毕业论文-交通信号智能控制系统的研究和设计

本科生毕业论文设计题目交通信号智能控制系统的研究与设计学生姓名学号专业班级通信工程08102班指导教师完成时间2012年5月10日目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111研究意义112交通灯研究现状2121国内城市交通现状2122国际先进成果2第2章总体方案设计421方案的比较与选择4211方案的比较4212方案的选择5第3章系统硬件设计731单片机概述732电源电路1233检测电路13331红外传感器的发展13332常用的红外传感器13333热释电红外传感器简介15334检测车流量的方法1534紧急按键K1电路1635红绿灯显示电路1736倒计时显示电路1837振荡电路2038复位电路21第4章系统软件设计2341主程序设计2442延时子程序27421计数器硬件延时27422软件延时2943计数器计数3044数码管显示子程序3145黄灯闪烁子程序3246车流量算法子程序3247紧急车辆子程序33第5章系统实现3451仿真软件简介34511PROTEUS软件简介34512KEIL软件简介3652仿真实现38结论41参考文献42致谢43附录44摘要本文根据AT89C51单片机的特点及交通灯在实际控制中的特点，提出了一种用单片机自动控制交通灯以及时间显示的方法，同时给出了软硬件设计的方法。设计的过程包括硬件电路设计和程序设计两大步骤，对在单片机应用中可能遇到的重要设计问题都有涉足。本系统采用单片机作为核心控制器，通过红外检测系统来测量东西方向和南北方向的车流量大小，经过简单的算法得出红绿灯时间。然后分别用红、黄、绿灯的不同组合来指挥两个方向的通车与禁行，用LED数码管作为倒计时指示，实时地控制当前交通灯时间使LED显示器进行倒计时工作并与状态灯保持同步，在保持交通安全的同时最大限度地提高交通能顺畅交替运行，从而实现十字路口的智能交通控制。关键词单片机；交通灯；红外检测；智能控制ABSTRACTACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFTHEAT89C51MICROCONTROLLERANDTHECHARACTERISTICSOFTRAFFICLIGHTSINTHEACTUALCONTROL,THEPAPERPROPOSESAKINDOFAUTOMATICTRAFFICLIGHTSWITHASINGLECHIPANDMETHODOFTIMEDISPLAYANDGIVESTHEHARDWAREANDSOFTWAREDESIGNMETHODSTHEPROCESSOFDESIGNINCLUDESTHEHARDWARECIRCUITDESIGNANDPROGRAMMINGTWOSTEPS,ANDMIGHTENCOUNTERIMPORTANTPROBLEMSINTHEDESIGNOFSCPAPPLICATIONTHESYSTEMUSESTHESCMASTHECORECONTROLLERANDMEASURESTHEEASTWESTANDNORTHSOUTHDIRECTIONOFTRAFFICFLOWSIZETHROUGHTHEINFRAREDDETECTIONSYSTEMTHETIMEOFTRAFFICLIGHTSISCALCULATEDTHROUGHASIMPLEALGORITHMANDCOMMANDTHEDIFFERENTCOMBINATIONSOFTWODIRECTIONANDEXCLUDETRAFFICWITHRED,YELLOW,ANDGREENTHENUSETHELEDDIGITALTUBEASTHECOUNTDOWNINSTRUCTIONS,REALTIMECONTROLTHETIMEOFTHECOUNTDOWNINSTRUCTIONSLET,MAKELEDDISPLAYLIGHTSCOUNTDOWNWORKANDKEEPPACEWITHTHESTATELAMPWHILEMAINTAININGSAFETY,MAXIMIZETRAFFICFLOWCANALTERNATEOPERATIONSOCROSSROADSINTELLIGENTTRAFFICCONTROLISIMPLEMENTEDKEYWORDSSCM,TRAFFICLIGHTS,INFRAREDDETECTION,INTELLIGENTCONTROL第1章绪论1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行，这是世界上最早的交通信号灯。1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。1968年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义作了规定绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线。11研究意义随着社会经济快速发展，汽车数量的急剧增加，给城市交通带来了极大的压力。特别是在上下班高峰期，巨大的车流量使得道路拥挤，造成了不必要的时间浪费与经济损失。由此可见，交通拥塞已成为一个国际性的问题。因此，设计可靠、安全、便捷的智能交通灯控制系统有极大的现实必要性。