智能交通控制系統(tǒng)的設(shè)計

智能交通系統(tǒng)****課程論文題目：智能交通控制系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)院：工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：2012年06月目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1 研究意義 42 交通燈研究現(xiàn)狀 42.1 國內(nèi)城市交通現(xiàn)狀 42.2 國際先進成果 43 研究內(nèi)容 54 硬件設(shè)計 54.1 單片機概述 64.2 電源電路 64.3 檢測電路 74.4 緊急按鍵K1電路 94.5 紅綠燈顯示電路 104.6 振蕩電路 104.7 復(fù)位電路 114.8 單片機系統(tǒng) 124.9 交通燈演示系統(tǒng) 145 軟件設(shè)計 145.1 主程序設(shè)計 155.2 延時子程序 165.3 黃燈閃爍子程序 185.4 車流量算法子程序 185.5 緊急車輛子程序 186 調(diào)試 196.1 斷電調(diào)試 196.2 通電調(diào)試 196.3 基本要求部分的測試與分析 197 總結(jié) 19參考文獻 20摘要：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，還必須通過一定的科技手段加以實現(xiàn)。本文根據(jù)AT89C51單片機的特點及交通燈在實際控制中的特點，提出了一種用單片機自動控制交通燈以及時間顯示的方法，同時給出了軟硬件設(shè)計的方法。設(shè)計的過程包括硬件電路設(shè)計和程序設(shè)計兩大步驟，對在單片機應(yīng)用中可能遇到的重要設(shè)計問題都有涉足。本系統(tǒng)采用單片機作為核心控制器，通過紅外檢測系統(tǒng)來測量東西方向和南北方向的車流量大小，經(jīng)過簡單的算法得出紅綠燈時間。然后分別用紅、黃、綠燈的不同組合來指揮兩個方向的通車與禁行，用LED數(shù)碼管作為倒計時指示，實時地控制當(dāng)前交通燈時間使LED顯示器進行倒計時工作并與狀態(tài)燈保持同步，在保持交通安全的同時最大限度地提高交通能順暢交替運行，從而實現(xiàn)十字路口的智能交通控制。本設(shè)計主要做了如下幾方面的工作：一是確定系統(tǒng)交通控制的總體設(shè)計，包括，十字路口具體的通行禁行方案設(shè)計以及系統(tǒng)應(yīng)擁有的各項功能，二是進行傳感器的硬件電路、顯示電路等的設(shè)計和基本功能要求。關(guān)鍵字：單片機；交通燈；紅外檢測；智能控制 Abstract：Trafficcontrolsystemisamodernsocietywithlogistics,transportationandothertransportationdevelopmentauniquesetofpublicmanagementsystem.Toensuretheeffectivesafetytraffic,exceptforaseriesoftrafficrules,alsomustpassacertainscientificandtechnologicalmeanstoachieve.BasedonAT89C51microcontrollerfeaturesandtrafficlightsintheactualcontrolofthecharacteristicsofproposedmethodtodisplayasingle-chipautomaticcontroloftrafficlightsandtime,giventhehardwareandsoftwaredesignmethods.Thedesignprocessincludestwostepsofthehardwarecircuitdesignandprogramdesign,importantdesignissuesthatmaybeencounteredinSCMapplicationshavetogetinvolved.Thesystemusesamicrocontrollerasthecorecontrollerbyinfrareddetectionsystemtomeasurethesizeoftheeast-westdirectionandnorth-southdirectionoftrafficflow,asimplealgorithmtocometotrafficlightstime.Differentcombinationsofred,yellow,green,andthenwereusedtodirecttheopeningofthetwodirectionsandtheforbiddenline,asthecountdownindicationLEDdigitaltubereal-timecontroloftrafficlights,LEDdisplaycountsdownandkeeppacewiththestatuslightsmaximizethetraffictomaintaintrafficsafetyandsmoothalternatingoperation,inordertoachievethecrossroadsoftheintelligenttrafficcontrol.Thedesignmadethefollowingmainaspects:oneistheworkofthetrafficcontrolsystemdesign,includingcrossroads,specificrestricteddesignandsystemshouldbewitheachfunction,twoisthatthesensor,thehardwarecircuitdesignofthecircuitandthebasicfunctionrequirements.Keywords：SCM;trafficlights;infrareddetection;intelligentcontrol研究意義隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，汽車數(shù)量的急劇增加，給城市交通帶來了極大的壓力。