基于模糊控制的交通燈控制系統(tǒng)(單片機(jī)實(shí)現(xiàn))

1、題 目：基于模糊控制的交通燈控制系統(tǒng)(單片機(jī)實(shí)現(xiàn))基于模糊控制的交通燈控制系統(tǒng)（單片機(jī)實(shí)現(xiàn)）摘 要交通控制系統(tǒng)不僅是一個(gè)實(shí)時(shí)的控制系統(tǒng)，而且是一個(gè)具有隨機(jī)性、非線性、不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)。解決好公路交通信號燈控制問題將是保障交通有序、安全、快速運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)有的交通信號控制系統(tǒng)都是單一的固定時(shí)序控制，不能夠根據(jù)實(shí)際交通狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。本設(shè)計(jì)運(yùn)用兩輸入單輸出的模糊控制模型，對被控對象的輸入量及輸出量進(jìn)行了具體的模糊化，并根據(jù)模糊集合理論的計(jì)算結(jié)果得出了模糊控制表，并在此基礎(chǔ)上提出了以單片機(jī)實(shí)現(xiàn)模糊控制器的硬件結(jié)構(gòu)和程序流程。本系統(tǒng)采用單片機(jī)stc89c52為中心器件來設(shè)計(jì)交通燈控制器，采用超

2、聲波傳感器檢測車流量，把檢測到的車流量送到單片機(jī)中。通過查詢模糊控制表從而得出延時(shí)時(shí)間，再進(jìn)行交通燈的控制。系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠很好的減少車輛的滯留量，提高了公路的通行效率。系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)、操作簡單、擴(kuò)展性強(qiáng)。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；模糊控制；交通燈控制based on fuzzy control of traffic light control system(with mcu)abstracttraffic control system is not only a real-time control system, but also a randomness, misalignment, uncer

3、tainty ,complex system. solving the problem of road traffic lights control is an important part which will ensure the traffic orderly, safe, and keep it fast, the existing traffic signal control systems are single and fixed timing control, not based on actual traffic conditions to control. the desig

4、n uses the fuzzy control model with two-input ports and single-output ports. the input value and output value of controlled plant has been carried on the concrete fuzzy. the fuzzy control table is based on the results of the calculation of fuzzy set theory. the design give out hardware structure and

5、 program flow of a fuzzy controller which is realized by single-chip. the system uses a single-chip stc89c52 device as the center to design the traffic light controller and applies ultrasonic sensors to detect the traffic flow which is given to the single-chip. through inquering fuzzy control table,

6、 we can obtain the time of the delay, and then control traffic lights. the biggest advantages of the system is that it can greatly reduce the stranded vehicles and improve the efficiency of highway travel. the system is practical and simple.key words: microcomputer; fuzzy control; traffic light cont

7、rol目 錄摘 要iabstractii第一章 引言11.1 研究背景11.2 目的及意義21.2.1 研究的目的21.2.2 研究的意義2第二章 總體設(shè)計(jì)的概述42.1 車輛檢測傳感器42.1.1 感應(yīng)線圈檢測傳感器42.1.2 超聲波檢測傳感器42.1.3 微波檢測傳感器52.1.4 紅外線檢測傳感器62.1.5 視頻檢測傳感器72.2 控制算法72.3交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案82.3.1 用plc實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的方案82.3.2 用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的方案82.4 串行通信總線92.4.1 rs-232總線92.4.2 rs-485總線92.5 本設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案10第三章 交通信號模糊

8、控制器的設(shè)計(jì)123.1 智能控制原則123.2模糊控制器中語言變量的選擇123.3 輸入輸出隸屬度函數(shù)123.3.1 輸入量隸屬度函數(shù)133.3.2 輸出量隸屬度函數(shù)143.4 模糊控制規(guī)則153.5 模糊推理算法與解模糊153.6 快速生成模糊控制查詢表16第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)184.1 芯片介紹184.1.1 stc89c51/52 rc/rd+系列單片機(jī)簡介184.1.2 max485214.1.3 uln2003214.1.4 固態(tài)繼電器234.1.5 led數(shù)碼管244.2 車輛檢測電路264.2.1超聲波發(fā)射電路264.2.2 超聲波接收電路274.3 基于rs-485的多機(jī)通信2

9、74.3.1 通信規(guī)則274.3.2 rs-485方式構(gòu)成的多機(jī)通信284.4 顯示驅(qū)動(dòng)電路294.5 交通燈驅(qū)動(dòng)電路29第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)315.1 軟件總體設(shè)計(jì)流程圖315.1.1 主機(jī)的流程圖設(shè)計(jì)315.1.2 從機(jī)的流程圖設(shè)計(jì)315.2 多機(jī)通信子程序流程圖設(shè)計(jì)325.2.1 多機(jī)通信主機(jī)子程序流程圖335.2.2 多機(jī)通信從機(jī)子程序流程圖345.3 查表子程序設(shè)計(jì)355.4 交通燈顯示子程序設(shè)計(jì)355.5 中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)365.6 顯示子程序設(shè)計(jì)37第六章 程序調(diào)試396.1 程序調(diào)試的主程序流程設(shè)計(jì)396.2 鍵盤子程序設(shè)計(jì)406.2.1 鍵盤掃描子程序406.2.2 按鍵處

10、理子程序416.3 系統(tǒng)操作說明426.4 調(diào)試426.5 各模塊調(diào)試43第七章 總結(jié)44參考文獻(xiàn)45附錄a 主機(jī)硬件原理圖47附錄b 從機(jī)硬件原理圖48附錄c 調(diào)試程序49致謝59第一章 引言1.1 研究背景隨著城市化速度的加快，機(jī)動(dòng)車日益普及，人們在賺取由機(jī)動(dòng)車輛所帶來的巨額利潤以及充分享受汽車巨大便利的同時(shí)，也越來越受到交通擁堵、交通事故頻發(fā)、環(huán)境污染加劇和燃油消耗上升所帶來的困擾。解決交通問題最直接和最有效的辦法是修建更多的路橋以提高路網(wǎng)的通行能力。然而，修建路橋的巨額投資和城市有限空間的嚴(yán)格限制，使這一方法的有效性大打折扣。因此，在現(xiàn)有道路條件下，提高交通管理水平，合理利用現(xiàn)有的交通