而社会上正在使用的交通控制系统主要有两个缺陷1、车道放行车辆时，时间设定相同且固定，十字路口经常出现主车道车辆多，放行时间短，车流无法在规定时间内通过，而副车道车辆少，放行时间明显过长2、未考虑急车强通（例如，消防车执行紧急任务时，两车道都应等待消防车通过。由于交通信号灯控制系统缺乏有效的应急措施，导致十字路口交通受阻，造成不必要的经济损失。本系统利用AT89C51单片机，实现了根据区域车流量、红外检测或者人为操作进行十字路口交通信号灯智能控制，并在软硬件方面采取一些改进措施，实现了根据十字路口车流、红外检测量进行交通信号灯智能控制，并且在紧急情况下，可以使用紧急按键使两路口都为红灯，让紧急车辆通过后再恢复正常通车，这样，交通信号灯现场控制灵活、有效，从一定程度上解决了交通路口堵塞、车辆停车等待时间不合理等问题，并可通过人为控制来解决紧急车辆强通问题。该系统具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便等优点，并且具有良好的扩展完善特点，有广泛的应用前景。12交通灯研究现状121国内城市交通现状汽车进入家庭步伐的加快和城市汽车数量的增多,城市道路交通问题显得越来越重要。我们在马路上经常会看到这种现象一旦整个路口的交通信号灯出现故障,若没有交警的及时疏导,该路口就会塞得一塌糊涂。原交通信号控制大都采用继电器实现,存在着功能少、可靠性差、维护量大等缺点,越来越不能适应城市道路交通高速发展的要求。另外,根据人车流量的多少,可能随时增加路口的交通信号,比如增加转弯或人行道交通信号,原有系统的制约性就更明显了。交通问题在现在乃至将来的一段时间内仍是制约国内各大中城市发展的主要问题之一。以北京为例，“开车没有骑车快，坐车没有走路快”，这种现象在北京交通高峰时段已是见怪不怪。当年，奥委会在申办城市手册中谈到交通问题时指出“成功举办奥运会的关键因素是要有一个有效的交通系统”，而“北京正面临着经济发展和城市快速扩展而产生的交通需求挑战”，从而可见一个有效的先进的交通系统的重要性。目前各城市都在不断改善交通设施，改进各十字路口交通灯控制方式，都得到了很好的效果。122国际先进成果智能控制交通系统是目前研究的方向，也已经取得不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用GPS全球定位系统等。出于便捷和效果的综合考虑，可以制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长。具体如下在入路口的各个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为单片机的控制输入，并用单片机的计数器计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率。目前，基于单片机的智能交通系统在国内外还处于研究发展阶段，但已取得了很大的研究成果，得到了丰富的理论知识。第2章总体方案设计21方案的比较与选择211方案的比较方案一基于PLC的交通智能控制系统本系统利用EPM240TC100C5核心板控制模块为核心控制部件，加入振荡电路、车流量检测电路、紧急按键电路、红绿灯显示电路以及倒计时显示电路组成功系统，实现对十字路口交通信号灯的智能控制，系统基本原理框图如图21所示图21基于PLC的交通智能控制系统基本原理框图方案二基于单片机的交通信号智能控制系统本系统利用AT89C51单片机作为系统的核心控制部件，利用其定时器/计数器作为红外传感器的接收端，通过高低电平的变化来统计通过检测区域的车流量，然后通过软件计时来控制接在P0端口的红绿灯的点亮与熄灭状态，并在8段数码管（接在P1和P2端口）上显示倒计时。系统的电路图主要由电源电路、遮光式红外传感器检测电路、红绿灯显示电路、红绿灯时间倒计时电路以及紧急按键K1电路等电路组成。系统的基本原理框图如图22所示AT89C51单片机紧急按键K1报警电路红外传感器检测电路红绿灯显示电路数码管倒计时显示电路振荡电路复位电路图22基于单片机的交通信号智能控制系统框图212方案的选择由于该设计的系统比较简单，单片机完全能胜任该设计，而且从经济角度来说，单片机更为便宜，且本人所学知识有限对于单片机更加熟悉，所以决定采用方案二来完成本次设计。为了实现了根据区域车流量、红外检测或者人为操作进行十字路口交通信号灯智能控制，并在软硬件方面采取一些改进措施，实现了根据十字路口车流、红外检测量进行交通信号灯智能控制，这样，交通信号灯现场控制灵活、有效，从一定程度上解决了交通路口堵塞、车辆停车等待时间不合理等问题。本文是采用了以AT89C51单片机为核心的控制方案。方案中通过遮光式的红外传感器来检测东西方向和南北方向的车流量大小，再经过一定的简单算法算出各方向上的红绿灯时间并在数码管显示器上显示倒计时，同时通过路口上的红绿灯的点亮与熄灭控制车辆的通行与停止。另外，方案中还设计一个紧急车辆通行按键，每当有紧急车辆需要通过时，操作员按下按键，东西方向和南北方向上均为红灯，并发出警报禁止普通车辆的通行，先让紧急车辆通过。东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间，指示灯燃亮的方案如表21。