間的二極管到2端，再經2、4端的負載流到4端，然后經3、4間的二極管流回交流負端；同理，電流從3端流入，從1端流回交流負端。
    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C1、C2、C3濾波后，得到一較平穩的直流，再經 LM7805穩壓為+5V，C4再次濾波后，得到穩定的+5V直流電流（如圖9所示），為系統無線電接收發模塊和解碼芯片PT2272路供電。Q1為繼電器驅動管，當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7805穩壓后為AT89C51開機供電。

 

三、無線電遙控收發控制電路：
    無線發射，接收控制有兩部分組成，如圖10所示，發射部分采用編碼芯片PT2262和DF數據發射模塊，接收部分主要由解碼芯片PT2272、DF接收模塊組成。為簡化電路，發射接收部分采用現成的收發芯片，其工作頻率為315M，采用FM方式調制。S1-S4為脈沖編碼開關，按下后在接收端解碼后將輸出相應的電平控制電路的開機和Q9—Q11組成的電子開關的工作。
    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）數據端管腳,設定的地址碼和數據碼從17腳串行輸出，可用于無線遙控發射電路。
    2．解碼芯片PT2272芯片原理簡介：
    編碼芯片PT2262發出的編碼信號由：地址碼、數據碼、同步碼組成一個完整的碼字，解碼芯片PT2272接收到信號后，其地址碼經過兩次比較核對后，VT腳才輸出高電平，與此同時相應的數據腳也輸出高電平，如果發送端一直按住按鍵，編碼芯片也會連續發射。當發射機沒有按鍵按下時，PT2262不接通電源，其17腳為低電平，所以315MHz的高頻發射電路不工作，當有按鍵按下時，PT2262得電工作，其第17腳輸出經調制的串行數據信號，當17腳為高電平期間315MHz的高頻發射電路起振并發射等幅高頻信號，當17腳為低平期間315MHz的高頻發射電路停止振蕩，所以高頻發射電路完全收控于PT2262的17腳輸出的數字信號，從而對高頻電路完成幅度鍵控（ASK調制）相當于調制度為100％的調幅。

四、軟件設計過程：
    主程序采用查詢方式定時，由R2寄存器確定調用0.5S延時子程序的次數，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程序首先要保護現場，因而需用到延時子程序和P1口，，故需保護的寄存器有R3、P1、TH1和TL1。保護現場時還需關中斷，以防止高優先級中斷（緊急車輛通過所產生的中斷）出現時導致程序混亂。然后，關中斷，恢復現場，再開中斷，返回主程序。
    緊急車輛出現是的中斷服務程序也需要保護現場，但無需關中斷（因其為高優先級中斷），然后執行相應的服務，待交通燈信號出現后延時20S，確保緊急車輛通過交叉路口。然后，恢復現場，返回主程序。
    交通信號燈模擬控制系統主程序及中斷服務程序的流程圖如下圖所示。

緊急情況時的中斷服務程序（INT0）

 

五、系統可改進的地方
    1、系統可加裝熱能探測器，探測出車輛內燃機運轉輻射出的熱量，從而能使單片機判斷出哪條道有車，哪條道無車，能對路面交通狀況作出迅速反應，從而提高交通效率；
    2、系統應裝置紅外線接收器，相應地，緊急車輛（如消防車、救護車等）上應當裝置紅外線放射器。這樣，在離交通信號燈遠處，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，避免因交通問題導致不必要的人命傷亡和金錢損失；
    3、系統可裝置一點陣式LED中文顯示屏，用以顯示溫度、天氣情況、空氣指數等，方便司機對外界情況的了解。
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、附單片機源程序、硬件設計原理圖和硬件實物。