11、設(shè)施，充分發(fā)揮其作用，增加道路的通行能力，是解決交通問題的有效方法之一。在交通管理和控制中，交叉口的管理是一個(gè)不可缺少的重要組成部分。交叉口管理和控制的好壞直接影響著交叉口的通行能力。由于交叉口的通行能力以及車輛通過交叉口時(shí)的受阻滯的程度，都直接受到信號控制方法的影響，所以進(jìn)行交叉口信號控制方法和算法研究是十分必要的，而且道路交叉口的交通運(yùn)行狀態(tài)與整個(gè)交通運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)，解決道路交叉口的問題也是解決道路交通問題的關(guān)鍵。城市中的交通阻塞主要發(fā)生在交叉口，交叉口是兩條道路相互交叉而產(chǎn)生的作為方向轉(zhuǎn)換的樞紐，是道路網(wǎng)中道路通行能力的“咽喉”，是交通阻塞和事故的多發(fā)地。世界上一些大城市如紐約、巴黎的

12、市中心高峰時(shí)車速在16公里/小時(shí)左右，公共汽車速度則更低。在日本東京市內(nèi)，早晚高峰時(shí)車速僅為9公里/小時(shí)，最低時(shí)只有4公里/小時(shí)，出現(xiàn)了乘車比步行還慢的情況。日本全國每年由于交通擁擠所造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)12兆3千億日元(合人民幣9000多億元)。作為經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)達(dá)的美國，每年因?yàn)榻煌▎栴}導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失也高達(dá)2370億美元，在美國交通事故約有一半左右發(fā)生在交叉口。我國國內(nèi)百萬人口以上的大城市，每年由于交通擁擠帶來的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1600億元，相當(dāng)于國內(nèi)生產(chǎn)總值的3.2%。如果我們不及早采取綜合措施加以治理，則城市交通必影響我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市功能的正常發(fā)揮1。1.2 目的及意義1.2.1 研

13、究的目的交通控制就是控制交通，即通過對交通流的調(diào)節(jié)、警告和誘導(dǎo)以達(dá)到改善人和貨物的安全運(yùn)輸，提高運(yùn)營效力。其目的是要在確定的行政規(guī)范約束下，應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)手段，采用合適的運(yùn)作方式來改善交通流的質(zhì)量，更好的利用現(xiàn)有的運(yùn)輸能力，提高交通流的安全性、快速性和舒適性，以確保公共和私人運(yùn)輸方式具有最佳的交通條件。具體來說，交通控制的目的主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面1:第一，減少交通事故，增加交通安全。通過實(shí)施交通控制可以把發(fā)生沖突的交通流從時(shí)間和空間上進(jìn)行分離，從而減少交通事故，增加交通安全。第二，緩和交通擁擠，提高交通效益。合理的交通控制可以對交通流進(jìn)行有效的引導(dǎo)與調(diào)度，使城市交通流保持在一種平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)

14、，從而避免或減緩交通擁擠，縮短在路車輛的交通延誤，提高交通運(yùn)輸?shù)恼w效益。第三，減少環(huán)境污染，降低能源消耗。實(shí)施良好的交通控制可以減少在路車輛的停車次數(shù)，保持車輛在較佳的狀態(tài)下運(yùn)行，大大減少尾氣排放和能源消耗。1.2.2 研究的意義交通是城市經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的命脈，對城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活水平的提高起著十分重要的作用。城市交通問題是困擾城市發(fā)展、制約城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要因素。城市道路增長的有限與車輛增加的無限這一對矛盾是導(dǎo)致城市交通擁擠的根本原因。城市街道網(wǎng)絡(luò)上的交通容量的不斷增加，表明車輛對道路容量的要求仍然很高，短期內(nèi)還不可能改變。自從開始使用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)后，不管在控制硬件里取得什么樣的實(shí)際進(jìn)展，

15、交通控制領(lǐng)域的控制邏輯方面始終沒能取得重大突破?？梢钥隙ǖ恼f，對于減輕交通擁塞及其副作用特別是對于大的交通網(wǎng)絡(luò)而言，仍然缺乏一種真正的交通響應(yīng)控制策略。計(jì)算機(jī)硬件能力與控制軟件能力很不相符，由此造成的影響是很多交通控制策略根本不能實(shí)現(xiàn)的。在少數(shù)幾個(gè)例子中，一些新的控制策略確實(shí)能得以實(shí)現(xiàn)，但他們卻沒能對早期的控制策略進(jìn)行改進(jìn)。由于缺乏能提高交通狀況、特別是缺乏擁塞網(wǎng)絡(luò)交通狀況的實(shí)時(shí)控制策略，幾乎可以說真正成熟的控制策略仍然不存在。智能化和集成化是城市交通信號控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和研究前沿，而針對交通系統(tǒng)規(guī)模復(fù)雜性特征的控制結(jié)構(gòu)和針對城市交通瓶頸問題并代表智能決策的阻塞處理則是智能交通控制優(yōu)化管理的

16、關(guān)鍵和突破口。因此，研究基于智能集成的城市交通信號控制系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)膶W(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。把智能控制引入到城市交通控制系統(tǒng)中，未來的城市交通控制系統(tǒng)才能適應(yīng)城市交通的發(fā)展。從長遠(yuǎn)來看該研究具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義2。第二章 總體設(shè)計(jì)的概述2.1 車輛檢測傳感器隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市化速度的加快，城市車輛的急劇增長，使得交通狀況日益惡化，這幾乎成為所有城市的通病，改變目前這種交通現(xiàn)狀的有效解決辦法就是在城市交通管理部門建立完善的交通監(jiān)控系統(tǒng)。交通監(jiān)控系統(tǒng)的主要目標(biāo)是適應(yīng)動(dòng)態(tài)交通狀況的變化。即通過采集交通數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)浇煌ü芾碇行模谥行倪M(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果，中心通過控制車輛出入和信號燈，從而更好地

