基于單片機(jī)的智能交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計(論文)說明書

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1、摘 要學(xué) 號：畢業(yè)設(shè)計說明書GRADUATE DESIGN設(shè)計題目：基于單片機(jī)的智能交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)生姓名：專業(yè)班級：學(xué) 院：電氣工程學(xué)院指導(dǎo)教師： 摘 要隨著現(xiàn)代社會對交通運輸?shù)娜遮呉蕾嚕煌舫蔀榱巳藗兩钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。傳統(tǒng)的交通燈控制系統(tǒng)雖然在一定程度上可以滿足指揮路口交通的需要，但隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，原有的交通燈控制系統(tǒng)已經(jīng)表現(xiàn)出明顯的缺點：紅綠燈時間相對固定，不能伴隨車流量的改變而調(diào)整紅綠燈的顯示時間。本設(shè)計以AT89S51單片機(jī)為核心，外接外圍電路構(gòu)成基本電路，使硬件電路能適應(yīng)所完成的控制功能。在Keil軟件中編寫C語言程序，最后用Proteus軟件進(jìn)行仿真，基本實

2、現(xiàn)了智能交通燈的模擬。該系統(tǒng)可控制紅、綠、黃燈按時間依次變換，并有倒讀秒功能。在此基礎(chǔ)上，通過傳感器對車流量的情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將采集的數(shù)據(jù)傳送給控制中心，進(jìn)行分析比較。根據(jù)比較的結(jié)果，將具體的車流量轉(zhuǎn)換成兩相位車流量大小的比值。根據(jù)比值轉(zhuǎn)換成對紅綠燈時間的控制，使交通信號燈時間可根據(jù)車流量改變，提高了交叉口的通行效率。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；交通燈；倒計時顯示；傳感檢測-7-目 錄AbstractAs modern society increasingly rely on for transportation, traffic lights has become the indispensable

3、part of peoples life. Although to some extent, the traditional traffic light control system can meet the needs of command intersection traffic, but with the enlargement of city scale, the original traffic light control systems have shown obvious disadvantages: traffic light time is relatively fixed,

4、 not along with the change of the flow adjustment of traffic lights show time.This design uses AT89S51 microcontroller as the core, constitute the basic circuit, external peripheral circuit that can be adapted to control the functions performed by hardware circuit. In Keil software written in C lang

5、uage program, and finally with the Proteus software simulation, the basic realization of the intelligent simulation of traffic lights. The system can control red, green, yellow light according to time, in turn, transform, and has function of seconds. On this basis, through the sensor to the situatio

6、n of traffic data collection. Will collect the data transmitted to the control center, carries on the analysis comparison. According to the result of comparison, the specific traffic into two phase flow is the ratio of the size. Translated into traffic lights time according to the ratio control, mak

7、e the traffic lights time may be changed according to the number of cars, improving the efficiency of the intersection traffic.Key words: single chip microcomputer; The traffic light; The countdown display; Sensing detection目 錄目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景11.2 課題研究的意義21.3 智能交通燈的研究背景21.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31

8、.5 我國交通燈現(xiàn)狀31.6 論文結(jié)構(gòu)4第2章 智能交通燈控制系統(tǒng)方案設(shè)計52.1 智能交通燈控制系統(tǒng)的通行方案設(shè)計52.2 智能交通燈控制系統(tǒng)的功能要求62.3 智能交通燈控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及原理72.4 本章小結(jié)7第3章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計83.1 主要硬件的選型83.1.1 單片機(jī)的選型83.1.2 車流量檢測傳感器的選型83.1.3 電源電路的選型103.2 系統(tǒng)硬件總電路構(gòu)成及原理103.2.1 系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成103.2.2 系統(tǒng)工作原理113.3 AT89S51單片機(jī)簡介123.3.1 單片機(jī)的概述123.3.2 AT89S51主要引腳功能123.3.3 AT89S51芯片最小系

9、統(tǒng)153.4 車流量檢測模塊介紹163.4.1 光電開關(guān)的工作原理173.4.2 光電開關(guān)的分類173.4.3 光電開關(guān)的應(yīng)用183.5 其它硬件介紹193.5.1 發(fā)光二極管193.5.2 七段LED 數(shù)碼管193.5.3 電源電路設(shè)計203.5.4 蜂鳴器213.6 本章小結(jié)21第4章 軟件設(shè)計234.1 主程序設(shè)計234.2 車流量采樣程序設(shè)計234.3 顯示程序設(shè)計274.4 理論基礎(chǔ)知識274.4.1 定時器原理274.4.2 軟件延時原理284.5 本章小結(jié)28第5章 智能交通燈的仿真295.1 Proteus軟件介紹295.2 仿真過程介紹295.2.1 用PROTEUS繪制原理

10、圖295.2.2 PROTEUS對單片機(jī)內(nèi)核的仿真305.2.3 仿真結(jié)果與分析315.3 本章小結(jié)37結(jié)束語38參考文獻(xiàn)39謝 辭40附 錄41第1章 緒論第1章 緒論1.1 課題背景隨著人口快速的增多，交通工具的爆炸性的發(fā)展，以及道路資源的有限性，交通控制就應(yīng)運而生。在人類的生活、工作環(huán)境中，交通扮演著極其重要的角色，人們的出行都無時不刻與交通打著交道。當(dāng)今，紅綠燈安裝在各個道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術(shù)在19世紀(jì)就已出現(xiàn)了。1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍(lán)兩色的機(jī)械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868

11、年，英國機(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩以旋轉(zhuǎn)式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。電氣啟動的紅綠燈出現(xiàn)在美國，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914年始安裝于紐約市5號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。1918年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴(kuò)音器來啟動紅綠燈，司機(jī)遇紅燈時按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當(dāng)行人踏上對壓力敏感的

12、路面時，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯(lián)合國道路交通和道路標(biāo)志信號協(xié)定對各種信號燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一種標(biāo)志禁止某一種轉(zhuǎn)向。左右轉(zhuǎn)彎車輛都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可以進(jìn)入交叉路口。交通對于