表21指示灯的燃亮方案表（T13）S3S（T23）S3S东西道红灯亮黄灯亮绿灯亮黄灯亮南北道绿灯亮黄灯亮红灯亮黄灯亮表21说明（1）当东西方向为红灯，此道车辆禁止通行；南北道为绿灯，此道车辆通过。时间为（T13）秒。（2）黄灯闪烁3秒，警示车辆红、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。时间为（T23）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车辆就能安全畅通的通行。另外，在紧急情况下，操作员可以通过紧急按键K1，使两路口均是红灯，禁止普通车辆通行，先让紧急车辆（例如救护车等）通过。注时间T1和T2均由红外传感器检测电路测的。另外，在交通灯的燃亮指示表中，东西（南北）方向绿灯的点亮时间为（T13）（南北方向绿灯为（T23），这是因为循环时间段T1（T2）包括绿灯和黄灯的时间，扣除的3秒钟为黄灯的点亮时间，所以从时间段T1（T2）扣除黄灯的3秒钟即为东西方向的绿灯点亮时间（南北方向的绿灯点亮时间）。第3章系统硬件设计本系统利用AT89C51单片机作为系统的核心控制部件，利用其定时器/计数器作为红外传感器的接收端，通过高低电平的变化来统计通过检测区域的车流量，然后通过软件计时来控制接在P0端口的红绿灯的点亮与熄灭状态，并在8段数码管（接在P1和P2端口）上显示倒计时。系统的电路图主要由电源电路、热释电红外传感器检测电路、红绿灯显示电路、红绿灯时间倒计时电路以及紧急按键K1电路等电路组成。系统的基本原理框图如图31所示AT89C51单片机紧急按键K1报警电路红外传感器检测电路红绿灯显示电路数码管倒计时显示电路振荡电路复位电路图31系统的基本原理框图下面从各个电路分别加以说明，首先介绍一下单片机。31单片机概述单片机也被称为微控制器（MICROCONTROLLER），最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTELI960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHZ，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的WINDOWS和LINUX操作系统。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有12部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。本文中使用的AT89C51单片机是MCS51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。8951单片机包含中央处理器、程序存储器ROM、数据存储器RAM、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线5，现在我们分别加以说明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。数据存储器RAM8951内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。程序存储器ROM8951共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。定时/计数器ROM8951有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。并行输入输出I/O口8951共有4组8位I/O口P0、P1、P2或P3，用于对外部数据的传输。全双工串行口8951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。中断系统8951具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。时钟电路8951内置最高频率达12MHZ的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8951单片机需外置振荡电容。AT89C51单片机的外形结构为40条引脚双列直插式封装，下面是单片机的引脚图，以及简单的管脚说明13132333435363738394020191817161514131211109876543228272625242322213029AT89C51ALE/PROGXTAL2P37/RDP36/WRP35/T1P34/T0P33/INT1P32/INT0P31/TXDP30/RXDRST/VPDP17P16P15P14P13P12P11P10XTAL1VSSP00VCCP07P06P05P04P03P02P01VPP/EAPSENP27P26P25P24P23P22P21P20图32单片机的引脚图VCC（40脚）供电电压。GND（20脚）接地。XTAL1（19脚）反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2（18脚）来自反向振荡器的输出。振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。