17、管制交通；中心還可以利用這些數(shù)據(jù)在發(fā)生交通事故時(shí)迅速采取措施。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在交通監(jiān)控系統(tǒng)中起著非常重要的作用，所以研究有更高應(yīng)用價(jià)值的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是必要的。車輛檢測傳感器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，傳感器的性能對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性起決定作用，下面綜述了目前比較典型的車輛檢測技術(shù)。2.1.1 感應(yīng)線圈檢測傳感器感應(yīng)線圈檢測器是交通中應(yīng)用最廣泛的檢測傳感器。其主要構(gòu)成包括:埋于路面以下較淺處的絕緣線圈、路邊拉緊盒到控制箱的數(shù)據(jù)輸入線以及裝于控制箱內(nèi)的電子元件。其中，絕緣線圈是感應(yīng)線圈檢測器中振蕩電路的電磁感應(yīng)部分。其工作原理是：當(dāng)汽車停在或駛過絕緣線圈時(shí),車輛的金屬部分產(chǎn)生渦流電流,且電流方向與線

18、圈電流的方向相反,因此,引起渦流電流產(chǎn)生的磁場與線圈電流產(chǎn)生的磁場方向相反,使得線圈磁場場強(qiáng)減小,而線圈磁場場強(qiáng)的減小使得振蕩電路的振蕩頻率增加,從而引發(fā)電子元件向控制箱發(fā)出脈沖,以表征車輛的出現(xiàn)和經(jīng)過。感應(yīng)線圈檢測器能提供車輛經(jīng)過、車輛出現(xiàn)、車輛計(jì)數(shù)及車道占有率等交通流信息。其優(yōu)點(diǎn)是：線圈電子放大器已標(biāo)準(zhǔn)化；技術(shù)成熟、易于掌握；計(jì)數(shù)非常精確。其缺點(diǎn)是：安裝過程對可靠性和壽命影響很大；修理或安裝需中斷交通；影響路面壽命；易被重型車輛、路面修理等損壞。2.1.2 超聲波檢測傳感器超聲波檢測器是波束檢測裝置的一種。波束檢測裝置有多種形式，一般都由波束發(fā)生器、接收器和時(shí)控電路組成。前兩者為換能器,產(chǎn)

19、生電聲或電磁波的正逆變換；時(shí)控電路對發(fā)生器和接收器進(jìn)行調(diào)諧控制,使發(fā)生器每隔一定的時(shí)間間隔產(chǎn)生并發(fā)射出一束波；同時(shí),又可在發(fā)射的間隙接反射回來的信號,即傳感器集發(fā)射和接收功能于一身。當(dāng)然,也可以分成 2個(gè)器件,安裝于兩處。其工作原理是:由于超聲波傳感器的檢測區(qū)域由超聲波發(fā)射器的波幅決定,因此,利用超聲波傳感器發(fā)射脈沖波,通過測量由路面或車輛表面發(fā)射的脈沖超聲波的波形,可確定從傳感器到路面或車輛表面的距離；同時(shí),因路上有車和路上無車時(shí)的傳感器所測信號有差別,可借此確定車輛的出現(xiàn)；傳感器再利用接收的聲信號轉(zhuǎn)換為電信號,通過信號處理模塊進(jìn)行分析和處理,就可以得出車輛數(shù)量、車速以及車道占有率等交通流參

20、數(shù)。超聲波檢測傳感器中對自動(dòng)脈沖重復(fù)周期進(jìn)行控制是非常重要的,因?yàn)槠淇蓽p少多重反射脈沖波的影響,并能提高檢測高速車輛的能力。在接收到路面反射的脈沖波后立刻反射下一個(gè)脈沖波,使脈沖重復(fù)周期盡可能縮短,較長的脈沖重復(fù)周期會(huì)降低高速公路上高速行駛車輛占有率的測量效果,這樣,使得由傳感器反射和接收到的脈沖數(shù)可以真正反映車輛數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是：體積小,易于安裝；使用壽命較長；可移動(dòng)；可實(shí)現(xiàn)多車道檢測。其缺點(diǎn)是：性能隨環(huán)境溫度和氣流影響而降低。2.1.3 微波檢測傳感器微波車輛檢測傳感器的工作原理是:通過對路面發(fā)射微波,同時(shí)接收物體反射回來的信號,經(jīng)過相應(yīng)的預(yù)處理,即放大、濾波后得到含有交通流信息頻率段的信息，

21、由 a /d進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,相應(yīng)的單片機(jī)或dsp處理器對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息進(jìn)行相關(guān)的分析處理運(yùn)算,處理后的結(jié)果再通過內(nèi)部的通信接口發(fā)送回系統(tǒng)終端。大多數(shù)用于車輛檢測的微波傳感器以 x波段反射信號,通過分析微波車輛檢測傳感器接收的波形,可獲得車輛出現(xiàn)、車輛經(jīng)過、流量、占有率、車速及車輛長度等信息。波速寬度,即其所能覆蓋的區(qū)域決定于天線的尺寸和開口孔徑。當(dāng)車輛從該傳感器覆蓋區(qū)域穿過 ,波束由車輛反射回傳感器天線,然后,進(jìn)入接收器,通過接收器完成車輛監(jiān)測并計(jì)算出流量、速度及車身長度等交通流數(shù)據(jù)。微波車輛檢測傳感器一般安裝在單車道道路中央的上方來測量過往車流的交通參數(shù)；也可在多車道道路的路邊安裝以測量多條