特別是在上下班高峰期，巨大的車流量使得道路擁擠，造成了不必要的時間浪費與經(jīng)濟損失。由此可見，交通擁塞已成為一個國際性的問題。因此，設(shè)計可靠、安全、便捷的智能交通燈控制系統(tǒng)有極大的現(xiàn)實必要性。而社會上正在使用的交通控制系統(tǒng)主要有兩個缺陷:1、車道放行車輛時，時間設(shè)定相同且固定，十字路口經(jīng)常出現(xiàn)主車道車輛多，放行時間短，車流無法在規(guī)定時間內(nèi)通過，而副車道車輛少，放行時間明顯過長;2、未考慮急車強通（例如，消防車執(zhí)行緊急任務(wù)時，兩車道都應(yīng)等待消防車通過)。由于交通信號燈控制系統(tǒng)缺乏有效的應(yīng)急措施，導(dǎo)致十字路口交通受阻，造成不必要的經(jīng)濟損失。本系統(tǒng)利用AT89C51單片機，實現(xiàn)了根據(jù)區(qū)域車流量、紅外檢測或者人為操作進行十字路口交通信號燈智能控制，并在軟硬件方面采取一些改進措施，實現(xiàn)了根據(jù)十字路口車流、紅外檢測量進行交通信號燈智能控制，并且在緊急情況下，可以使用緊急按鍵使兩路口都為紅燈，讓緊急車輛通過后再恢復(fù)正常通車，這樣，交通信號燈現(xiàn)場控制靈活、有效，從一定程度上解決了交通路口堵塞、車輛停車等待時間不合理等問題，并可通過人為控制來解決緊急車輛強通問題。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低、實時性好、安裝維護方便等優(yōu)點，并且具有良好的擴展完善特點，有廣泛的應(yīng)用前景。交通燈研究現(xiàn)狀國內(nèi)城市交通現(xiàn)狀汽車進入家庭步伐的加快和城市汽車數(shù)量的增多，城市道路交通問題顯得越來越重要。我們在馬路上經(jīng)常會看到這種現(xiàn)象:一旦整個路口的交通信號燈出現(xiàn)故障，若沒有交警的及時疏導(dǎo)，該路口就會塞得一塌糊涂。原交通信號控制大都采用繼電器實現(xiàn)，存在著功能少、可靠性差、維護量大等缺點，越來越不能適應(yīng)城市道路交通高速發(fā)展的要求。另外，根據(jù)人車流量的多少，可能隨時增加路口的交通信號，比如增加轉(zhuǎn)彎或人行道交通信號，原有系統(tǒng)的制約性就更明顯了。交通問題在現(xiàn)在乃至將來的一段時間內(nèi)仍是制約國內(nèi)各大中城市發(fā)展的主要問題之一。以北京為例，“開車沒有騎車快，坐車沒有走路快”，這種現(xiàn)象在北京交通高峰時段已是見怪不怪。當(dāng)年，奧委會在《申辦城市手冊》中談到交通問題時指出：“成功舉辦奧運會的關(guān)鍵因素是要有一個有效的交通系統(tǒng)”，而“北京正面臨著經(jīng)濟發(fā)展和城市快速擴展而產(chǎn)生的交通需求挑戰(zhàn)”，從而可見一個有效的先進的交通系統(tǒng)的重要性。目前各城市都在不斷改善交通設(shè)施，改進各十字路口交通燈控制方式，都得到了很好的效果。國際先進成果智能控制交通系統(tǒng)是目前研究的方向，也已經(jīng)取得不少成果，在少數(shù)幾個先進國家已采用智能方式來控制交通信號，其中主要運用GPS全球定位系統(tǒng)等。出于便捷和效果的綜合考慮，可以制作傳感器探測車輛數(shù)量來控制交通燈的時長。具體如下：在入路口的各個方向附近的地下按要求埋設(shè)感應(yīng)線圈，當(dāng)汽車經(jīng)過時就會產(chǎn)生渦流損耗，環(huán)狀絕緣電線的電感開始減少，即可檢測出汽車的通過，并將這一信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號作為單片機的控制輸入，并用單片機的計數(shù)器計數(shù)，按一定控制規(guī)律自動調(diào)節(jié)紅綠燈的時長。比較傳統(tǒng)的定時交通燈控制與智能交通燈控制，可知后者的最大優(yōu)點在于減緩滯流現(xiàn)象，也不會出現(xiàn)空道占時的情形，提高了公路交通通行率。目前，基于單片機的智能交通系統(tǒng)在國內(nèi)外還處于研究發(fā)展階段，但已取得了很大的研究成果，得到了豐富的理論知識。研究內(nèi)容綜合研究和分析國內(nèi)外交通燈的研究技術(shù)以及方向，總結(jié)各類檢測車流量技術(shù)的特點和應(yīng)用前景，利用現(xiàn)有的檢測技術(shù)和控制技術(shù)設(shè)計一種基于51單片機的交通燈智能控制的裝置。本次畢業(yè)設(shè)計設(shè)計一個主動式紅外對射式傳感器和單片機在交通系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計，基本研究內(nèi)容有以下幾點：（1）學(xué)習(xí)并熟悉單片機的基本結(jié)構(gòu)、引腳功能說明等硬件方面的知識。（2）在傳感器上，主要使用的是紅外傳感器，在這方面我們要了解傳感器的工作原理，傳感器是該系統(tǒng)的檢測部分的核心之一，它關(guān)系到其它各個部分的運行和操作。