学位论文无线双模式交通灯设计.docx
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学位论文无线双模式交通灯设计
题 目：
无线双模式交通灯控制系统
摘 要
针对实现交通灯系统双模式控制的目的，以AT89S51单片机为核心，连同无线接收模块、交通灯显示模块同时在KEIL环境中编写并验证程序。
通过单片机控制交通灯和数码管的显示，同时可利用无线遥控切换交通灯系统运行模式，即普通模式和上下班高峰模式。
此系统可保证在平时，车辆与行人有较长时间穿过马路。
通过切换运行模式，此系统又可有效防止上下班时交通堵塞和车辆、人员滞留。
比起普通交通灯控制系统，此系统提高了交通控制的效率，保证交通有序进行。
关键词：
AT89S51单片机；无线控制；双模式；交通灯
Abstract
Aimingatrealizingthepurposeoftrafficlightssystemdualmodecontrol,ToAT89S51microcontrollerasthecore,togetherwiththewirelessreceivermodule,trafficlightsdisplaymodulewhileinKEILenvironmentwriteandverificationprocess.Throughthemicrocontrollertocontroltrafficlightsanddigitaldisplay,whileusingawirelessremotecontrolswitchtrafficlightsystemoperationmodes,normalmodeandtherushmode.Thissystemcanbeguaranteedinpeacetime,vehicleandpedestriancrossingtheroadalongtime.Byswitchingtheoperatingmode,thesystemcanbeeffectiveinpreventingtrafficcongestionandcommutingvehicles,personnelretention.Comparedtoordinarytrafficlightcontrolsystem,whichimprovestheefficiencyoftrafficcontrol,toensureorderlytraffic.
Keywords:
AT89S51;Wirelesscontrol;Dualmode;Thetrafficlight
1引言
近年来，随着经济的快速发展，城市中的车辆不断增多。
由此引起的交通拥挤，堵塞，交通事故频发等一系列问题。
交通灯是城市重要的交通指挥系统，与人们日常生活有着十分密切的关系，他不仅关系到城市交通的有效运行，也影响到人们的出行便捷和安全。
设计一个稳定，灵活的交通灯控制系统，具有必要性和现实性。
然而现实中很多交通灯都是按照一个时间间隔切换。
而本设计中的交通灯控制系统可根据平时或上下班高峰期来进行无线遥控转换红绿灯切换时间，如上下班高峰期红灯转换时间设置为45秒，平时设置为60秒。
这样，可有效缓解在上下班时间，由于红灯设置时间太长，为了赶时间而闯红灯的现象。
同时，有效缓解交通拥堵现象。
2系统设计思路
2.1控制系统框图
单片机无线收发控制的交通信号灯模型可以分为单片机主控电路、无线发射电路、无线接收电路和显示电路四部分组成，组成电路如图1所示。
图1总系统框图
无线发射电路由编码芯片PT2262和相关驱动电路组成，当按下按键时PT2262对应的数据口有效，PT2262从17脚DOUT端发出一串编码，经驱动电路后发射出去。
接收模块在接收到无线信号后，在对应的数据端会输出高电平，单片机通过检测这个高电平信号来判断哪个按键按下。
2.1.1单片机介绍
AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图2AT89S51引脚图
a.中央处理器
中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
b.数据存储器（内部RAM）
数据存储器用于存放变化的数据。
AT89S51中数据存储器的地址空间为256个RAM单元，但其中能作为数据存储器供用户使用的仅有前面128个，后128个被专用寄存器占用。
c.程序存储器（内部ROM）
程序存储器用于存放程序和固定不变的常数等。
通常采用只读存储器，且其又多种类型，在89系列单片机中全部采用闪存。
AT89S51内部配置了4KB闪存。
d.定时/计数器
定时/计数器用于实现定时和计数功能。
AT89S51共有2个16位定时/计数器。
e.并行输入输出（I/O）口。
8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。
每个口都由1个锁存器和一个驱动器组成。
它们主要用于实现与外部设备中数据的并行输入与输出，有些I/O口还有其他功能。
f.全双工串行口
AT89S51内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
g.时钟电路
时钟电路的作用是产生单片机工作所需要的时钟脉冲序列。
h.中断系统
中断系统的作用主要是对外部或内部的终端请求进行管理与处理。
AT89S51共有5个中断源，其中又2个外部中断源和3个内部中断源。
本实验数码管显示电路采用八段共阴数码管，P1口接数码管段选，用来控制数码管八段显示出不同的数字，P1口接电阻用于保护数码管电路作用，避免数码管导通时电压过大损坏数码管。