22、車道上車輛的交通參數(shù)。前視型寬波束范圍的該類傳感器可采集多條車道上的一個(gè)交通流方向的交通參數(shù)；而前視型窄波束范圍的該類傳感器可采集單車道上一個(gè)交通流方向的交通流參數(shù)。安裝在路旁的多檢測區(qū)域的微波檢測傳感器,其檢測區(qū)域垂直于交通流方向。這種微波檢測傳感器可提供多條車道交通流的交通參 ,但其準(zhǔn)確性要低于同種情況下前視型微波傳感器。而安裝在路旁的單檢測區(qū)域的微波傳感器一般被用來檢測信號交叉口的單車道或多車道的車輛出現(xiàn)。微波傳感器通過分析接收的反射波形可獲取各種交通參數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是：在惡劣氣候下性能出色,全天候工作；可檢測靜止的車輛；可以側(cè)向方式檢測多車道。其缺點(diǎn)是：檢測器安裝精度要求高；道路具有鐵制的

23、分割帶時(shí),檢測精度下降。2.1.4 紅外線檢測傳感器紅外線檢測傳感器是波束檢測裝置的一種,有主動(dòng)式和被動(dòng)式,都可以用于交通管理。主動(dòng)式紅外檢測器利用在紅外線波長范圍附近工作的激光二極管,發(fā)射低能紅外線照射檢測區(qū)域,并經(jīng)過車輛的反射或散射返回傳感器；若使用可調(diào)發(fā)光二極管的主動(dòng)式紅外線檢測器可測量車速和進(jìn)入高速公路曲線形交叉的高大貨車的高度,主要是因?yàn)榘l(fā)光二極管在880 nm的紅外線波長范圍附近工作,其信號調(diào)節(jié)裝置可防止其他紅外線的干擾,這樣,通過2個(gè)發(fā)射接收系統(tǒng)用于測量車速,有1個(gè)發(fā)射接收系統(tǒng)用于測量車輛高度。被動(dòng)式紅外線檢測傳感器本身不發(fā)射紅外線,而是接收來自2個(gè)來源的紅外線:傳感器檢測范圍內(nèi)

24、的車輛、路面及其他物體自身發(fā)出的紅外線和它們反射的來自太陽的紅外線。主動(dòng)式紅外線檢測器:其功能與微波雷達(dá)檢測器相似,通過紅外線的發(fā)射、反射與接收來提供車流中的各種參數(shù),如：流量、車道占有率、車速、車輛長度和車輛排隊(duì)長度及車輛分類?？稍谝粋€(gè)交叉口上安裝多個(gè)紅外線檢測器,而不存在發(fā)射紅外線和接收紅外線間的相互干擾。為適應(yīng)車輛分類的需要,許多先進(jìn)的紅外線檢測器能自動(dòng)生成二維或三維的監(jiān)視圖像。被動(dòng)式紅外線檢測器:能提供車輛通過和存在的數(shù)據(jù),但沒有速度數(shù)據(jù)。其實(shí)質(zhì)為使用探測器來測量物體發(fā)出的紅外線能量。當(dāng)車輛進(jìn)入它的檢測范圍,它測量的地表能量就發(fā)生變化。使用這種檢測器的交通監(jiān)管應(yīng)用的典型距離大約是6.1

25、m，在這個(gè)距離內(nèi)大氣的組成要素不會(huì)造成檢測器明顯的性能下降。其優(yōu)點(diǎn)是：晝夜可采用同一算法而解決晝夜轉(zhuǎn)換的問題；可提供大量交通管理信息。其缺點(diǎn)是：可能需要很好的紅外線焦平面檢測器,也就需要提高功率,降低可靠性來實(shí)現(xiàn)高靈敏度。2.1.5 視頻檢測傳感器視頻檢測傳感器通過分析交通場景的圖像來確定連續(xù)畫面之間的變化,以達(dá)到檢測車輛的目的。黑白圖像的圖像處理算法主要是檢測畫面像素的灰度變化,目前,這些圖像處理算法已經(jīng)可以去除由天氣條件等造成的圖像背景的灰度變化,從而由連續(xù)畫面過濾而得的信息可計(jì)算出交通流參數(shù)。另一方面,通過彩色圖像也可以來獲得交通流數(shù)據(jù)。由彩色圖像傳遞的信息可在以下情況下提高視頻圖像處理

26、的識(shí)別能力:惡劣天氣條件下、攝像機(jī)安裝情況不理想、在有陰影的情況下,識(shí)別車輛、單個(gè)車輛和一組車輛的特征。然而,基于彩色圖像的視頻處理器的檢測范圍和靈敏度有所下降,從而影響了它的廣泛采用。其優(yōu)點(diǎn)是：可為事故管理提供可視圖像；可提供大量交通管理信息；單臺(tái)攝像機(jī)和處理器可檢測多車道。其缺點(diǎn)是：大型車輛能遮擋隨行的小型車輛；陰影、積水反射或晝夜轉(zhuǎn)換可造成檢測誤差。2.2 控制算法1、模糊控制交通系統(tǒng)是一個(gè)具有隨機(jī)性、模糊性和不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)，因此其數(shù)學(xué)模型的建立非常困難，有的甚至無法用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)方法加以描述。即使經(jīng)過多次簡化已經(jīng)建立的數(shù)學(xué)模型，它的求解還須簡化計(jì)算才能完成。所以經(jīng)典控制法很難取得滿意