13、社會的工業(yè)經(jīng)濟(jì)和人們的生活生產(chǎn)中有著十分重要的意義。交通控制系統(tǒng)是近現(xiàn)代社會隨著物流、出行等交通發(fā)展產(chǎn)生的一套獨特的公共管理系統(tǒng)。要保證高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通規(guī)則，還必須通過一定的技術(shù)手段加以實現(xiàn)。隨著單片機(jī)和傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，自動檢測領(lǐng)域發(fā)生了巨大變化，智能交通燈控制系統(tǒng)方面的研究有了明顯的進(jìn)展，并且必將以其優(yōu)異的性能價格比，逐步取代傳統(tǒng)的交通燈控制措施。1.2 課題研究的意義科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步推動了交通工具的現(xiàn)代化，社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展則導(dǎo)致了交通量的急劇增長并進(jìn)而加劇了交通擁擠與阻塞的嚴(yán)重程度，城市交通的規(guī)模與復(fù)雜特征、傳統(tǒng)交通控制和交通擁擠一直是困擾世界各國的一大難題，目前美

14、國每年由于交通擁擠造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2370億美元以上，而我國國內(nèi)百萬人以上的大城市每年由交通阻塞造成的直接間接經(jīng)濟(jì)損失約計1600億元以上，相當(dāng)于國內(nèi)生產(chǎn)總值的3.2%。解決城市交通問題的根本路徑大致有兩條：一是加快交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；二是加強(qiáng)交通管理。前者是發(fā)展城市交通，滿足各種交通需求的物質(zhì)基礎(chǔ)，而后者則為合理使用現(xiàn)有交通設(shè)施。保證人車的安全，在良好的交通環(huán)境下，使現(xiàn)有設(shè)施的能力得以發(fā)揮。二者相比，由于在大城市新建和擴(kuò)建道路的可能性受空間制約越來越小。當(dāng)前城市交通管理的重點也側(cè)重于加強(qiáng)交通管理，對平面交叉口的研究一般都是應(yīng)用交通信號在時間上給車輛分配通行權(quán)，從而實現(xiàn)車輛在時間上的分離。智

15、能的交通信號燈指揮者人和車輛的安全運行，實現(xiàn)紅、黃、綠燈的自動指揮是城鄉(xiāng)交通管理現(xiàn)代化的重要課題。在城鄉(xiāng)街道的十字交叉路口，為了保證交通秩序和行人安全，一般在每條道路上各有一組紅、綠、黃交通信號燈。其中紅燈亮，表示該條道路禁止通行；黃燈亮，則表示該條道路上未經(jīng)過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行；綠燈亮，則表示該條道路上允許通行。交通燈控制電路自動控制十字路口兩組紅、黃、綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，指揮各種車輛和行人安全通行，從而實現(xiàn)十字路口城鄉(xiāng)交通管理自動化。智能交通燈控制系統(tǒng)研究的發(fā)展，旨在解決人類交通因需求的增多而日益繁重帶來的問題，局限于道路建設(shè)的暫時不足和交通工具的快速增長，就要

16、使更多的車輛安全高效的利用有限的道路資源，避免因無序和搶行等無控制原因造成的不必要阻塞甚至癱瘓，另外，針對整個交通線路車輛的多少實時調(diào)整和轉(zhuǎn)移多條線路的分流也十分必要。交通網(wǎng)絡(luò)是城市的動脈，象征著一個城市的工業(yè)文明水平。交通關(guān)系著人們對于財產(chǎn)，安全和時間相關(guān)的利益。具有優(yōu)良科學(xué)的交通控制技術(shù)對資源物流和人們出行都是十分有價值的，保證交通線路的暢通安全，才能保證出行舒暢，物流準(zhǔn)時到位，甚至是生命通道的延伸。1.3 智能交通燈的研究背景智能交通燈是智能交通領(lǐng)域的一個分支。智能交通系統(tǒng)，簡稱ITS(Intelligent Transport Systems)，作為一個概念性名詞出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代

17、初，但其思想早在20世紀(jì)30年代已有萌芽，當(dāng)時美國通用汽車公司和福特汽車公司倡導(dǎo)和推廣過“現(xiàn)代化公路網(wǎng)”的構(gòu)想，而20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的靜態(tài)路徑誘導(dǎo)、計算機(jī)交通控制技術(shù)等都可謂是ITS的雛形，不過當(dāng)時其重要性并不明顯，沒有受到人們足夠的重視。因此，近幾年來世界各國都競相投資ITS的研發(fā)和應(yīng)用。智能交通燈的應(yīng)用是解決智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)外較為完善的交通信號控制系統(tǒng)主要有英國的TRANSYT（Traffic Net work Study Tool）和SCOOT（Split,Cycle and Of set Optimization Technique,綠信比、周期

18、和相位差優(yōu)化技術(shù)）系統(tǒng)和澳大利亞的SCATS（Sydney Coordinated Adaptive Traffic System）,悉尼協(xié)調(diào)自適應(yīng)交通系統(tǒng)，以及美國、日本等國家開發(fā)的一些系統(tǒng)，其中以英國的SCOOT系統(tǒng)和澳大利亞的SCATS系統(tǒng)相較為著名。它們在中國的城市（如：上海、杭州、寧波等用的是SCATS系統(tǒng)；成都、大連、北京等用的是SCOOT系統(tǒng)）也得到了較好的應(yīng)用。但由于這些系統(tǒng)多為交通信號控制專用系統(tǒng)，因此開放性較差，難于同其它系統(tǒng)連接和協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)帶有一定的局限性，并且價格比較昂貴，沒有充分考慮我國現(xiàn)有的國情（如自行車交通流和行人的交通流等）。我國近幾年經(jīng)過深入研究，也開發(fā)出