RST（9脚）复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG（30脚）当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN（29脚）外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP（31脚）当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。P0口（3239脚）P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口（18脚）P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口（2128脚）P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口（1017脚）P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示P3口管脚备选功能P30（10脚）RXD（串行输入口）P31（11脚）TXD（串行输出口）P32（12脚）/INT0（外部中断0）P33（13脚）/INT1（外部中断1）P34（14脚）T0（记时器0外部输入）P35（15脚）T1（记时器1外部输入）P36（16脚）/WR（外部数据存储器写选通）P37（17脚）/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。32电源电路电源采用输出为正5V直流电压的稳压电源电路。IC采用集成稳压器7805三端稳压器。它是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。当输出电流较大时，7805应配上散热板。C3为输入端滤波电容，C5为输出端滤波电容。如图33所示C4001FC31000FC501FC6100FVIN1GND2VIO37805T1TRANS11234D1BRIDGE1图33电源电路本系统采用220V交流电电源，经过5V适配器滤波后，在固定式三端稳压器LM7805的VIN和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化。此直流电压经过LM7805的稳压和电容的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。33检测电路检测电路是本系统能够实现智能控制红绿灯时间的关键。检测电路的核心是红外传感器，下面首先对红外传感器做一个简单地介绍331红外传感器的发展传感器被定义为能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。红外传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。在物理学中，我们就已经知道可见光、不可见光、红外光及无线电5等都是电磁波，它们之间的差别只是波长（或频率）的不同而已。红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是利用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。红外传感器根据探测机理可分成为光子探测器8（基于光电效应）和热探测器8（基于热效应）。332常用的红外传感器（1）红外探测器红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过热点变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。（2）红外测温产品HEITRONICS拥有40多年非接触红外测温经验，50多种红外测温仪和非接触红外测温系统可满足不同行业用户的特殊需求，提供最优非接触红外测温解决方案。在高性能和高品质的红外测温产品市场，来自德国的HEITRONICS以其在尖端领域应用中良好的品质记录，被广泛公认为是世界一流的红外测温产品供应者而受到信任。HEITRONICS系列产品已广泛应用于冶金，玻璃，造纸，纺织，橡胶，木材，制陶，塑料涂层，沥青建筑，电子，食品，石化，水泥等工业制造、科学研究和实验领域。（3）压电传感器压电传感器是一种典型的有源传感器，它是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，电介质表面产生电荷，从而实现外力与电荷量间的转换，达到非电量的电测目的。压电传感器的应用可分为单向力，双向力和三向力传感器。压电传感器的物理基础是压电效应，压电敏感元件感受力的作用而产生电压或电荷输出，即根据输出电压或电荷的大小和极性，就可确定作用力的大小和方向。由此可见，压电传感器可以直接用于测力，或测与力有关的压力、位移、振动加速度等。（4）磁电传感器磁电传感器可分为两大类，一类是基于铁芯线圈电磁感应原理的磁电感应式传感器，一类是基于半导体材料磁敏效应的磁敏传感器。磁敏管的应用不但具有很高的磁灵敏度，同时能识别磁场极性而且体积小，功耗低，因而具有广泛的应用前景。（5）光电传感器光电传感器是一种将光信号转换成电信号的装置，它具有结构简单，性能可靠，精度高，反应快等优点，在现代测量和自动控制系统中，应用非常广泛，是一种很有发展前途的新型传感器。