27、的效果。模糊控制主要模擬人的思維，推理，判斷的一種方法，它將人的經(jīng)驗(yàn)常識(shí)等用自然語言表示出來，建立一種適合于計(jì)算機(jī)處理的輸入輸出過程模型，它是智能控制的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。在交通控制領(lǐng)域，它能模仿有經(jīng)驗(yàn)的交警指揮交通時(shí)的思路，取得很好的控制效果。2、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是研究和利用人腦某些結(jié)構(gòu)機(jī)理以及人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對系統(tǒng)進(jìn)行控制的方法。其顯著特點(diǎn)是具有學(xué)習(xí)功能，不斷修正神經(jīng)元之間的連接權(quán)值并離散存儲(chǔ)在連接網(wǎng)絡(luò)中，因而對非線性系統(tǒng)和難以建模的系統(tǒng)具有良好映像功能和學(xué)習(xí)功能。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性近似能力，所以許多學(xué)者已經(jīng)把它用于交通控制的研究之中。由于交通系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變的、具有隨機(jī)性的復(fù)

28、雜系統(tǒng)，不易確定精確有序的數(shù)學(xué)模型，而運(yùn)用模糊控制方式不需要系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型。因此，在本系統(tǒng)中，我們采用模糊控制算法。2.3交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案隨著汽車總量的不斷增加,城市交通越來越繁忙,因而城市交通指揮變得越來越重要。一套性能可靠、功能齊全、安全有效的交通燈控制系統(tǒng)對一個(gè)城市來說必不可少。交通燈的設(shè)計(jì)方法有多種實(shí)現(xiàn)方法，下面我們就用plc和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)作簡單是的介紹。2.3.1 用plc實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的方案plc是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子控制裝置，應(yīng)該是一個(gè)較理想的控制器選擇。plc采用可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作

29、指令，并能通過數(shù)字量或模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。plc具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、輸入簡易方便、適應(yīng)性強(qiáng)、造價(jià)低等特點(diǎn)，選用plc作為智能交通燈的硬件控制部分，能夠在惡劣的電磁干擾環(huán)境下正常工作。基于plc的智能交通燈控制系統(tǒng)，在一次綠燈時(shí)間內(nèi)可能達(dá)不到智能控制的效果，因?yàn)檐嚵髁康脑鰷p是一個(gè)累積過程，但在連續(xù)的綠燈時(shí)間內(nèi)，則能夠根據(jù)車流量變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間，使交通處于一直疏通而非堵塞的狀態(tài)。這為完善城市交通管理，減少十字路口車輛平均停車延誤時(shí)間，提高十字路口的通行能力，緩解交通堵塞提出了新的思路。2.3.2 用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的方案由于mcs系列單片機(jī)集成了幾乎完善的中

30、央處理單元，處理功能強(qiáng)，中央處理單元中集成了方便靈活的專用寄存器，硬件的加、減、乘、除法器和布爾處理機(jī)及各種邏輯運(yùn)算和轉(zhuǎn)移指令，這給我們利用單片機(jī)提供了極大的便利。單片機(jī)把微型計(jì)算機(jī)的主要部件都集成在一塊芯片上，使得數(shù)據(jù)傳送距離大大縮短，運(yùn)行速度更快，可靠性更高，抗干擾能力更強(qiáng)。由于屬于芯片化的微型計(jì)算機(jī)，各功能部件在芯片中的布局和結(jié)構(gòu)達(dá)最優(yōu)化，工作亦相對穩(wěn)定。因此，在測控系統(tǒng)中，使用單片機(jī)是最理想的選擇。單片機(jī)屬于典型的嵌入式系統(tǒng)，所以它是低端控制系統(tǒng)最佳器件。單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境要求較低，軟件資源十分豐富，開發(fā)工具和語言也大大簡化。在本次設(shè)計(jì)中，我們選擇了后一種方案。用單片機(jī)控制的交通燈控制系

31、統(tǒng)比模擬電路有明顯優(yōu)勢，即不用對電路有大改動(dòng)就可以適應(yīng)新的工作條件，升級也很方便，只需對cpu重新刷寫一次程序就可以了。單片機(jī)選用stc89c52。stc89c52單片機(jī)具有加密性強(qiáng)、超強(qiáng)抗干擾、超低功耗、結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、經(jīng)濟(jì)、易于連接等優(yōu)點(diǎn)，特別是其內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)資源豐富，有應(yīng)用價(jià)值。 2.4 串行通信總線2.4.1 rs-232總線rs-232-c是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)eia（electronic industry association）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。rs是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識(shí)號，c表示修改次數(shù)。rs-232-c總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號線，包括一

32、個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。rs-232-c標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。rs-232-c標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有2500pf的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pf/m的通信電纜時(shí)，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是rs-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。 2.4.2 rs-

33、485總線rs-485總線,在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用rs-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。rs-485采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實(shí)現(xiàn)通信：在發(fā)送端txd將串行口的ttl電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號a、b兩路輸出，經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號還原成ttl電平信號。兩條傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，因此有極強(qiáng)的抗共模干擾的能力，接收靈敏度也相當(dāng)高。同時(shí)，最大傳輸速率和最大傳輸距離也大大提高。如果以10kbps速率傳輸數(shù)據(jù)時(shí)傳輸距離可達(dá)12m，而用100kbps時(shí)傳輸距離可達(dá)1.2km。如果降低波特率，傳輸距離還可進(jìn)一步提高。另外rs-485實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)互連，最多可達(dá)256臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和256臺(tái)接收

34、器，非常便于多器件的連接。不僅可以實(shí)現(xiàn)半雙工通信，而且可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信。2.5 本設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案由于交通系統(tǒng)是一個(gè)具有隨機(jī)性、模糊性和不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)，因此，其數(shù)學(xué)模型的建立非常困難，有的甚至無法用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)方法加以描述。所以本設(shè)計(jì)采用模糊控制，而且本系統(tǒng)的硬件控制電路簡單,采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)交通燈的控制可提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,縮小系統(tǒng)的體積,調(diào)試和維護(hù)方便，軟件用c語言編程?？傮w設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖2.1：圖2.1 總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖該交通燈控制系統(tǒng)主要由倒計(jì)時(shí)顯示電路、交通燈顯示電路、車輛檢測電路、多機(jī)通信等幾個(gè)部分組成。其中，主單片機(jī)最小系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)的主控制器，用以控制其他模塊協(xié)調(diào)工