19、了一些適用于我國交通狀況的交通控制系統(tǒng)，主要有上海交通大學(xué)的SUATS系統(tǒng)和南京、深圳等地研制的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在深入研究國外先進(jìn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，融合了大量交警實際控制經(jīng)驗，以開放性為前提，增加了符合國情的特殊功能。但還不成熟，控制效果也不是非常好，沒有得到廣泛應(yīng)用。因此，結(jié)合我國國民經(jīng)濟(jì)，建立一個相對廉價、獲取信息多且準(zhǔn)確、工作可靠、具有智能交通控制系統(tǒng)勢在必行。1.5 我國交通燈現(xiàn)狀隨著城市機(jī)動車增長速度的加快，1994年我國城市機(jī)動車保有量已接近500萬輛。20世紀(jì)90年代以來，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展加快，從1985年到1995年，機(jī)動車增長率達(dá)13%左右，近幾年更是增多。然而，在此同時，城市道路建設(shè)規(guī)

20、模也在加大。我國城市普遍存在道路密度、道路面積率偏低的問題。我國城市道路的密度只有6.8km每平方千米，而在20世紀(jì)80年代，世界發(fā)達(dá)國家就已到達(dá)20km每平方千米。20世紀(jì)90年代，我國部分城市道路面積率，北京為5.9%，上海為6.4%，而國外東京為13.8%，巴黎為25%，普遍高于我國。近幾年，國家雖不斷加大城市道路建設(shè)的力度，但仍趕不上車輛的增長速度，且與世界其他國家相比，差距仍很大。目前我國城市街道交叉路口的交通信號燈雖然是自動的，但是仔細(xì)觀察就會發(fā)現(xiàn)紅綠燈的交替轉(zhuǎn)換是定時式的，即轉(zhuǎn)換的間隔時間是固定不變的。定時式并不符合實際要求。因為，如果東西和南北兩方向車流量相差很大，而信號燈還是

21、平均分配導(dǎo)通時間，就會出現(xiàn)這樣的問題：車多的方向?qū)〞r間不足，而車少的方向?qū)〞r間剩余，造成一方向車擠另一方向車松的不合理的局面，這就是機(jī)器自動控制不如人工現(xiàn)場指揮的差別。然而人工指揮勞動強(qiáng)度大，我們應(yīng)充分發(fā)揮計算機(jī)的作用，用計算機(jī)模擬人的智能來控制交通燈，從而提高經(jīng)濟(jì)和社會效益。1.6 論文結(jié)構(gòu)基于整個交通控制系統(tǒng)的發(fā)展情況，本設(shè)計主要進(jìn)行如下方面的研究：用智能，集成，且功能強(qiáng)大的單片機(jī)芯片為控制中心，設(shè)計出一套十字路口的交通控制系統(tǒng)，以指揮路口的實時通行狀態(tài)。在緒論部分講述了本課題的研究背景與意義、國內(nèi)外智能交通控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)在以及我國交通燈的現(xiàn)狀。在第二章中，基于緒論部分對單片機(jī)智能交

22、通燈控制系統(tǒng)的部分了解以及現(xiàn)實生活中的需要，根據(jù)設(shè)計要求提出總體設(shè)計方案論證與選擇，介紹了智能交通燈控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及原理。在一、二章的基礎(chǔ)上，第三章完成了硬件的選型以及硬件電路的設(shè)計。第四章首先根據(jù)軟件設(shè)計流程圖簡要介紹了軟件設(shè)計，并介紹了各個程序模塊的基本設(shè)計思想。第五章簡要介紹了proteus軟件及電路繪制并且詳細(xì)敘述了如何實現(xiàn)電路的仿真。最后是對本課題的總結(jié)與展望，概述了系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，前景及致謝、附錄、參考文獻(xiàn)等關(guān)于本次畢業(yè)設(shè)計的后續(xù)工作。附錄為系統(tǒng)的程序清單以及整體電路圖供閱讀參考。第2章 智能交通燈控制系統(tǒng)方案設(shè)計第2章 智能交通燈控制系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 智能交通燈控制系統(tǒng)的通

23、行方案設(shè)計設(shè)在十字路口，分為東西向和南北向，在任一時刻只有一個方向通行，另一方向禁行，持續(xù)一定時間，經(jīng)過短暫的過渡時間，將通行禁行方向?qū)Q。其具體狀態(tài)如下圖所示。說明：黑色表示亮，白色表示滅。交通狀態(tài)從狀態(tài)1開始變換，直至狀態(tài)4然后循環(huán)至狀態(tài)1，周而復(fù)始，即如圖2.1所示：圖2.1 交通狀態(tài)通過具體的路口交通燈狀態(tài)的演示分析我們可以把這四個狀態(tài)歸納如下：（1）南北綠燈亮，東西紅燈亮。此狀態(tài)下，南北允許通行，東西禁止通行。（2）南北黃燈亮，東西保持紅燈亮。此狀態(tài)下除了已經(jīng)正在通行中的其他所以車輛都需等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換。（3）東西綠燈亮，南北紅燈亮。此狀態(tài)下，東西允許通行，南北禁止通行。（4）東西黃燈亮

24、，南北保持紅燈亮。此狀態(tài)下除了已經(jīng)正在通行中的其他所以車輛都需等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換。下面用圖表表示燈狀態(tài)和行止?fàn)顟B(tài)的關(guān)系如下：表2-1 交通狀態(tài)及紅綠燈狀態(tài)狀態(tài)1狀態(tài)2狀態(tài)3狀態(tài)4南北向通行等待變換禁行等待變換東西向禁行等待變換通行等待變換南北紅燈0011南北綠燈1000南北黃燈0100東西紅燈1100東西綠燈0010東西黃燈0001東西南北四個路口均有紅綠黃3燈和數(shù)碼顯示管2個，在任一個路口，遇紅燈禁止通行，轉(zhuǎn)綠燈允許通行，之后黃燈亮警告行止?fàn)顟B(tài)將變換。狀態(tài)及紅綠燈狀態(tài)如表2.1所示。說明：0表示滅，1表示亮。2.2 智能交通燈控制系統(tǒng)的功能要求本設(shè)計能模擬基本的交通控制系統(tǒng)，用紅綠黃燈表示禁行，通