（6）无线红外传感器无线红外传感器又称无线红外探测器是根据人体红外光谱而工作，当人体在其接受范围内活动时，探测器输出报警信号，广泛用于银行、仓库和家庭等场所的安全防范。综上所述，每一种传感器都有他的用处和广泛的应用前景。经过比较，在本文系统中最适合采用的是光电传感器，下面再简单地介绍下。（7）人体热释电红外传感器介绍和应用在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。333热释电红外传感器简介热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为21MM的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出1020米范围内车的行动。菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，汽车发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。334检测车流量的方法从上面的介绍可知，我们利用热释电红外传感器总流量。当车辆进入菲涅尔透镜的一个现场，在热释电红外传感器上产生一个交变红外辐射信号，使传感器产生一个微弱的电压信号，对采集的信号进行信号分析处理。当有车辆通过时，传感器输出微弱信号送到检测放大电路，经放大整形后输出脉冲信号，送入单片机由单片机进行计数。当有车辆通过时，热释电红外传感器输出的信号非常微弱。因此需要设计滤波整形、两级放大、电压比较等部分组成电压检测放大电路，由于检测放大电路中需要用到两级放大及一组电压比较器，因此选择LM324运算放大器。当传感器探头检测到下方有车辆通过时，热释电红外传感器输出微弱电压信号直接送到第一级放大器同相输入端，信号经过一级放大后输出，经电容C5耦合到第二级放大器进一步放大，检测电路如图34所示U1C和U1B构成电压比较器，当U1C输出电压幅度在VT1和VT2之间时，VT3和VT4输出低电平。当U1C输出电压大于VT1时，U1B的V4T输出高电平。当U1C输出电压小于UT2时，U1A的VT3输出高电平，经D1、D2二个二极管逻辑或后从VT5输出脉冲信号。此脉冲信号接到单片机T0脚，同时也接到单片机外部中断引脚INT0。电压比较器前的2个电阻R8和R10的阻值都是47K，起到了等分压的作用。在设计检查放大电路时，在一级放大电路之前使用了1个50K电阻加1个100K的滑动变阻器RW组合方式，方便调节放大器放大倍数。R150KR250KR410KR1410KR710KC110FC210FC410F112341U1CVT2C310FRW100KC510FR510K423111U1D112341U1AVT3112341U1BVT4R1047KR910KR847KVCCD1D2VT1R1110KR1310KVT5VCCINT0T0VINR1210KR610KC610F图34红外传感器检测电路图34紧急按键K1电路当有紧急车辆通过时，操作员可以按下紧急按键K1，K1接在单片机的P31端口上，这样就产生了一个高电平。而单片机通过软件程序检测到P31口为高电平后，再通过软件调用一段子程序，使东西和南北方向都为红灯，并接通蜂鸣器警告普通车辆禁止通行，先让紧急车辆通过。待紧急车辆通过后，交通控制系统会恢复中断前的现场。其电路原理图如图35所示图35紧急按键K1电路原理图35红绿灯显示电路交通灯最基本的功能是颜色灯的显示,每个路口均需红、黄、绿灯各一盏,东、西道上的两组同色灯蝉联在一起，南、北道的两组同色也彼此互联。这6盏灯分别接在单片机的P00P05口,如图36所示。D1、D2、D3分别代表的是东西方向的绿、黄、红灯；N1、N2、N3分别代表的是南北方向的绿、黄、红灯。当东西方向为绿灯时，P00口输出低电平，绿灯D1点亮；对应地，P06口也输出低电平，南北方向的红灯N3点亮。当东西方向为红灯时，P02口输出低电平，红灯D3点亮；对应地，P03口也输出低电平，南北方向的绿灯N1点亮。而当东西方向和南北方向均为黄灯时，黄灯会以2HZ的频率闪烁（通过软件来实现的），提醒车辆的驾驶员注意红绿灯的转换。具体的指示灯的燃亮时间表见表21,下面是红绿灯与单片机的接线图D1D2D3N1N2N3P00P05P04P03P02P01图36东西、南北方向红绿灯与单片机接线示意图36倒计时显示电路这里首先简单介绍一下7段LED数码管。LED数码管由七段发光线段组成，每条线段可以是一个（或几个）发光二极管。其结构如图37所示。在图37中，只要使不同段的发光二极管发光，即可改变所显示的数字和字母。例如，在图37中，A、B、G、E、D各段的二极管发光，即可显示“2”；而A、F、G、E、D共5个发光二极管亮则可显示英文大写字母E。LED七段数码管根据其内部LED的连接方法不同，有共阴极和共阳极两种接法，如图38所示。19876543210EDCBADPGFABCDEFGDPABCDEFGDPABCDEFGDP共阴极共阳极图37七段数码管结构图图38LED数码管的两种接法各种数字与七段代码的关系如表37所示。表31段码表代码（十六进制）数字共阴极共阳极03FC0106F925BA434FB04669956D9267D82707F887F8096F90上面简单介绍了七段数码管的显示原理。