（3）學(xué)會利用多種語言編寫單片機的程序，特別是高級語言的使用會極大地降低編寫程序的復(fù)雜性。（4）在電路方面，我們要了解電路的作用，電路的工作原理，電路的設(shè)計原理，加深我們對電路知識的學(xué)習(xí)。（5）要熟悉系統(tǒng)設(shè)計思路，組織電路的設(shè)計，了解整個電路的聯(lián)系，將其組成一個整體，實現(xiàn)最終的設(shè)計思路。硬件設(shè)計本系統(tǒng)利用AT89C51單片機作為系統(tǒng)的核心控制部件，利用其定時器/計數(shù)器作為紅外傳感器的接收端，通過高低電平的變化來統(tǒng)計通過檢測區(qū)域的車流量，然后通過軟件計時來控制接在P0端口的紅綠燈的點亮與熄滅狀態(tài)，并在8段數(shù)碼管（接在P1和P2端口）上顯示倒計時。系統(tǒng)的電路圖主要由電源電路、遮光式紅外傳感器檢測電路、紅綠燈顯示電路、紅綠燈時間倒計時電路以及緊急按鍵K1電路等電路組成。系統(tǒng)的基本原理框圖如圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)的基本原理框圖下面從各個電路分別加以說明，首先介紹一下單片機。單片機概述單片機也被稱為微控制器（Microcontroller），是因為它最早被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設(shè)計出的處理器，從此以后，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。早期的單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術(shù)得到了巨大提高。隨著INTELi960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而傳統(tǒng)的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的32位單片機主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。當(dāng)代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。單片機比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多的計算機?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有1-2部單片機。而個人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機在工作。汽車上一般配備40多部單片機，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作！單片機的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過PC機和其他計算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。電源電路電源采用輸出為正5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采用集成穩(wěn)壓器7805三端穩(wěn)壓器。它是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。當(dāng)輸出電流較大時，7805應(yīng)配上散熱板。C3為輸入端濾波電容，C5為輸出端濾波電容。如圖4-2所示。圖4-2電源電路本系統(tǒng)采用220V交流電電源，經(jīng)過5V適配器濾波后，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會因為市電電壓的波動或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生變化)。此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和電容的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。檢測電路檢測電路是本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制紅綠燈時間的關(guān)鍵。檢測電路的核心是紅外傳感器，下面首先對紅外傳感器做一個簡單地介紹：紅外傳感器的發(fā)展傳感器被定義為能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。紅外傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性，實現(xiàn)自動檢測的傳感器。在物理學(xué)中，我們就已經(jīng)知道可見光、不可見光、紅外光及無線電等都是電磁波，它們之間的差別只是波長（或頻率）的不同而已。紅外技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)為大家所熟知，這種技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感系統(tǒng)是利用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：（1）輻射計，用于輻射和光譜測量；（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤；（3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；（4）紅外測距和通信系統(tǒng)；（5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。