25、行和等待的信號發(fā)生，還能進(jìn)行倒計時顯示，車流量檢測及調(diào)整，錯誤報警等功能。（1）倒計時顯示倒計時顯示可以提醒駕駛員在信號燈燈色發(fā)生改變的時間、在“停止”和“通過”兩者間作出合適的選擇。駕駛員和行人普遍都愿意選擇有倒計時顯示的信號控制方式，并且認(rèn)為有倒計時顯示的路口更安全。倒計時顯示是用來減少駕駛員在信號燈色改變的關(guān)鍵時刻做出復(fù)雜判斷的1種方法，它可以提醒駕駛員燈色發(fā)生改變的時間，幫助駕駛員在“停止”和“通過”兩者間作出合適的選擇 （2）紅綠燈顯示紅綠燈顯示可以直觀的告訴駕駛員禁行，通行和等待的信號。本設(shè)計紅綠燈有四種狀態(tài)：首先南北綠燈亮，東西紅燈亮。一定時間后，南北黃燈開始閃爍，持續(xù)5s，東西

26、向保持紅燈亮。接著南北向紅燈亮，東西綠燈亮。一定時間后，東西黃燈閃爍，持續(xù)5s，南北向保持紅燈亮。（3）車流量檢測及調(diào)整隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，城市人口和機(jī)動車擁有量在急劇增長，交通流量日益加大，交通擁擠堵塞現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，交通事故時有發(fā)生。車輛檢測器作為智能交通系統(tǒng)的基本組成部分，在智能交通系統(tǒng)中占有重要的地位。現(xiàn)階段，車輛檢測器檢測方式有很多，各有其優(yōu)缺點，如遙感微波檢測器、磁感應(yīng)車輛檢測器、紅外線車輛檢測器等。通過比較南北向和東西向的車流量，調(diào)節(jié)紅綠燈的間隔時間。2.3 智能交通燈控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及原理單片機(jī)設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)，可用單片機(jī)直接控制信號燈的狀態(tài)變化，基本上可以指揮交通的

27、具體通行，當(dāng)然，接入LED數(shù)碼管就可以顯示倒計時以提醒行使者，更具人性化。本系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上，加入了車流量檢測電路為單片機(jī)采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)對此進(jìn)行具體處理，及時調(diào)整控制指揮，為了超越視覺指揮的局限性，同時接上蜂鳴器，在聽覺上加強(qiáng)了指揮提醒作用。單片機(jī)LED數(shù)碼管顯示蜂鳴器車流量檢測電路紅黃綠信號燈最小系統(tǒng)外圍檢測電路圖2.2 系統(tǒng)的總體框圖本設(shè)計系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，由車流量檢測模塊產(chǎn)生輸入，信號燈狀態(tài)模塊，LED倒計時模塊和蜂鳴器狀態(tài)模塊接受輸出。系統(tǒng)的總體框圖如圖2.2所示。2.4 本章小結(jié)本章主要對智能交通燈控制系統(tǒng)方案設(shè)計進(jìn)行了介紹，概述了智能交通燈控制系統(tǒng)的功能要求以及系統(tǒng)的總體框架

28、。第3章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計第3章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計3.1 主要硬件的選型實現(xiàn)本設(shè)計要求的具體功能，可以用單片機(jī)及外圍器件構(gòu)成最小控制系統(tǒng)，12個發(fā)光二極管分成4組紅綠黃三色燈構(gòu)成信號燈指示模塊，8個LED東西南北各兩個構(gòu)成倒計時顯示模塊，車流量檢測傳感器采集流量數(shù)據(jù)，1個蜂鳴器進(jìn)行報警。3.1.1 單片機(jī)的選型采用AT89S51單片機(jī)作為主控制器。AT89S51具有兩個16位定時器/計數(shù)器，5個中斷源，便于對車流量進(jìn)行定時中斷檢測。32根I/O線，使其具有足夠的I/O口驅(qū)動數(shù)碼管及交通燈。外部存貯器尋址范圍ROM、RAM64K，便于系統(tǒng)擴(kuò)展。其T0，T1口可以對外部脈沖進(jìn)行實時計數(shù)操作，故

29、可以方便實現(xiàn)車流量檢測信號的輸入。選用AT89S51單片機(jī)跟其他單片機(jī)相比，經(jīng)濟(jì)實惠，滿足設(shè)計要求，故選用AT89S51單片機(jī)作為主控制器。3.1.2 車流量檢測傳感器的選型車流量檢測傳感器有三種方案如下：方案一：采用遙感微波檢測器(RTMS)。微波交通檢測器是利用雷達(dá)線性調(diào)頻技術(shù)原理，通過發(fā)射中心頻率為10.525GHz或24.200GHz的連續(xù)頻率調(diào)制微波(FMCW)；在檢測路面上，投映一個寬度為3-4米，長度為64米的微波帶。每當(dāng)車輛通過這個微波投映區(qū)時，都會向RTMS反射一個微波信號，RTMS接收反射的微波信號，并計算接收頻率和時間的變化參數(shù)以得出車輛的速度及長度，提供車流量、道路占有

30、率、速度和車型等實時信息。為了檢測出車道上車的數(shù)量，RTMS在微波束的發(fā)射方向上以2M為一個層面分展探測物體，微波束在15度范圍內(nèi)投影形成一個分為32個十層面的橢圓形波束，(橢圓的寬度取決于儀器選擇的工作方式)，通過這種方式可檢測出車量數(shù)RTMS具有兩種基本的使用模式，分別是路邊側(cè)向模式和前方正向模式。路邊側(cè)向模式可以使用一臺RTMS同時檢測多至8條車道，并提供每條車道的交通信息。前方正向模式，用一臺RTMS實時檢測一條單一車道的交通情況。RTMS的檢測精度高，且是一個全天候的車輛檢測器。方案二：采用磁感應(yīng)車輛檢測器.這種環(huán)形線圈檢測器是傳統(tǒng)的交通檢測器，是目前世界上用量最大的一種檢測設(shè)備。這

31、些埋設(shè)在道路表面下的線圈可以檢測到車輛通過時的電磁變化進(jìn)而精確地算出交通流量。交通流量是交通統(tǒng)計和交通規(guī)劃的基本數(shù)據(jù)，通過這些檢測結(jié)果可以用來計算占用率(表征交通密度)， 在使用雙線圈模式時還可以提供速度、車輛行駛方向、車型分類等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對于交通管理和統(tǒng)計是極為重要的。原理方框圖如下：環(huán)形檢測器1環(huán)形檢測器n自定義總線控制單元調(diào)制解調(diào)器監(jiān)控中心 圖3.1 磁檢測器方框圖該方案測量精度較好，且性能穩(wěn)定。方案三：利用紅外線車輛檢測器。紅外線車輛檢測器是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，通過同步回路檢測物體有無。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光