本设计使用P2.0—P2.5分别接东西方向和南北方向交通灯，用于控制6个LED灯亮暗变化，同样，接电阻用于保护二极管。
P3.0—P3.1串行口输入输出口接无线接受模块，进行无线通信。
P3.4—P3.7接数码管显示电路位选，P3.4—P3.7在接数码管时先接三极管基极，三极管做开关作用，P3.4—P3.7给高电平时，三极管导通，数码管位选段被拉高，选通。
2.1.2无线收发芯片介绍
（1）PT2272/2262的管脚说明
PT2262/2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/2272最多可有12位（A0-A11）三态地址端管脚（悬空,接高电平,接低电平）,任意组合可提供531441地址码。
图3PT2262外形图及管脚排列
PT2262最多可有6位（D0-D5）数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。
PT2262/2272特点：
CMOS工艺制造，低功耗，外部元器件少，RC振荡电阻。
表1PT2262管脚说明
名称管脚说明
A0-A111-8、10-13地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”（悬空）
D0-D57-8、10-13数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉
Vcc18电源正端（＋）
Vss9电源负端（－）
TE14编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效；
OSC116振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率；
OSC215振荡电阻振荡器输出端；
Dout17编码输出端（正常时为低电平）
工作电压范围宽：
2.6～15v，数据最多可达6位，地址码最多可达531441种。
应用范围：
车辆防盗系统、家庭防盗系统、遥控玩具、其他电器遥控。
在具体的应用中，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越慢，编码的宽度越大，发码一帧的时间越长。
图4PT2272外形图及管脚排列
PT2272解码芯片有不同的后缀，表示不同的功能，有L4/M4/L6/M6之分，其中L表示锁存输出，数据只要成功接收就能一直保持对应的电平状态，直到下次遥控数据发生变化时改变。
M表示非锁存输出，数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是否发射相对应，可以用于类似点动的控制。
后缀的6和4表示有几路并行的控制通道，当采用4路并行数据时（PT2272-M4），对应的地址编码应该是8位，如果采用6路的并行数据时（PT2272-M6），对应的地址编码应该是6位。
表2PT2272管脚说明
名称管脚说明
A0-A111-8、10-13地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”（悬空）,必须与2262一致,否则不解码
D0-D57-8、10-13地址或数据管脚,当做为数据管脚时,只有在地址码与2262一致,数据管脚才能输出与2262数据端对应的高电平,否则输出为低电平,锁存型只有在接收到下一数据才能转换
Vcc18电源正端（＋）
Vss9电源负端（－）
DIN14数据信号输入端，来自接收模块输出端
OSC116振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率；
OSC215振荡电阻振荡器输出端；
VT17解码有效确认输出端（常低）解码有效变成高电平（瞬态）
（2）PT2262/2272芯片的地址编码设定和修改
在通常使用中，我们一般采用8位地址码和4位数据码，这时编码电路PT2262和解码PT2272的第1～8脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：
悬空、接正电源、接地三种状态，3的8次方为6561，所以地址编码不重复度为6561组，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，遥控模块的生产厂家为了便于生产管理，出厂时遥控模块的PT2262和PT2272的八位地址编码端全部悬空，这样用户可以很方便选择各种编码状态，用户如果想改变地址编码，只要将PT2262和PT2272的1～8脚设置相同即可，例如将发射机的PT2262的第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空，那么接收机的PT2272只要也第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空就能实现配对接收。
当两者地址编码完全一致时，接收机对应的D1～D4端输出约4V互锁高电平控制信号，同时VT端也输出解码有效高电平信号。
用户可将这些信号加一级放大，便可驱动继电器、功率三极管等进行负载遥控开关操纵。
设置地址码的原则是：
同一个系统地址码必须一致；不同的系统可以依靠不同的地址码加以区分。
至于设置什么样的地址码完全随客户喜欢。
PT2262和PT2272除地址编码必须完全一致外，振荡电阻还必须匹配，否则接收距离会变近甚至无法接收。
3硬件设计
3.1单元电路设计
3.1.1无线收发控制电路设计
无线发射，接收控制电路有两部分组成，如图下所示，发射部分由编码芯片PT2262以及相关电路构成，工作频率315MHz。
接收部分主要由解码芯片PT2272、无线接收模块组成。