紅外傳感器根據(jù)探測機理可分成為：光子探測器（基于光電效應(yīng)）和熱探測器（基于熱效應(yīng)）。常用的紅外傳感器（1）紅外探測器紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，按照探測的機理不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。熱探測器是利用輻射熱效應(yīng)，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進而使探測器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數(shù)情況下是通過熱點變化來探測輻射的。當(dāng)元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當(dāng)?shù)淖儞Q后測量相應(yīng)的電量變化。（2）紅外測溫產(chǎn)品HEITRONICS擁有40多年非接觸紅外測溫經(jīng)驗，50多種紅外測溫儀和非接觸紅外測溫系統(tǒng)可滿足不同行業(yè)用戶的特殊需求，提供最優(yōu)非接觸紅外測溫解決方案。在高性能和高品質(zhì)的紅外測溫產(chǎn)品市場，來自德國的HEITRONICS以其在尖端領(lǐng)域應(yīng)用中良好的品質(zhì)記錄，被廣泛公認(rèn)為是世界一流的紅外測溫產(chǎn)品供應(yīng)者而受到信任。HEITRONICS系列產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于冶金，玻璃，造紙，紡織，橡膠，木材，制陶，塑料涂層，瀝青建筑，電子，食品，石化，水泥等工業(yè)制造、科學(xué)研究和實驗領(lǐng)域。（3）壓電傳感器壓電傳感器是一種典型的有源傳感器，它是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)外力與電荷量間的轉(zhuǎn)換，達到非電量的電測目的。壓電傳感器的應(yīng)用：可分為單向力，雙向力和三向力傳感器。壓電傳感器的物理基礎(chǔ)是壓電效應(yīng)，壓電敏感元件感受力的作用而產(chǎn)生電壓或電荷輸出，即根據(jù)輸出電壓或電荷的大小和極性，就可確定作用力的大小和方向。由此可見，壓電傳感器可以直接用于測力，或測與力有關(guān)的壓力、位移、振動加速度等。（4）磁電傳感器磁電傳感器可分為兩大類，一類是基于鐵芯線圈電磁感應(yīng)原理的磁電感應(yīng)式傳感器，一類是基于半導(dǎo)體材料磁敏效應(yīng)的磁敏傳感器。磁敏管的應(yīng)用：不但具有很高的磁靈敏度，同時能識別磁場極性：而且體積小，功耗低，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。（5）光電傳感器光電傳感器是一種將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置，它具有結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，精度高，反應(yīng)快等優(yōu)點，在現(xiàn)代測量和自動控制系統(tǒng)中，應(yīng)用非常廣泛，是一種很有發(fā)展前途的新型傳感器。（6）人體熱釋電紅外傳感器介紹和應(yīng)用在電子防盜、人體探測器領(lǐng)域中，被動式熱釋電紅外探測器的應(yīng)用非常廣泛，因其價格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。（7）無線紅外傳感器無線紅外傳感器又稱無線紅外探測器是根據(jù)人體紅外光譜而工作，當(dāng)人體在其接受范圍內(nèi)活動時，探測器輸出報警信號，廣泛用于銀行、倉庫和家庭等場所的安全防范。綜上所述，每一種傳感器都有他的用處和廣泛的應(yīng)用前景。經(jīng)過比較，在本文系統(tǒng)中最適合采用的是光電傳感器，下面再簡單地介紹下。主動式紅外傳感器簡介光電傳感器是通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。發(fā)送器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(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)用該信號。本文采用的是一種對射型光電傳感器，即主動紅外探測器。主動紅外探測器由紅外發(fā)射機、紅外接收機和報警控制器組成。分別置于收、發(fā)端的光學(xué)系統(tǒng)一般采用的是光學(xué)透鏡，起到將紅外光束聚焦成較細(xì)的平行光束的作用，以使紅外光的能量能夠集中傳送。紅外光在人眼看不見的光譜范圍，有人經(jīng)過這條無形的封鎖線，必然全部或部分遮擋紅外光束。接收端輸出的電信號的強度會因此產(chǎn)生變化，從而啟動報警控制器發(fā)出報警信號。主動式紅外探測器遇到小動物、樹葉、沙塵、雨、雪、霧遮擋則不應(yīng)報警，人或相當(dāng)體積的物品遮擋將發(fā)生報警。由于光束較窄，收發(fā)端安裝要牢固可靠，不應(yīng)受地面震動影響，而發(fā)生位移引起誤報，光學(xué)系統(tǒng)要保持清潔，注意維護保養(yǎng)。