32、信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對目標(biāo)物體進(jìn)行探測。如當(dāng)汽車通過光掃描區(qū)域時，部分或全部光束被遮擋，從而實現(xiàn)對車輛數(shù)據(jù)的綜合檢測。常利用光電開關(guān)技術(shù)，具有高速響應(yīng)，抗干擾性強(qiáng)，不受惡劣氣象條件或物體顏色的影響的優(yōu)點，而且安裝簡便。方案一造價高，且易受環(huán)境影響，方案二需將檢測器埋入地底下，對已建成道路使用不方便。方案三性價比高，且設(shè)計簡單，權(quán)衡利弊，故選用方案三。在本系統(tǒng)中，采用對射式紅外線光電開關(guān)HJS18-M14DNK檢測車流量。該紅外線光電開關(guān)工作電壓為直流10-30V，檢測距離為10m，響應(yīng)時間小于3ms,能在-2555的溫度條件下正常工作。當(dāng)有車輛通過光電開關(guān)之間時，輸出

33、端將輸出一個開關(guān)信號，送入單片機(jī)，單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)程序自動對輸入信號進(jìn)行計數(shù)，從而完成對車流量的統(tǒng)計。3.1.3 電源電路的選型由于單片機(jī)工作時需要+5V電壓,所以在設(shè)計電源電路時,需要一個三端穩(wěn)壓器能提供+5V電壓。三端穩(wěn)壓器，主要有兩種：一種輸出電壓是固定的，稱為固定輸出三端穩(wěn)壓器；另一種輸出電壓是可調(diào)的，稱為可調(diào)輸出三端穩(wěn)太器。其基本原理相同，均采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。在線性集成穩(wěn)壓器中，由于三端穩(wěn)壓器只有三個引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能穩(wěn)定，價格低廉等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。三端穩(wěn)壓器的通用產(chǎn)品有78系列（正電源）和79系列（負(fù)電源），輸出電壓由具體型號中的后面兩個數(shù)字代表，有5

34、V，6V，8V，9V，12V，15V，18V，24V等檔次。由于7805能夠提供5V電壓的三端穩(wěn)壓電源,在實際的電路控制中應(yīng)用其作為電源電路較為廣泛,在普通的電子元器件商場都有銷售易于購買,并且技術(shù)相對成熟.7805一腳為電源輸入端,二腳為公共接地端,三腳即為我們所需要的+5V電壓輸出端.本文采用最典型的7805提供電壓的電路,即在7805的1腳和公共接地端(即2腳)之間接入0.3F的電容,在公共接地端和三腳+5V電壓輸出端之間接入0.1F的電容。3.2 系統(tǒng)硬件總電路構(gòu)成及原理3.2.1 系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成本系統(tǒng)實現(xiàn)的是對城市十字路口交通的控制，它由三大部分組成：(1)信息的采集部分；(2)單

35、片機(jī)自動控制部分；(3)顯示部分。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，組成一個集車流量采集、處理、自動控制為一身的開環(huán)控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)硬件電路由車流量檢測電路、單片機(jī)、狀態(tài)燈、LED顯示、蜂鳴器組成。其具體的硬件電路總圖如圖所示。P0接上拉電阻與P2控制LED數(shù)碼管，P1用于控制紅綠黃發(fā)光二極管， INT1口接蜂鳴器，XTAL1和XTAL2接入晶振時鐘電路，RESET引腳接上復(fù)位電路，T1口接車流量傳感器。圖3.2 總體設(shè)計電路圖3.2.2 系統(tǒng)工作原理通過車流量傳感器對東西和南北兩條通道的車流量的測量，將車流量信息以脈沖電平的方式傳給單片機(jī)。單片機(jī)能通過程序運算得到兩條通道車流量的大小來控制路口各方向的紅綠

36、燈時長，并由LED顯示。以一個周期向傳感器取一次數(shù)據(jù)。信息采集主要是對路口各方向的車流量進(jìn)行采集。因為關(guān)系到哪個方向通行時間長，哪個方向通行時間短。目前大多采用光學(xué)或壓力傳感器，以確定每個路口在一定時間段車輛通過的次數(shù)。本設(shè)計采用比例的方法利用紅外線傳感器只計算出需比較兩個相對路口車流量的比值即可。設(shè)計車流量傳感器，一個對準(zhǔn)東西方向取樣，另一個對南北方向取樣，分別取得兩個代表東西和南北方向車流量a和b。用單片機(jī)巡回檢測，并將他們進(jìn)行比較。若二者相等則按一定時間間隔交替導(dǎo)通。若ab，進(jìn)入a方向綠燈延時程序。反之，進(jìn)入b方向綠燈延時程序。該控制程序又根據(jù)具體的比例做時長的變換。這些工作全部由單片機(jī)

37、完成。單片機(jī)通過接口得到a和b相對應(yīng)的電壓信號量，然后對其進(jìn)行處理、分析和判斷，改變信號燈輸出時長，直接控制信號燈驅(qū)動電路，實現(xiàn)單片機(jī)對信號燈的智能控制。本系統(tǒng)先顯示狀態(tài)燈及LED數(shù)碼管，將狀態(tài)碼值送顯P1口，將要顯示的時間值送顯P0口和用P2口來選通LED數(shù)碼管的顯示導(dǎo)通，在此同時以50ms為周期，用軟件方法計時1秒，到達(dá)1s就要將時間值減1，刷新LED數(shù)碼管。該智能交通燈控制系統(tǒng)以四個狀態(tài)為一周期循環(huán)。每滿一個狀態(tài)循環(huán)周期，則須將檢測到的車流量數(shù)據(jù)處理一次，判斷兩個方向的交通輕重緩急狀況，再調(diào)整下次狀態(tài)循環(huán)的紅綠燈時間，以達(dá)到自動控制的目的。3.3 AT89S51單片機(jī)簡介3.3.1 單片