35、作。交通燈顯示模塊用以顯示各車道的通行情況(紅燈表示該車道禁止通行，綠燈表示該車道允許通行，黃燈為中間過渡時(shí)間）；led倒計(jì)時(shí)顯示模塊由單片機(jī)的p0口控制，東西方向和南北方向的放行時(shí)間的長短是依據(jù)路口的各個(gè)方向的車流量來設(shè)定的；車輛檢測模塊由超聲波發(fā)射電路和接收電路組成，通過超聲波傳感器檢測車流量，然后送到從單片機(jī)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)；從單片機(jī)與主單片機(jī)之間通過由rs-485構(gòu)成的多機(jī)通信連接，把四個(gè)從單片機(jī)里存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)送到主單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算、處理，然后送到交通燈控制電路顯示。第三章 交通信號模糊控制器的設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是模糊控制器的設(shè)計(jì)，一個(gè)模糊控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，主要取決于模糊控制器的結(jié)

36、構(gòu)、所采用的模糊規(guī)則、合成的推理算法以及模糊決策的方法等，設(shè)計(jì)模糊控制器主要是求取模糊控制表。3.1 智能控制原則為實(shí)現(xiàn)模糊控制，需將綠燈時(shí)間分為兩部分：其一是固定的10秒（經(jīng)驗(yàn)值，因地而宜）作為路口車輛狀態(tài)參數(shù)的采集時(shí)間t1；其二是根據(jù)兩個(gè)方向車輛流量變化進(jìn)行模糊決策的延時(shí)時(shí)間t23。當(dāng)某一方向的車輛流量比另一方向的車輛流量大，則這個(gè)方向的綠燈亮的時(shí)間長一些，即t2長一些，以保證這個(gè)方向的車輛盡量多的通過；當(dāng)這個(gè)方向的車輛流量比另一方向的車輛流量小，則這個(gè)方向的綠燈亮的時(shí)間短一些，即t2短一些，以保證另一方向車輛盡快通過。3.2模糊控制器中語言變量的選擇十字路口的交通燈，南北方向的車輛都是同

37、時(shí)停止，同時(shí)流通的，東西方向也這樣，所以只要取南、北方向車輛的最大值和東、西方向的最大值進(jìn)行比較，而不是對南、北方向車輛總和與東、西方向的車輛總和進(jìn)行比較。在該控制系統(tǒng)中，兩個(gè)輸入模糊變量是指采集時(shí)間到時(shí)綠燈和紅燈方向的交通需求量x和y。交通需求量是指采集時(shí)間到時(shí)，亮綠燈和亮紅燈方向的兩個(gè)方向尚未通過交通路口的車輛的最大值x和y。實(shí)際運(yùn)行時(shí)具體數(shù)據(jù)可由傳感器采集。輸出模糊量是指采集時(shí)間到時(shí)綠燈追加的延長時(shí)間t2。3.3 輸入輸出隸屬度函數(shù)將輸入量模糊化的時(shí)候，必須考慮變量的基本論域和模糊論域?；菊撚蚴亲兞繉?shí)際的變化范圍，一般由已知的理論知識(shí)和領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)來確定。模糊論域是語言變量的量化等級

38、n。確定了基本論域和模糊論域以后，可以在fis對輸入模糊變量和輸出模糊變量進(jìn)行設(shè)置。內(nèi)容包括變量的取值范圍（range）和顯示范圍（display range），當(dāng)然還要設(shè)置輸入語言變量和輸出語言變量的取值個(gè)數(shù)和隸屬度函數(shù)類型（type）。已知基本論域和模糊論域后，就可以確定量化因子和比例因子。量化因子定義為輸入語言變量的量化等級與其實(shí)際變化值的比值,用數(shù)學(xué)式子表示為：，其中，n為輸入語言變量量化等級；x為東西方向的實(shí)際變化范圍；y為南北方向的實(shí)際變化范圍。比例因子定義為輸出語言變量的實(shí)際變化范圍與其量化等級的比值,用數(shù)學(xué)式子表示為：其中，t2為輸出語言變量的實(shí)際變化范圍；n為量化等級。3.3

39、.1 輸入量隸屬度函數(shù)在十字路口的四個(gè)方向的停止線處以及距離停止線100米處各安置一個(gè)傳感器來檢測采集時(shí)間到時(shí)綠燈方向和紅燈方向未通過路口的車輛數(shù)3。傳感器的設(shè)置如圖3.1。圖3.1 傳感器的設(shè)置 取綠燈期間固定的車輛采集時(shí)間t1為10秒，取采集時(shí)間到時(shí)綠燈方向未通過路口的車輛數(shù)x的基本論域?yàn)椋?15)，模糊論域?yàn)椋?5）。并將它分為5個(gè)模糊子集：很少(nm)、少(ns)、中(0)、多（ps）、很多(pm)，其隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)如圖3.2所示。圖3.2 x的隸屬度函數(shù)取紅燈方向采集時(shí)間到時(shí)，未通過路口的車輛數(shù)y的基本論域?yàn)?020)，模糊論域?yàn)椋?5）。將其分為5個(gè)模糊子集：很少(nm)、少(ns

40、)、中(0)、多(ps)、很多(pm)，其隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)如圖3.3所示。圖3.3 y的隸屬度函數(shù)3.3.2 輸出量隸屬度函數(shù)輸出模糊量是指在車輛基本采集時(shí)間基礎(chǔ)上追加的延時(shí)時(shí)間t2，取t2的基本論域?yàn)椋?030)，模糊論域?yàn)椋?10）。將其分為5個(gè)模糊子集：很短(nm)、短(ns)、適中(0)、長(ps)、很長(pm)，其隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)如圖3.4所示。圖3.4 t2的隸屬度函數(shù)3.4 模糊控制規(guī)則本系統(tǒng)模糊控制規(guī)則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲得，共有25 條模糊規(guī)則3。當(dāng)兩個(gè)方向的狀態(tài)處于同一量級時(shí)，如同為很少，或同為少時(shí)，綠燈的延時(shí)t2均取“短”；如同為中，或同為多，或同為很多時(shí)，綠燈的延時(shí)t2均取“中”，其