因此主動式探測器所探測的是點到點，而不是一個面的范圍。其特點是探測可靠性非常高。但若對一個空間進行布防，則需有多個主動式探測器，價格昂貴。主動式探測器常用于博物館中單體貴重文物展品的布防以及工廠倉庫的門窗封鎖、購物中心的通道封鎖、停車場的出口封鎖、家居的陽臺封鎖等等。主動式紅外探測器有單光束、雙光束、四光束之分。以發(fā)射機與接收機設(shè)置的位置不同分為對向型安裝方式和反射式按裝方式，反射型安裝方式的接收機不是直接接收發(fā)射機發(fā)出的紅外光束，而是接收由反射鏡或適當(dāng)?shù)姆瓷湮铮ㄈ缡覊?、門板表面光滑的油漆層）反射回的紅外光束。當(dāng)反射面的位置與方向發(fā)生變化或紅外發(fā)射光束和反射光束之一被阻擋而使接收機無法接收到紅外反射光束時發(fā)出報警信號。對于用于檢測車流量的傳感器，本系統(tǒng)采用主動式紅外對射傳感器，它相對于傳統(tǒng)的被動式熱釋紅外傳感器有以下優(yōu)點：（1）主動式對射紅外傳感器安裝于十字路口上，采用多光束綜合判斷，當(dāng)有車輛通過遮擋時，才被觸發(fā)，極大的降低了傳感器的誤報（例如飛鳥等）；（2）天氣的變化對被動式熱釋紅外傳感器產(chǎn)生的影響很大，而主動式對射紅外傳感器大大地降低了這方面的影響。檢測電路從上面的介紹可知，我們利用紅外傳感器的紅外線發(fā)射和接收方向性較強的特點，在車輛經(jīng)過的路面上安裝密度適當(dāng)?shù)膸着偶t外線發(fā)射接收電路，組成紅外線矩陣，在沒有遮擋的情況下紅外線接收電路產(chǎn)生高電平信號，反之產(chǎn)生低電平信號。因此，根據(jù)車駛?cè)?、通過、駛出測試區(qū)時等狀態(tài)引起的矩陣內(nèi)各點高低電平的復(fù)雜變化，通過硬件電路的設(shè)計和軟件算法的處理，最終統(tǒng)計出經(jīng)過該測量區(qū)域內(nèi)雙向并排經(jīng)過的車輛的總流量。紅外傳感器的檢測示意圖如圖4-3所示。圖4-3紅外傳感器檢測示意圖緊急按鍵K1電路當(dāng)有緊急車輛通過時，操作員可以按下緊急按鍵K1，K1接在單片機的P3.1端口上，這樣就產(chǎn)生了一個高電平。而單片機通過軟件程序檢測到P3.1口為高電平后，再通過軟件調(diào)用一段子程序，使東西和南北方向都為紅燈，并接通蜂鳴器警告普通車輛禁止通行，先讓緊急車輛通過。待緊急車輛通過后，交通控制系統(tǒng)會恢復(fù)中斷前的現(xiàn)場。其電路原理圖如圖4-4所示：圖4-4緊急按鍵K1電路原理圖紅綠燈顯示電路交通燈最基本的功能是顏色燈的顯示，每個路口均需紅、黃、綠燈各一盞，東、西道上的兩組同色燈蟬聯(lián)在一起，南、北道的兩組同色也彼此互聯(lián)。這6盞燈分別接在單片機的P0.0-P0.5口，如圖3-6所示。D1、D2、D3分別代表的是東西方向的綠、黃、紅燈；N1、N2、N3分別代表的是南北方向的綠、黃、紅燈。當(dāng)東西方向為綠燈時，P0.0口輸出低電平，綠燈D1點亮；對應(yīng)地，P0.6口也輸出低電平，南北方向的紅燈N3點亮。當(dāng)東西方向為紅燈時，P0.2口輸出低電平，紅燈D3點亮；對應(yīng)地，P0.3口也輸出低電平，南北方向的綠燈N1點亮。而當(dāng)東西方向和南北方向均為黃燈時，黃燈會以2HZ的頻率閃爍（通過軟件來實現(xiàn)的），提醒車輛的駕駛員注意紅綠燈的轉(zhuǎn)換。下面圖4-5是紅綠燈與單片機的接線圖。圖4-5東西、南北方向紅綠燈與單片機接線圖振蕩電路AT89C51的XTAL1和XTAL2引腳分別為單極片內(nèi)反相放大器的輸入/輸出端，其頻率范圍為1.2~12MHz。XTAL2又是內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，這個內(nèi)部反相器可與外部元件組成如圖4-6所示的皮爾斯（Pierce）振蕩器。當(dāng)采用石英晶體振蕩器時，C=（30±10）pF；當(dāng)采用陶瓷諧振振蕩器時，C=（40±10）pF。在任何情況下，振蕩器始終驅(qū)動內(nèi)部時鐘發(fā)生器向主機提供時鐘信號。因為時鐘發(fā)生器的輸入是個二分頻觸發(fā)器，所以對外部振蕩信號的脈寬無特殊要求，但必須保證高低電平的最小寬度。圖4-6單片機振蕩電路復(fù)位電路本文中的單片機采用了外接的復(fù)位電路，并且采用了一種上電復(fù)位和手動復(fù)位的組合[9]，復(fù)位電路圖如圖3-11所示。單獨上電復(fù)位的電路時，并沒有圖3-11中與電容并聯(lián)的開關(guān)，當(dāng)Vcc上升時間不超過1ms，振蕩器啟動時間不超過10ms，則在Vcc接通電源時，這個自動上電復(fù)位電路保證在上電開機時對8951單片機進行正確的復(fù)位。當(dāng)電源接通時，電源Vcc向電容充電，電流流入RST引腳。開始時，由于電容器上的電壓不能突變，所以RST引腳上的電壓升至等于Vcc電源電壓，因為RST上的電壓是Vcc和電容器上電壓之差，所以隨著充電過程，電容器上電壓不斷上升，RST引腳上的電壓就不斷下降。電容器容量越大，充電時間常數(shù)越大，即電容器上電壓上升越慢，則RST引腳上的電壓就下降越慢，必須使RST引腳上的電壓保持在斯密特觸發(fā)器的觸發(fā)門檻電壓以上足夠長的時間，以滿足復(fù)位操作的要求。所需的這個時間應(yīng)為振蕩器的起振時間再加上兩個機器周期以上，因而所選的電容應(yīng)足夠大。如果Vcc上升時間不超過1ms，振蕩器的起振時間不超過10ms，則選取10uf的電容就可提供可靠的復(fù)位。