38、機(jī)的概述單片微型計算機(jī)簡稱單片機(jī)，又稱微控制器，嵌入式微控制器等，屬于第四代電子計算機(jī)。它把中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口電路以及定時器/計數(shù)器集成在一塊芯片上，從而具有體積小、功耗低、價格低廉、抗干擾能力強(qiáng)且可靠性高等特點，因此，適合應(yīng)用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表和測控系統(tǒng)的前端裝置。正是由于這一原因，國際上逐漸采用微控制器(MCU)代替單片微型計算機(jī)(SCM)這一名稱。“微控制器”更能反映單片機(jī)的本質(zhì)，但是由于單片機(jī)這個名稱已經(jīng)為國內(nèi)大多數(shù)人所接受，所以仍沿用“單片機(jī)”這一名稱。單片機(jī)的主要特點有：（1）具有優(yōu)異的性能價格比。（2）集成度高、體積小、可靠性高。（3）控制功能強(qiáng)。（4）

39、低電壓，低功耗。AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器,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)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器 既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯中,ATMEL公司的功能強(qiáng)大，低價位AT89S51單片機(jī)可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。3.3.2 AT89S51主要引腳功能AT89S51引腳圖如圖3.3所示：圖3.3 引腳圖VCC：電源電壓GND：地P0口：P0口是一組8位漏極開路型

40、雙向I0口，也即地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“l(fā)”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。P1口：Pl口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，Pl的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“l(fā)”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。Flash編程和程序校驗期間，Pl接收低8位地址。P1口除了作為一般的I0口線外，更重要的用途是它的

41、第二功能，如表3-1所示：表3-1 具有第二功能的P1口引腳端口引腳第二功能：P1.5MOSI（用于ISP編程）P1.6MOSI（用于ISP編程）P1.7MOSI（用于ISP編程）P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向IO 口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVXDPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（

42、如執(zhí)行MOVXRi指令）時，P2口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中P2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。Flash編程或校驗時，P2口亦接收高位地址和其它控制信號。P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I0 口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“l(fā)”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I0口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表3-2所示：表3-2 具有第二功能的P3口引腳端口引腳第二功能：P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串

43、行輸出口）P3.2/INT0（外中斷0P3.3/ INT1（外中斷1）P3.4T0（定時計數(shù)器0外部輸入）P3.5T1（定時計數(shù)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口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。WDT 溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置SFR AUXR的DISRT0位（地址8EH）可打開或關(guān)閉該功能。DISRT0位缺省為RESET輸出高電平打開狀態(tài)。ALE/：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出

44、脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的16輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對F1ash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條M0VX和M0VC指令A(yù)LE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE無效。：片外程序存儲器讀選通信號輸出端，或稱片外取指信號輸出端。在向片外程序存儲器讀取指令或常數(shù)期間，每個機(jī)器周期該信號二次有

45、效（低電平），以通過數(shù)據(jù)總線P0口讀回指令或常數(shù)。/：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。F1ash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程電壓。XTAL1：片內(nèi)反相放大器輸入端。XTAL2：片內(nèi)反相放大器輸出端。外接晶體時，XTAL1與XTAL2各接晶體的一端，借外接晶體與片內(nèi)反相放大器構(gòu)成振蕩器。3.3.3 AT89S51芯片最小系統(tǒng)一個最簡單的單片機(jī)系統(tǒng)包括晶振、復(fù)位、電源、系統(tǒng)的輸入控制、

46、輸出顯示，以及其他外圍模塊(如通信、數(shù)據(jù)采集等)。(1)時鐘電路圖3.4 晶振電路圖單片機(jī)的晶振電路，即時鐘電路。單片機(jī)的工作流程，就是在系統(tǒng)時鐘的作用下，一條一條地執(zhí)行存儲器中的程序。單片機(jī)的時鐘電路由外接的一只晶振和兩只起振電容，以及單片機(jī)內(nèi)部的時鐘電路組成，晶振的頻率越高，單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度越快，系統(tǒng)功耗也會相應(yīng)增加，穩(wěn)定性也會下降。單片機(jī)系統(tǒng)常用的晶振頻率有6MHz、11.0592MHz、12MHz、本系統(tǒng)采用11.0592MHz晶振，電容選22pF或30pF均可。(2)復(fù)位電路圖3.5 復(fù)位電路圖系統(tǒng)剛上電時，單片機(jī)內(nèi)部的程序還沒有開始執(zhí)行，需要一段準(zhǔn)備時間，也就是復(fù)位時間。一個穩(wěn)

47、定的單片機(jī)系統(tǒng)必須設(shè)計復(fù)位電路。當(dāng)程序跑飛或死機(jī)時，也需要進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位電路有很多種，有上電復(fù)位，手動復(fù)位等。復(fù)位電路的原理是單片機(jī)RST引腳接收到2個機(jī)器周期以上的高電平信號，只要保證電容的充放電時間大于2個機(jī)器周期，即可實現(xiàn)復(fù)位。在單片機(jī)啟動0.1S后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這時候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時候，開關(guān)導(dǎo)通，這個時候電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時間的推移，電容的電壓在0.1S內(nèi)，從5V釋放到變?yōu)榱?.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這

48、個時候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機(jī)系統(tǒng)自動復(fù)位。 (3) EA腳的功能及接法單片機(jī)的EA腳控制程序從內(nèi)部存儲器還是從外部存儲器讀取程序。由于現(xiàn)在單片機(jī)內(nèi)部的flash容量都很大，因此基本都是從內(nèi)部的存儲器讀取程序，即不需要外接ROM來存儲程序，因此，EA腳必須接高電平。3.4 車流量檢測模塊介紹在本系統(tǒng)中，采用對射式紅外線光電開關(guān)HJS18-M14DNK檢測車流量。該傳感器工作電壓為直流10-30V，檢測距離為10m，響應(yīng)時間小于3ms,能在-2555的溫度條件下正常工作。當(dāng)有車輛通過光電開關(guān)之間時，輸出端將輸出一個開關(guān)信號，送入單片機(jī)，單片機(jī)