SW1和SW2为脉冲编码开关，按下后在接收端解码后将输出相应的电平，单片机将捕捉到这个电平信号。
信号发射电路见图5。
图5发射电路
编码芯片PT2262发出的编码信号由：
地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。
当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作。
其第17脚输出经调制的串行数据信号。
当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号。
当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100％的调幅。
图6接收电路
解码接收模块包括接收模块和解码芯片PT2272两部分组成。
接收模块将收到的信号输入PT2272的14脚（DIN），PT2272再将收到的信号解码。
单片机主要通过检测PT2272的数据端（10脚11脚）的高电平脉冲信号来判断无线遥控是否按下。
比如，当SW1按下时，接收模块会收到无线信号，那么在11脚（D2）将会输出高电平脉冲，单片机IO口将检测到这个高电平脉冲信号来判断是哪个按下去的。
模块必须用信号调制才能正常工作，常见的固定码编码器件如PT2262/2272，只要直接连接即可，非常简单，因为是专用编码芯片，所以效果很好传输距离很远。
模块还有一种重要的用途就是配合单片机来实现数据通讯，这时有一定的技巧。
（1）合理的通讯速率
数据模块的最大传输数据速率为9.6KBs，一般控制在2.5k左右，过高的数据速率会降低接收灵敏度及增大误码率甚至根本无法工作。
（2）合理的信息码格式
单片机和模块工作时，通常自己定义传输协议，不论用何种调制方式，所要传递的信息码格式都很重要，它将直接影响到数据的可靠收发。
码组格式推荐方案前导码＋同步码＋数据帧，前导码长度应大于是10ms，以避开背景噪声，因为接收模块接收到的数据第一位极易被干扰（即零电平干扰）而引起接收到的数据错误。
所以采用CPU编译码可在数据识别位前加一些乱码以抑制零电平干扰。
同步码主要用于区别于前导码及数据。
有一定的特征，好让软件能够通过一定的算法鉴别出同步码，同时对接收数据做好准备。
数据帧不宜采用非归零码，更不能长0和长1。
采用曼彻斯特编码或POCSAG码等。
（3）单片机对接收模块的干扰
单片机模拟2262时一般都很正常，然而单片机模拟2272解码时通常会发现遥控距离缩短很多，这是因为单片机的时钟频率的倍频都会对接收模块产生干扰，51系列的单片机电磁干扰比较大，2051稍微小一些，PIC系列的比较小，我们需要采用一些抗干扰措施来减小干扰。
比如单片机和遥控接收电路分别用两个5伏电源供电，将接收板单独用一个78L05供电，单片机的时钟区远离接收模块，降低单片机的工作频率，中间加入屏蔽等。
接收模块工作时一般输出的是高电平脉冲，不是直流电平，所以不能用万用表测试，调试时可用一个发光二极管串接一个3K的电阻来监测模块的输出状态。
无线数据模块和PT2262/PT2272等专用编解码芯片使用时，连接很简单只要直接连接即可，传输距离比较理想，如果和单片机或者微机配合使用时，会受到单片机或者微机的时钟干扰，造成传输距离明显下降，实用距离在100米以内。
3.1.2时钟电路设计
图7所示为时钟电路原理图，在AT89S51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。
而在芯片内部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。
时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。
图7时钟电路
3.1.3显示电路
信号灯的显示部分用发光二极管模拟交通信号灯，时间显示部分采用数码管模拟。
以AT89S51单片机的P2.0-P2.5口控制6只发光二极管，P1口控制数码管段选，P3.4-P3.7控制数码管位选。
图8显示电路连接图
我们最常用的是七段式和八段式LED数码管，八段比七段多了一个小数点，其他的基本相同。
所谓的八段就是指数码管里有八个小LED发光二极管，通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字形。
数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，其实共阴极就是将八个LED的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个LED的另一端高电平，它便能点亮。
而共阳极就是将八个LED的阳极连在一起。
显示时，都从段选线送入字符编码，而选中哪个位选线，那个数码管便会被点亮。
数码管的8段，对应一个字节的8位，a对应最低位，dp对应最高位七段数码管的显示如表3所示。
表3七段数码管的显示
显示数值Dopgfedcba驱动代码（16进制）
共阴极共阳极
0001111113FHC0H
10000011006HF9H
2010110115BHA4H
3010011114FHB0H
40110011066H99H
5011011016DH92H
6011111017DH82H
70000011107H80H
8011111117FH80H
9011011116FH90H
3.2系统总电路组成
本系统利用12MHZ晶振和两个瓷片电容并联为AT89S51单片机提供工作频率，用6只发光二极管模拟交通信号灯，以AT89S51单片机的P2口控制6只发光二极管。