手動復(fù)位可在上電復(fù)位基礎(chǔ)上并接一個復(fù)位開關(guān)（如圖4-7），這樣既保證上電復(fù)位，又可手動復(fù)位。單片機復(fù)位后，內(nèi)部特殊功能寄存器復(fù)位后的狀態(tài)為確定值。復(fù)位后，PC=00H，這表明程序從0000H地址單元開始執(zhí)行。PSW=00H，表明選寄存器0組為工作寄存器組。P0至P3=FFH，表明已向各端口寫入1。此時，各端口既可用于輸入又可用于輸出。IE=0**00000B，表明各個中斷均被關(guān)斷。編程時如果記住一些特殊功能寄存器復(fù)位后的狀態(tài)，對于減少應(yīng)用程序中的初始化是十分必要的。圖4-7單片機復(fù)位電路單片機系統(tǒng)本設(shè)計單片機主要是用于控制交通燈的演示系統(tǒng)，故只需要單片機最小系統(tǒng)即可完成。單片機的最小系統(tǒng)是指能夠驅(qū)動單片機工作的最小電路。此電路由單片機、時鐘電路、電源、復(fù)位電路4個組成部分組成。圖4-8為單片機最小電路的電路圖。其中，單片機復(fù)位電路原理是在單片機的復(fù)位引腳rst上外接電阻和電容,實現(xiàn)上電復(fù)位，而復(fù)位時間是(時鐘周期=12×振蕩周期,振蕩周期=1/f)，這個時間只能大不能小，具體數(shù)值可以由rc電路計算出時間常數(shù)。3.9.1雙電源供電電路供電電路由主電源和備用電源組成。主電源主要是由變壓器、6A整流橋、2顆1000μF電容以及7805三端穩(wěn)壓管組成。這個部分為系統(tǒng)提供主要的供電，輸出電壓為5V直流。備用電源主要是由4位的5號電池盒組成。這個部分在主電源斷電時能夠幾乎瞬時的為系統(tǒng)提供電源，輸出電壓也是6V直流。該電源直接接到單片機的電源端。圖4-8交通燈演示系統(tǒng)電路圖備用電源存在的意義就在于，如果主電源一旦斷電的話能夠及時的提供系統(tǒng)所需要的電力，以保證整個系統(tǒng)在主電源斷電的時間內(nèi)依然能夠正常的工作。在實際的應(yīng)用過程中，備用電源可以根據(jù)需要設(shè)置一個合適的容量，本設(shè)計出于演示的需要就只提供了4顆5號電池為載體的備用電源。主電源和備用電源的切換功能電路如圖4-9所示。該切換電路的原理是根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦浴蜗驅(qū)щ娦允侵付O管的PN結(jié)加正向電壓時，電阻值很小，PN結(jié)導(dǎo)通；加反向電壓時，電阻值很大，PN結(jié)截止。當(dāng)主電源正常工作時，由于二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，由主電源供電，當(dāng)主電源突然斷開時，二極管導(dǎo)通，由電池組供電。此處選用雙二極管串聯(lián)工作原因是：當(dāng)選用一個時，圖4-9主電源和備用電源切換功能電路假設(shè)二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，此時二極管陰極電位為5V，陽極電位為6V，所以電壓差為1V，此時二極管一定處于導(dǎo)通狀態(tài)，所以假設(shè)不成立。當(dāng)主電源工作時電池組也提供電源，這會造成兩個不同電壓的電源并聯(lián)，造成干電池組給主電源充電。而當(dāng)選用兩個二極管串聯(lián)時，假設(shè)二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，此時電壓差為0.5V，0.5V<0.7V二極截止，假設(shè)成立。而當(dāng)主電源斷開時，能提供電壓為6V減去2個二極管的壓降為4.6V，此電壓能保證單片機正常工作。中斷系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)高低峰方案和緊急方案的切換。電路圖如圖4-10所示。圖3-10中斷系統(tǒng)交通燈演示系統(tǒng)根據(jù)功能，交通燈的演示系統(tǒng)從功能上則分為：倒計時電路、紅綠燈功能電路。倒計時電路主要是由雙位共陰數(shù)碼管和74HC573N驅(qū)動模塊組成，控制信號通過單片機的端口P1口進行信號的傳輸。倒計時電路負(fù)責(zé)的是顯示紅綠燈持續(xù)顯示的時間。當(dāng)綠燈或者紅燈持續(xù)顯示時，數(shù)碼管顯示該狀態(tài)的持續(xù)時間，在黃燈閃爍顯示時，起到倒計時秒數(shù)的作用。紅綠燈功能電路主要是由各色的發(fā)光二極管和74HC573N驅(qū)動模塊組成，控制信號跟數(shù)碼管一樣都是通過P1口進行傳輸。紅綠燈電路負(fù)責(zé)的是各個車行道和人行道通行狀態(tài)的顯示。軟件設(shè)計在本次設(shè)計中，采用了C語言作為程序編程的語言。相較于C語言，匯編語言的機器代碼生成效率很高但可讀性卻并不強，復(fù)雜一點的程序就更是難讀懂，而C語言在大多數(shù)情況下其機器代碼生成效率和匯編語言相當(dāng)，但可讀性和可移植性卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過匯編語言，而且C語言還可以嵌入?yún)R編來解決高時效性的代碼編寫問題。對于開發(fā)周期來說，中大型的軟件編寫用C語言的開發(fā)周期通常要小于匯編語言很多。綜合以上C語言的優(yōu)點，本設(shè)計在編程的時候選擇了C語言。本設(shè)計在編程環(huán)境上也選擇了KeilμVision2.0。這款軟件支持眾多不同公司的MCS51架構(gòu)芯片，它集編輯、編譯、仿真為一體，同時還支持PLM、匯編和C語言的程序設(shè)計，界面友好、簡單易學(xué)，在調(diào)試程序。