49、執(zhí)行相應(yīng)程序自動對輸入信號進(jìn)行計數(shù)，從而完成對車流量的統(tǒng)計。車流量檢測傳感器可對單片機(jī)控制系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)，系統(tǒng)對所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實現(xiàn)紅綠燈控制必須解決對當(dāng)前十字路口的交通狀況的檢測，并完成如下工作:1.輸入量的采集，系統(tǒng)采集兩個輸入量，即兩個方向的車流量。2.輸出量的確認(rèn)，即紅綠燈時間值。為了采集上述數(shù)據(jù)，在十字路口的四側(cè)共設(shè)置2個傳感器。分別檢測兩個方向的車流量，車流量檢測不是最終目的，在每半個循環(huán)周期，系統(tǒng)會檢測到兩個方向的車流量數(shù)據(jù)，除以時間，那么就可以得到單位時間的車流量，然后比較兩個方向單位時間車流量多少，以確定下一次循環(huán)紅綠燈時間，達(dá)到調(diào)整的目的。3.4.1 光電開關(guān)的工作原理

50、光電開關(guān)（光電傳感器）是光電接近開關(guān)的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對目標(biāo)物體進(jìn)行探測。其工作原理圖如圖3.6所示：圖3.6 光電開關(guān)工作原理簡圖發(fā)送器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該

51、信號。3.4.2 光電開關(guān)的分類（1）漫反射式光電開關(guān)它是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測物體經(jīng)過時，物體將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當(dāng)被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，漫反射式的光電開關(guān)是首選的檢測模式。（2）鏡反射式光電開關(guān)它亦集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過反射鏡反射回接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過且完全阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測開關(guān)信號。（3）對射式光電開關(guān)它包含了在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關(guān)

52、就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當(dāng)檢測物體為不透明時，對射式光電開關(guān)是最可靠的檢測裝置。（4）槽式光電開關(guān)它通常采用標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)量信號。槽式光電開關(guān)比較適合檢測高速運動的物體，并且它能分辨透明與半透明物體,使用安全可靠。（5）光纖式光電開關(guān)它采用塑料或玻璃光纖傳感器來引導(dǎo)光線，可以對距離遠(yuǎn)的被檢測物體進(jìn)行檢測。通常光纖傳感器分為對射式和漫反射式。但光纖式光電開關(guān)有一些缺點：適宜空間狹小、電磁干擾大、溫差大。3.4.3 光電開關(guān)的應(yīng)用隨著我國工業(yè)自動化技術(shù)的迅速發(fā)展，光電開關(guān)自動化元件將被普遍采用

53、。應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展，采用集成電路技術(shù)和SMT表面安裝工藝而制造的新一代光電開關(guān)器件，具有延時、展寬、外同步、抗相互干擾、可靠性高、工作區(qū)域穩(wěn)定和自診斷等智能化功能。這種新穎的光電開關(guān)是一種采用脈沖調(diào)制的主動式光電探測系統(tǒng)型電子開關(guān)，它所使用的冷光源有紅外光、紅色光、綠色光和藍(lán)色光等，可非接觸、無損傷地檢測和控制各種固體。新型光電開關(guān)具有體積小、功能多、壽命長、精度高、響應(yīng)速度快、檢測距離遠(yuǎn)以及抗光、電、磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。目前，這種新型的光電開關(guān)已被用作物位檢測、液位控制、產(chǎn)品計數(shù)、寬度判別、速度檢測、定長剪切、孔洞識別、信號延時、自動門傳感、色標(biāo)檢出、沖床和剪切機(jī)以及安全防護(hù)等諸多領(lǐng)域。

54、3.5 其它硬件介紹3.5.1 發(fā)光二極管根據(jù)本設(shè)計的特點，紅綠燈的顯示不可少，紅綠燈的顯示采用普通的發(fā)光二極管。每個方向上設(shè)置紅綠黃燈，總共4組。如果東西紅燈亮，那南北方向就是綠燈亮，反之亦然，所以在硬件上連接圖上也是對稱分布的，如圖3.7所示。圖3.7 信號燈的連接3.5.2 七段LED 數(shù)碼管LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，它是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由三部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位

55、，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子，中間通常是1至5個周期的量子阱。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子和空穴就會被推向量子阱，在量子阱內(nèi)電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。LED顯示屏作為大型顯示設(shè)備的一種，具有亮度高、價格低、壽命長、維護(hù)簡便等優(yōu)點。LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)簡單，分為七段和八段兩種形式，也有共陽和共陰之分。以八段共陰管為例，它有8個發(fā)光二極管(比七段多一個發(fā)光二極管，用來顯示SP，即點)，每個發(fā)光二極管的陰極連在一起。這樣，一個LED數(shù)碼管就有I根位選線和8根段選線，要想顯示一個數(shù)值

56、，就要分別對它們的高低電平來加以控制。由于交通燈數(shù)碼管沒有SP位，本文主要討論共陰七段LED數(shù)碼顯示管，其他類形的顯示管與其類似。圖3.8 LED數(shù)碼管LED 燈的顯示原理:通過同名管腳上所加電平的高低來控制發(fā)光二極管是否點亮而顯示不同的字形，如a，b，c，d，e，f，g全亮，則數(shù)碼管顯示為8。采用共陰極連接：表3-3 驅(qū)動代碼表顯示數(shù)值a b c d e f g驅(qū)動代碼（16進(jìn)制）01 1 1 1 1 1 00x3f10 1 1 0 0 0 00x0621 1 0 1 1 0 10x5b31 1 1 1 0 0 10x4f40 1 1 0 0 1 10x6651 0 1 1 0 1 10x6

57、d61 0 1 1 1 1 10x7d71 1 1 0 0 0 00x0781 1 1 1 1 1 10x7f91 1 1 1 0 1 10x6f3.5.3 電源電路設(shè)計不管是AT89S51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，因此，一個穩(wěn)定的、持續(xù)的+5V直流電源對本系統(tǒng)十分重要。本設(shè)計運用橋式整流電路，將交流轉(zhuǎn)換為直流，可為各部分電路提供恒定的+5V直流。220V左右的交流電壓，經(jīng)變壓器后轉(zhuǎn)換為15V左右的電壓，再經(jīng)全波整流電橋整流后，得到一幅0-8V左右的波動直流。這一波動的直接經(jīng)過電解電容C4濾波后，得到一個較平穩(wěn)的直流，再經(jīng)過LM7805穩(wěn)壓為+5V后，得