41、目的是保證雙方流量相差不多的情況下，盡快地均衡疏散。t2 的模糊控制表如表3.1所示。表3.1 t2模糊控制規(guī)則表x y很少少中等多很多很少短很短很短很短很短少短短很短很短很短中等長適中適中短短多很長長適中適中適中很多很長很長長適中適中3.5 模糊推理算法與解模糊從模糊規(guī)則得到的結(jié)果仍然是模糊量，還要經(jīng)過模糊推理算法還原為精確量才能輸出。本設(shè)計(jì)采用當(dāng)今模糊控制算法的主流算法簡易模糊推理算法。對于每個(gè)確定的輸入x和y值對應(yīng)不同的模糊子集，具有不同的從屬度。由此而激活的多條模糊規(guī)則以取小的策略求出各輸出于模糊集的從屬度，然后再采用重心法(加權(quán)平均法)解模糊，求出t2的值4:式中:為確定的x、y輸入

42、值所對應(yīng)的不同模糊子集的從屬度；為輸出各模糊子集所對應(yīng)的重心值。在matlab提供的模糊邏輯工具箱里的規(guī)則觀測器里可方便的得出x=3且y=2的t2 值，如圖3.5所示。圖3.5 規(guī)則觀察器3.6 快速生成模糊控制查詢表不同的采樣點(diǎn)x，y對應(yīng)不同的t2，由于x的模糊論域是(05)，y的模糊論域是(05)，所以t2的個(gè)數(shù)一共是66=36個(gè)，每個(gè)數(shù)據(jù)都可以用上面的模糊推理和解模糊方法得到，但需要計(jì)算36次，比較麻煩。而利用evaifis函數(shù)即可一次性得到36個(gè)t2值，具體程序如下，其中“jiaotongdeng”，為本系統(tǒng)在matlab提供的fis編輯器中的文件名。for i=0:1:5x=i i

43、i i i iy=0 1 2 3 4 5a = readfis(jiaotongdeng)；evalfis(x;y,a)end由程序得出的數(shù)值經(jīng)四舍五入取整后得到模糊控制查詢表，如表3.2所示。表3.2 模糊控制查詢表y x012345022788811258882114666311344441134445113444第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 芯片介紹4.1.1 stc89c51/52 rc/rd+系列單片機(jī)簡介stc89c51/52 rc/rd+系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾/高速/低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可任意選

44、擇，最新的d版本內(nèi)部集成max810專用復(fù)位電路。1、stc89c51/52 rc/rd+系列單片機(jī)的特點(diǎn)：(1) 增強(qiáng)型6時(shí)鐘/機(jī)器周期，12時(shí)鐘/機(jī)器周期8051cpu(2) 工作電壓：5.5v3.4v(5v單片機(jī))/3.8v2.0v(3v單片機(jī))(3) 工作頻率范圍：0-40mhz,相當(dāng)于普通8051的0-80mhz,實(shí)際工作頻率可達(dá)48mhz(4) 用戶應(yīng)用程序空間4k/8k/13k/16k/20k/32k/64k字節(jié)(5) 片上集成1280字節(jié)/512字節(jié)ram(6) 通用i/o口（32/36個(gè)），復(fù)位后為：p1/p2/p3/p4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)i/o口），p0口

45、是開漏輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為i/o口用時(shí)，需加上拉電阻。(7) isp（在線可編程）/iap（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器/仿真器，可通過串口（p3.0/p3.1）直接下載用戶程序，8k程序3秒即可完成一片(8) eeprom功能(9) 看門狗(10) 內(nèi)部集成max810專用復(fù)位電路（d版本才有），外部晶體20m以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路(11) 共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，其中定時(shí)器0還可以當(dāng)成2個(gè)8為定時(shí)器使用(12) 外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，power down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒(13) 通用異步串行口（uart），還可用定時(shí)

46、器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)uart(14) 工作溫度范圍：075/-40+85(15) 封裝：lqfp-44,pdip-40,plcc-44,pqfp-44本設(shè)計(jì)中用到的單片機(jī)為stc89c52, pdip-40。與stc89c51不同之處是內(nèi)部flash變大：stc89c51有4k字節(jié)的內(nèi)部flash程序存儲(chǔ)器,而stc89c52的內(nèi)部flash程序存儲(chǔ)器增加1倍，達(dá)到8k。其引腳圖如下圖：圖4.1 stc89c52rc引腳圖2、stc89c52rc單片機(jī)的主要功能特性： 兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)指令系統(tǒng) 8k可反復(fù)擦寫（100000次）flash rom 32個(gè)雙向i/o口 512x8bit內(nèi)部ram

47、3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷 2個(gè)串行中斷 可編程uart串行通道 2個(gè)外部中斷源 共6個(gè)中斷源 2個(gè)讀寫中斷口線 3級加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能3、stc89c52rc單片機(jī)的引腳功能p0 口：p0口是一組8 位漏極開路型雙向i/o 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)ttl邏輯門電路，對端口p0 寫“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)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：p1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p1的輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收

48、或輸出電流）4個(gè)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(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(iil)。p1.0和p1.1還可分別作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器2 的外部計(jì)數(shù)輸入（p1.0/t2）和輸入（p1.1/t2ex）。p2 口：p2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p2的輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)ttl 邏輯門電路。對端口p2寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(iil)。在訪問外部程序存