軟件仿真方面都有很強大的功能。在初期的軟件調(diào)試階段，KeilμVision會提供非常便利的環(huán)境。在沒有突發(fā)事件按鈕和高低峰切換按鈕都沒有按下時交通燈的執(zhí)行預(yù)定方案。預(yù)定程序執(zhí)行方案流程圖如圖5-1。根據(jù)本設(shè)計交通燈的模型和實現(xiàn)的功能，程序流程圖如圖5-2所示。圖5-1預(yù)定程序執(zhí)行方案流程圖上面主要講述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分，但一個系統(tǒng)必須有軟件（即程序）來控制計算機運行。目前，對大多數(shù)MCS-51單片機的應(yīng)用系統(tǒng)的編程語言主要有PLM、匯編和c語言。其中匯編和c語言比較常用。匯編語言的機器代碼生成效率很高但可讀性并不強，復(fù)雜一點的程序就更難讀懂，而c語言在大多數(shù)情況下，其機器代碼生成效率和匯編語言相當(dāng)，但可讀性和可移植性卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過匯編語言，而且c語言還可以嵌入?yún)R編語言來解決高時效性的代碼編寫問題。因此，c語言是單片機開發(fā)、應(yīng)用的重要趨勢。目前，c語言已經(jīng)成為在單片機基礎(chǔ)上應(yīng)用最為廣泛的計算機語言之一。將c語言向單片機移植始于20世紀(jì)80年代的中后期。這些年，經(jīng)過各公司（Keil/Franklin、Archmeades、IAR、BSO/Tasking等公司）堅持不懈的努力，終于在20世紀(jì)90年代，單片機c語言編程開始日趨成熟?，F(xiàn)在c語言已經(jīng)成為專業(yè)化的單片機編程高級語言。過去長期困擾人們的所謂“高級語言產(chǎn)生代碼太長，運行速度太慢，因此不適合單片機使用”的缺點已被克服?，F(xiàn)在MCS-51單片機上c語言的代碼長度，已經(jīng)做到了只有匯編語言的1.2-1.5倍。4K字節(jié)以上的程序，c語言的優(yōu)勢更能得到發(fā)揮。關(guān)于執(zhí)行速度的問題，只要有好的仿真器幫助，找出關(guān)鍵代碼，進一步用人工優(yōu)化，就能很簡單地達到十分完美的程序。從開發(fā)速度、軟件質(zhì)量、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、程序堅固等方面比較，c語言的優(yōu)勢更多。c語言有很多鮮明的特點，比較適于編寫系統(tǒng)軟件和大型的應(yīng)用軟件。下面結(jié)合MCS-51介紹單片機c語言的優(yōu)越性。(1)不懂得單片機的指令集，也能夠編寫完美的單片機程序。(2)直接訪問物理地址，可以進行位操作。(3)同函數(shù)的數(shù)據(jù)實行覆蓋，有效利用片上有限的RAM空間。(4)語言提供復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型（數(shù)組、結(jié)構(gòu)、聯(lián)合、枚舉、指針等），極大地增強了程序處理能力和靈活性。(5)提供專門針對MCS-51單片機的data、idata、pdata、xdata、code等存儲類型，自動為變量合理地分配地址。(6)提供small、compact、large等編譯模式，以適應(yīng)片上存儲器的大小。(7)提供常用的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫，以供用戶直接使用。(8)c語言作為高級語言對機器沒有依賴性，可以在各種不同的機器和操作系統(tǒng)上應(yīng)用，而不必改寫源代碼（所謂的移植性好），生成目標(biāo)代碼的效率高。主程序設(shè)計本系統(tǒng)的程序就是用的c語言來編譯的，下面是系統(tǒng)的主程序流程圖：圖5-2主程序流程圖延時子程序單片機的1秒鐘延時可以有兩種方法，一種是利用AT89C51單片機內(nèi)部定時器溢出中斷來確定1秒的時間；另一種是采用軟件延時來確定1秒的時間。計數(shù)器硬件延時(1)計數(shù)器初值計算定時器工作時必須給計數(shù)器送計數(shù)器初值，這個值是送到TH和TL中的。他是以加法記數(shù)的，并能從全1到全0時自動產(chǎn)生溢出中斷請求。因此，我們可以把計數(shù)器記滿為零所需的計數(shù)值設(shè)定為C和計數(shù)初值設(shè)定為TC可得到如下計算通式：式中，M為計數(shù)器摸值，該值和計數(shù)器工作方式有關(guān)。在方式0時M為13；在方式1時M的值為16；在方式2和3時M的值為8。(2)計算公式或T計數(shù)是單片機時鐘周期TCLK的12倍；TC為定時初值如單片機的主脈沖頻率為TCLK12MHz，經(jīng)過12分頻方式0方式1顯然1秒鐘已經(jīng)超過了計數(shù)器的最大定時間，所以我們只有采用定時器和軟件相結(jié)合的辦法才能解決這個問題．(3)１秒的方法我們采用在主程序中設(shè)定一個初值為20的軟件計數(shù)器和使T0定時50毫秒．這樣每當(dāng)T0到50毫秒時CPU就響應(yīng)它的溢出中斷請求，進入他的中斷服務(wù)子程序。在中斷服務(wù)子程序中，CPU先使軟件計數(shù)器減1，然后判斷它是否為零。為零表示1秒已到可以返回到輸出時間顯示程序。軟件延時MCS-51系列的單片機的工作頻率為2-12MHZ，我們選用的8951單片機的工作頻率為12MHZ。