58、到穩(wěn)定的+5V直流電流，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓，保證電路的穩(wěn)定性和抗干擾性，其電路如圖3.9所示。圖中C5用于抵消輸入線較長時的電感效應(yīng)，以防止電路產(chǎn)生自激震蕩，其容量較小，本設(shè)計選擇的為0.31F的電容。圖中C6用于消除輸出電壓中的高頻噪聲，本設(shè)計選用0.1F的電容。圖3.9 電源電路3.5.4 蜂鳴器本設(shè)計采用一般蜂鳴器，蜂鳴器使用PNP三極管進(jìn)行驅(qū)動控制，當(dāng)連接到單片機(jī)上的引腳輸出為低電平，PNP導(dǎo)通，蜂鳴器蜂鳴；當(dāng)連接到單片機(jī)上的引腳輸出高電平時，PNP截止，蜂鳴器停止蜂鳴。如圖3.10所示圖3.10 蜂鳴器連接3.6 本章小結(jié)本章首先對單片機(jī)、車流量傳感器和電源模塊進(jìn)行了選型，接著介紹了

59、總體設(shè)計電路圖的構(gòu)成及原理。第三部分詳細(xì)介紹了AT89S51單片機(jī)各個管腳的功能和內(nèi)部芯片，以及AT89S51單片機(jī)的最小系統(tǒng)。第四部分主要介紹了紅外線傳感器的原理。最后對其他硬件進(jìn)行了介紹，如發(fā)光二極管，LED數(shù)碼管以及電源電路等。-23-第4章 軟件設(shè)計第4章 軟件設(shè)計硬件平臺結(jié)構(gòu)一旦確定，大的功能框架基本形成。軟件在硬件平臺上構(gòu)筑，完成各部分硬件的控制和協(xié)調(diào)。系統(tǒng)功能是由軟硬件共同實現(xiàn)的，因為軟件的可伸縮性，最終實現(xiàn)的系統(tǒng)功能可強(qiáng)可弱，差別可能很大。因此，系統(tǒng)是本系統(tǒng)的靈魂。軟件采用模塊化設(shè)計方法，不但易于編程和調(diào)試，也可以減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。同時，對軟件進(jìn)行全面測試也是檢

60、驗錯誤排除故障的重要手段。這里我采用了常用的C語言編程來實現(xiàn)的。4.1 主程序設(shè)計將整個流程分為四個狀態(tài)如下：（1）南北綠燈亮，東西紅燈亮。此狀態(tài)下，南北允許通行，東西禁止通行。（2）南北黃燈閃爍5s，東西保持紅燈亮。此狀態(tài)下除了已經(jīng)正在通行中的其他所以車輛都需等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換。（3）東西綠燈亮，南北紅燈亮。此狀態(tài)下，東西允許通行，南北禁止通行。（4）東西黃燈閃爍5s，南北保持紅燈亮。此狀態(tài)下除了已經(jīng)正在通行中的其他所以車輛都需等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換。主程序采用查詢方式定時，獲取交通燈的各種狀態(tài)。主程序流程圖如圖4.1所示。4.2 車流量采樣程序設(shè)計車流量采樣程序主要功能是采樣各路口的車流量，每次紅燈轉(zhuǎn)換成

61、綠燈前兩秒對路口車流量進(jìn)行采樣，然后根據(jù)采樣后得到的車流量的大小來分配紅綠燈的時間。根據(jù)兩方向車流量的比例分成5個區(qū)域：小于0.4，0.4-0.8，0.8-1.2，1.2-1.6，大于1.6。 時間調(diào)整在此只劃定5個范圍。比例小于0.4，表示南北方向車流量暢通，東西方向車流量擁擠。比例為0.4-0.8時，表示南北方向車流量比東西車流量少。比例為0.8-1.2時，表示南北車流量與東西車流量差距不大。比例為1.2-1.6時，表示南北車流量比東西車流量多。比例大于1.6時，表示南北方向車流量擁擠，東西方向車流量暢通。時間設(shè)置以40s為基準(zhǔn)，當(dāng)比例為1.2-1.6時，南北綠燈時間增加10s，東西綠燈時

62、間減少10s。當(dāng)比例為1.6以上時，南北綠燈時間增加20s，東西綠燈時間減少20s。當(dāng)比例為0.4-0.8時，南北綠燈時間減少10s，東西綠燈時間增加10s。當(dāng)比例為0.4以下時，南北綠燈時間減少20s，東西綠燈時間增加20s。程序流程圖如圖4.2所示。根據(jù)紅綠燈時間調(diào)整原理，一個周期下來，count_SN，count_EW中分別存儲著南北，東西的車流量，接下來求單位時間車流量，此時南北向時間，東西向時間分別存儲在tt_SN，tt_EW中，則兩個方向的流量比例為（count_SN /tt_SN）/（count_EW/tt_EW）=( count_SN * tt_EW)(count_EW * tt_SN),顯然該比例是1左右?guī)?shù)的值，然而單片機(jī)程序中只取整數(shù)，重要的數(shù)據(jù)信息就會丟失，所以本設(shè)計中首先將(R5*R1)乘以10，比例就變?yōu)?0左右的值。將該比例值放在A，然后根據(jù)A的大小進(jìn)行時間調(diào)整，具體時間設(shè)置表4-1.表4-1 比例及調(diào)整時間南北與東西向比例0.4以下0.4-0.80.8-1.21.2-1.61.6以上調(diào)整南北向時間2030405060調(diào)整東西向時間6050403020顯示時間減1否是顯示時間是否為0顯示時間是否為5開始初始化第一狀態(tài)，第一狀態(tài)顯示時間顯示時間減1顯示時間是否為5否是第二狀態(tài)，第二狀態(tài)顯示時間顯示時間減1顯示時間是否為0第三狀態(tài)