在P3.4~P3.7口采用PNP三极管作推动管，口线输出高电平则“信号灯”熄，口线输出低电平则“信号灯”亮。
表4口线控制功能及相应控制码
P2.7
空
P2.6
空
P2.5
B线红灯
P2.4
B线黄灯
P2.3
B线绿灯
P2.2
A线红灯
P2.1
A线黄灯
P2.0
A线绿灯
状态说明
1
1
1
0
0
0
0
1
A线放行
B线禁止
1
1
1
0
0
0
1
0
A线警告
B线禁止
1
1
1
0
0
1
0
0
A线禁止
B线放行
1
1
0
1
0
1
0
0
A线禁止
B线警告
用数码管模拟交通灯上的数字显示板。
数码管的七段由AT89S51的P1（P1.0-P1.6）口控制，数码管由P3（P3.4-P3.7）口选通，中间由PNP三极管作为推动管
（1）当东西方向（A线，下同）为红灯，此道车辆禁止通行，东西道行人可通过；南北道（B线，下同）为绿灯，此道车辆通过，行人禁止通行。
时间为60秒。
（2）黄灯闪烁3秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。
（3）当东西方向为绿灯，此道车辆通行；南北方向为红灯，南北道车辆禁止通过，行人通行。
时间为60秒。
（4）这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。
（5）此表可根据车流量动态设定红绿灯初始值。
以上所述为正常模式时红绿灯的时间，当切换至高峰模式时红绿灯的时间将缩短，由60s变成45s。
定时器0定时50ms，溢出20次则表示定时1s，在定时器中断服务函数中，算式如下：
if（count==20）//1s时间到
count=0;//计数器清零
disnum--;//计数器减1
通过给变量TimeValue赋不同的初值来实现红绿灯时间长短的控制。
系统模拟以下交通情况：
（1）正常情况下，A、B道（A、B道交叉组成十字路口，A是东西方向，B是南北方向）轮流放行，A道亮绿灯，B道亮红灯（亮绿灯的数码管从57s开始倒数，计时到0时倒计时3s，黄灯闪烁；亮红灯的从60秒开始倒数）。
（2）当通过无线遥控切换至高峰模式时，A道亮绿灯，B道亮红灯（亮绿灯的数码管从42s开始倒数，计时到0时倒计时3s，黄灯闪烁；亮红灯的从45秒开始倒数）
设计思路：
（1）正常情况下运行主程序，定时器1定时50ms实现各种定时时间。
定时器1相关配置如下：
TMOD=0X10;//定时器1工作在16位定时器模式
TR1=1;//启动定时器1
ET1=1;//开定时器1中断
TH1=（65536-50000/256）;//定时器1赋初值
TL1=（65536-50000%256）;
（2）定时器定时5ms定时扫描数码管，显示倒计时时间。
（3）主程序查询P.0和P3.1的状态，一旦输出高电平，立即调用判断函数，做出相应的操作。
如果P3.0为高电平，则进入正常模式；如果P3.1为高电平，则进入高峰模式；
4软件设计及调试
4.1总体设计方案
主程序采用查询方式不断查询P3.0和P3.1的电平状态，当变成高电平时立即进行判断，如果P3.0为高电平，进入正常模式，系统复位，红灯时间变为45s；如果P3.1为高电平，系统复位，红灯时间变为60s，进入高峰模式。
同时，定时器1定时5ms扫描数码管，四位数码管之间轮询切换。
4.2主程序流程图
图9主程序流程图
上面的流程图介绍基本交通灯控制过程，初始状态为正常模式。
当系统接收到高峰模式信号，经判别调高峰模式子程序，如果接收到的是正常模式信号，则调正常模式子程序。
图10正常模式流程图图11高峰模式流程图
上面的流程图介绍了高峰模式子程序与正常模式子程序的具体流程图，正常模式起始东西方向数码管显示57s南北方向显示60s，南北方向红灯灭，绿灯亮；东西方向红灯亮，绿灯灭。
计时到零，东西方向黄灯闪烁3秒。
东西方向绿灯灭，红灯亮，数码管显示60s；南北方向绿灯亮，红灯灭，数码管显示57秒。
计时器清零，南北方向黄灯闪烁3s，重新开始，高峰模式子程序原理同上。
4.3无线控制部分的软件设计
通过遥控器硬件的2个按键开关（SW1和SW2）来设计控制的软件。
SW1或SW2按下时，接收模块接收到信号时，在对应的数据口也输出高电平，单片机检测到这个高电平后作出相应的操作从而实现无线遥控对交通灯工作模式的切换。
5仿真
5.1正常模式仿真原理图
图12正常模式仿真图
图12是本设计正常模式情况下的仿真图，设置时间为南北方向红灯60S，系统启动初始化后，直接进入正常模式。
5.2高峰模式仿真原理图
图13高峰模式仿真图
图13是本设计正常模式情况下的仿真图，设置时间为南北方向红灯45S，按下按键SW2，系统切换进入高峰模式。
6结论
无线控制交通系统实现是目前研究的方向，也已经取得不少成果，但传统的定时交通灯控制仍然在一些地方广泛应用，那是车流量不大，而且交通道路相对好的地方，传统的定时交通灯控制还是起到了一定的作用。
但随着社会的高速发展，城市化日益完善，车的数量必然增多，给交通的压力也增大，这时候，无线交通灯控制将会起到疏导交通，改善城市交通环境，推动城市化日益完善！
通过这次课程设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。
使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。
致谢
此次课程设计和设计说明书撰写过程中，得到了多位老师、同学、朋友的关心、指导和帮助。
在此，表示衷心地感谢，特别是我的指导教师张老师！
她丰富的知识、严谨的治学态度和全面的指导，对我启发颇多，收获颇
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