機器周期與主頻有關(guān)，機器周期是主頻的12倍，所以一個機器周期的時間為12*（1/12M）=1us。我們可以知道具體每條指令的周期數(shù)，這樣我們就可以通過指令的執(zhí)行條數(shù)來確定1秒的時間。計數(shù)器計數(shù)由硬件部分單片機的簡介，我們知道了8951包含兩個計數(shù)/定時器。T0是由TH0和TL0組合而成，T1的結(jié)構(gòu)也是一樣。當(dāng)T0或T1用作計數(shù)器時，計數(shù)器的計數(shù)脈沖是從外部引腳引入的，這兩個引腳分別是P3.5和P3.4，當(dāng)這兩個管腳出現(xiàn)下降沿時引發(fā)一個計數(shù)脈沖。計數(shù)脈沖引起T0和T1的當(dāng)前值發(fā)生變化將不占用CPU時間。4.4數(shù)碼管顯示子程序數(shù)碼管常用的顯示方法有動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種。所謂動態(tài)顯示，就是單片機定時地對顯示模塊件掃描，在這種方法中，顯示模塊件分時工作，每次只能有一個器件顯示，但由于人視覺的暫留現(xiàn)象，所以仍感覺所有的器件都在顯示。此種顯示的優(yōu)點是使用硬件少，因而價格低。但它占用機時長，只要單片機不執(zhí)行顯示程序，就立刻停止顯示。由此可見，這種顯示將使計算機的開銷太大，所以，在以工業(yè)控制為主的單片機控制系統(tǒng)中應(yīng)用很少。所謂靜態(tài)顯示，是由單片機一次輸出顯示后，就能保持該顯示結(jié)果，直到下次送新的顯示模型為止。這種顯示占用機時少，顯示可靠，因而在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。這種顯示方法的缺點是使用元件多，且線路比較復(fù)雜，因而成本比較高。但是，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，目前已經(jīng)研制出具有多種功能的顯示模塊件，例如，鎖存器、譯碼器、驅(qū)動器和顯示模塊4位一體的顯示模塊件，用起來比較方便。黃燈閃爍子程序黃燈是警告信號，警告人們紅綠燈即將轉(zhuǎn)換，面對黃燈的車輛不能越過停車線，因此在這里設(shè)置黃燈閃爍點亮3s更加能引起人們的注意，從而盡量避免事故的發(fā)生。車流量算法子程序主程序中最重要的子程序即為車流量的算法子程序，它是交通燈系統(tǒng)實現(xiàn)智能化的重要手段。該子程序通過兩方向?qū)嶋H車流量的大小與事先預(yù)定的車流量的大小進行一個簡單的算法得出一個合理的綠燈通行時間，使得兩方向上的車流能夠及時暢通地通過十字路口。我們在這里設(shè)定東西方向的預(yù)定車流量為60，南北方向的預(yù)定車流量為45。通過主程序中的算法子程序“uintsuanfa（m）”我們可以發(fā)現(xiàn)，局部變量x和y分別被賦值等于單片機計數(shù)器T0和T1的值，然后再進行一個簡單的代數(shù)算法。這里對兩方向的車流量的大小分成了三種情況：（1），若兩方向上的車流量都小于或等于5，則綠燈時間都賦予20s（之所以選擇20s，是因為不能讓綠燈通行時間太短，便于下一階段的車流量檢測）；（2），若5<x<60或者5<y<45，即兩個方向上沒有都達到預(yù)定的車流量大小的情況下，我們就讓下一個階段的綠燈時間就等于計數(shù)器檢測到的車流量大??；（3），若兩個方向車流量大小均達到或超過預(yù)定值，則需要經(jīng)過下面一個簡單的算法：x=x-60;y=y-45;z=x-y;x=x+60;y=y-45;if(x>90)x=90;if(y>90)y=90;經(jīng)過以上的算法之后，得到的綠燈時間完全符合正常情況的紅綠燈時間，且不會太長，以免讓紅燈車道上的車輛等待太長時間。緊急車輛子程序緊急車輛的通過功能也是本系統(tǒng)與現(xiàn)在市面上正在使用的交通燈的主要區(qū)別之一，這個設(shè)計很人性化。比如，一輛救護車需要緊急救人，但在十字路口處遇到紅燈，則這個功能的設(shè)計將會發(fā)揮很大的作用，為救人爭取更多的時間。當(dāng)有緊急車輛需要通過時，操作員按下按鍵K1，單片機P0.2和P0.5輸出低電平，使得接在這兩個端口上的兩個紅燈點亮，禁止普通車輛通過。調(diào)試斷電調(diào)試為安全起見，防止硬件燒壞，首先進行斷電調(diào)試，用萬用表檢測系統(tǒng)是否有短路現(xiàn)象，再檢查嚴(yán)原理是否正確，各個線路的電平是否正常。經(jīng)檢測，未出現(xiàn)短路現(xiàn)象以及各個電平都正常。通電調(diào)試(1)關(guān)掉交流電源開關(guān)，用萬用表直流電壓檔測量穩(wěn)壓輸出電壓，測量結(jié)果只有4.2V，用12V電源直接接入7805輸入端，測量輸出電壓達到4.99V。經(jīng)檢查分析為穩(wěn)壓芯片7805輸入端電容沒有接入，輸入電壓變化太大，造成7805無法穩(wěn)壓。經(jīng)處理問題解決。(2)檢查系統(tǒng)時鐘是否正常工作，用萬用表直流電壓檔測量XTAL1與AXTAL2兩端間的電壓，檢測到電壓若為2.5V左右，則視為正常工作。(3)檢查復(fù)位電路是否正常工作。(4)檢查數(shù)碼管顯示和LED燈是否正常?；疽蟛糠值臏y試與分析(1)系統(tǒng)上電后，顯示交通燈基本狀態(tài)，按中斷按鍵，中斷正常，直接進入S5狀態(tài)，按復(fù)位按鍵，整個系統(tǒng)復(fù)位成功。(2)按高低峰切換按鍵，系統(tǒng)即時切換到高峰時段方案，再按下高低峰切換按鍵，系統(tǒng)即時切換到低峰時段方案，最后按下高低峰按鍵，系統(tǒng)重新進入預(yù)定流程。(3)在未進行任何