49、儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，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(chǔ)器時(shí)，p2口輸出p2鎖存器的內(nèi)容。p3 口：p3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口。p3口輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)ttl 邏輯門電路。對p3口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，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i/o口線外，更重要的用途是它的第二功能。rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，rst引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ale/prog： 當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ale（地址鎖存允許）輸出

50、脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ale仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。psen：程序儲(chǔ)存允許（psen）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號。ea/vpp：外部訪問允許。欲使cpu僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000hffffh），ea端必須保持低電平（接地）。xtal1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。xtal2：振蕩器反相放大器的輸出端。4.1.2 max485max485接口芯片是maxim公司的一種rs485芯片。 采用單一電源+5 v工作，額定電流為300 a，采用半雙工通訊方式。它完成將ttl電平轉(zhuǎn)換為rs485電

51、平的功能。其引腳結(jié)構(gòu)圖如圖4.2所示。圖4.2 max485引腳結(jié)構(gòu)圖從圖中可以看出,max485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡單,內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。ro和di端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的rxd和txd相連即可；re和de端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)re為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)de為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)閙ax485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可；a端和b端分別為接收和發(fā)送的差分信號端,當(dāng)a引腳的電平高于b時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)a的電平低于b端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡

52、單。只需要一個(gè)信號控制max485的接收和發(fā)送即可。同時(shí)將a和b端之間加匹配電阻，一般可選120的電阻。4.1.3 uln2003美國texas instruments公司、美國sprague公司生產(chǎn)的uln2003是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由7組達(dá)林頓晶體管陣列和相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)以及鉗位二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具有同時(shí)驅(qū)動(dòng)7組負(fù)載的能力，為單片雙極型大功率高速集成電路。該電路的特點(diǎn)如下：uln2003的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7k的基極電阻,在5v的工作電壓下它能與ttl和cmos電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。uln2003在各種控制電路中常用它作為驅(qū)動(dòng)繼電器的芯片

53、，其芯片內(nèi)部做了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢的二極管。uln2003的輸出端允許通過ic 電流200ma，飽和壓降vce 約1v左右，耐壓bvceo 約為36v。輸出電流大，故可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器(ssr)等外接控制器件，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。根據(jù)集成電路驅(qū)動(dòng)器2003的輸入輸出特性，有人把它簡稱叫“驅(qū)動(dòng)器”、“反向器”、“放大器”等。當(dāng)2003輸入端為高電平時(shí)，對應(yīng)的輸出口輸出低電平，繼電器線圈通電，繼電器觸點(diǎn)吸合；當(dāng)2003輸入端為低電平時(shí)，繼電器線圈斷電，繼電器觸點(diǎn)斷開。 uln2003芯片的管腳排列如圖4.3所示，內(nèi)部功能如圖4.4所示：圖4.3 uln2003引腳圖圖4.4 uln2

54、003功能框圖4.1.4 固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器（solid state relay ,縮寫 ssr）是用分離的電子元器件、集成電路（或芯片）及混合微電路技術(shù)結(jié)合發(fā)展起來的一種具有繼電特性的無觸點(diǎn)式電子開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)控制回路（輸入電路）與負(fù)載回路（輸出電路）的電隔離及信號耦合，由固態(tài)器件實(shí)現(xiàn)負(fù)載的通斷切換功能，內(nèi)部無任何可動(dòng)部件。具有壽命長、可靠性高、開關(guān)速度快、電磁干擾小、無噪聲、無火花等特點(diǎn)。1、固態(tài)繼電器的組成固態(tài)繼電器主要由輸入（控制）電路，驅(qū)動(dòng)電路和輸出（負(fù)載）電路三部分組成。固態(tài)繼電器的輸入電路是為輸入控制信號提供一個(gè)回路，使之成為固態(tài)繼電器的觸發(fā)信號源。固態(tài)繼電器的輸入電路多為直流

55、輸入，個(gè)別的為交流輸入。固態(tài)繼電器的驅(qū)動(dòng)電路可以包括隔離耦合電路、功能電路和觸發(fā)電路三部分。隔離耦合電路，目前多采用光電耦合器和高頻變壓器兩種電路形式。常用的光電耦合器有光三極管、光雙向可控硅、光二極管陣列(光伏)等。高頻變壓器耦合，是在一定的輸入電壓下，形成約10mhz的自激振蕩，通過變壓器磁芯將高頻信號傳遞到變壓器次級。功能電路可包括檢波整流、過零、加速、保護(hù)、顯示等各種功能電路。觸發(fā)電路的作用是給輸出器件提供觸發(fā)信號。固態(tài)繼電器的輸出電路是在觸發(fā)信號的控制下，實(shí)現(xiàn)固態(tài)繼電器的通斷切換。輸出電路主要由輸出器件(芯片)和起瞬態(tài)抑制作用的吸收回路組成，有時(shí)還包括反饋電路。目前，各種固態(tài)繼電器使

56、用的輸出器件主要有晶體三極管(transistor)、單向可控硅(thyristor或scr)、雙向可控硅(triac)、mos場效應(yīng)管(mosfet)、絕緣柵型雙極晶體管(igbt)等。2、固態(tài)繼電器的工作原理 固態(tài)繼電器是用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點(diǎn)作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點(diǎn)開關(guān)器件，單相ssr為四端有源器件，其中兩個(gè)輸入控制端，兩個(gè)輸出端，中間采用隔離器件實(shí)現(xiàn)輸入輸出的電隔離，輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后，輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。固態(tài)繼電器的控制信號所需的功率極低，因此可以用弱信號控制強(qiáng)電流。ssr成功地實(shí)現(xiàn)了弱信號(vsr)對強(qiáng)電(輸出端負(fù)載電壓)的控制。由于光耦合器的應(yīng)用，使控制信號所需的功率極低(約十余毫瓦就可正常工作)，而且vsr所需的工作電平與ttl、htl、cmos等常用集成電路兼容，可以實(shí)現(xiàn)直接聯(lián)接。4.1.5 led數(shù)碼管le