倒计时显示系统的主要功能是对红、黄、绿灯的延时时间进行倒计时，给车辆驾驶员以提示。这里使用共阴极的7段数码管作为显示设备，各个路口上两个数码管，一个显示十位，一个显示个位。本文中时间的倒计时是通过软件来实行的，将在软件部分进行具体的说明。下面是7段数码管与单片机的接线图P10P16P15P14P13P12P11P17P21P20P27P26P25P24P23P22P10P12P11P13P14P15P16P20P21P22P23P24P25P26P10P12P11P13P14P15P16P20P21P22P23P24P25P26AT89C51东西方向十位南北方向十位南北方向个位东西方向个位图397段数码管与单片机接线示意图37振荡电路AT89C51的XTAL1和XTAL2引脚分别为单极片内反相放大器的输入/输出端，其频率范围为1212MHZ。XTAL2又是内部时钟发生器的输入端，这个内部反相器可与外部元件组成如图310所示的皮尔斯（PIERCE）振荡器9。当采用石英晶体振荡器时，C（3010）PF；当采用陶瓷谐振振荡器时，C（4010）PF。在任何情况下，振荡器始终驱动内部时钟发生器向主机提供时钟信号。因为时钟发生器的输入是个二分频触发器，所以对外部振荡信号的脉宽无特殊要求，但必须保证高低电平的最小宽度。图310单片机振荡电路38复位电路本文中的单片机采用了外接的复位电路，并且采用了一种上电复位和手动复位的组合9，复位电路图如图311所示。单独上电复位的电路时，并没有图311中与电容并联的开关，当VCC上升时间不超过1MS，振荡器启动时间不超过10MS，则在VCC接通电源时，这个自动上电复位电路保证在上电开机时对8951单片机进行正确的复位。当电源接通时，电源VCC向电容充电，电流流入RST引脚。开始时，由于电容器上的电压不能突变，所以RST引脚上的电压升至等于VCC电源电压，因为RST上的电压是VCC和电容器上电压之差，所以随着充电过程，电容器上电压不断上升，RST引脚上的电压就不断下降。电容器容量越大，充电时间常数越大，即电容器上电压上升越慢，则RST引脚上的电压就下降越慢，必须使RST引脚上的电压保持在斯密特触发器的触发门槛电压以上足够长的时间，以满足复位操作的要求。所需的这个时间应为振荡器的起振时间再加上两个机器周期以上，因而所选的电容应足够大。如果VCC上升时间不超过1MS，振荡器的起振时间不超过10MS，则选取10UF的电容就可提供可靠的复位。手动复位可在上电复位基础上并接一个复位开关（如图311），这样既保证上电复位，又可手动复位。单片机复位后，内部特殊功能寄存器复位后的状态为确定值。复位后，PC00H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。PSW00H，表明选寄存器0组为工作寄存器组。P0至P3FFH，表明已向各端口写入1。此时，各端口既可用于输入又可用于输出。IE000000B，表明各个中断均被关断。编程时如果记住一些特殊功能寄存器复位后的状态，对于减少应用程序中的初始化是十分必要的。图311单片机复位电路第4章系统软件设计上面主要讲述了系统的硬件设计部分，但一个系统必须有软件（即程序）来控制计算机运行。目前，对大多数MCS51单片机的应用系统的编程语言主要有PLM8、汇编和C语言。其中汇编和C语言比较常用。汇编语言的机器代码生成效率很高但可读性并不强，复杂一点的程序就更难读懂，而C语言在大多数情况下，其机器代码生成效率和汇编语言相当，但可读性和可移植性却远远超过汇编语言，而且C语言还可以嵌入汇编语言来解决高时效性的代码编写问题。目前，C语言已经成为在单片机基础上应用最为广泛的计算机语言之一。将C语言向单片机移植始于20世纪80年代的中后期。这些年，经过各公司（KEIL/FRANKLIN、ARCHMEADES、IAR等公司）坚持不懈的努力，终于在20世纪90年代，单片机C语言编程开始日趋成熟。现在C语言已经成为专业化的单片机编程高级语言。过去长期困扰人们的所谓“高级语言产生代码太长，运行速度太慢，因此不适合单片机使用”的缺点已被克服。现在MCS51单片机上C语言的代码长度，已经做到了只有汇编语言的1215倍。4K字节以上的程序，C语言的优势更能得到发挥。从开发速度、软件质量、结构严谨、程序坚固等方面比较，C语言的优势更多。C语言有很多鲜明的特点，比较适于编写系统软件和大型的应用软件。下面结合MCS51介绍单片机C语言的优越性。1不懂得单片机的指令集6，也能够编写完美的单片机程序。2直接访问物理地址，可以进行位操作。3同函数的数据实行覆盖，有效利用片上有限的RAM空间。4语言提供复杂的数据类型（数组、结构、联合、枚举、指针等），极大地增强了程序处理能力和灵活性。5提供专门针对MCS51单片机的DATA、IDATA、PDATA、XDATA、CODE等存储类型，自动为变量合理地分配地址。6提供SMALL、COMPACT、LARGE等编译模式，以适应片上存储器的大小。7提供常用的标准函数库9，以供用户直接使用。8C语言作为高级语言对机器没有依赖性，可以在各种不同的机器和操作系统上应用，而不必改写源代码（所谓的移植性好），生成目标代码的效率高。41主程序设计本系统的程序就是用的C语言来编译的，下面是系统的主程序流程图开始单片机初始化赋值东西方向绿灯的初始时间初始化计数器T0/T1启动计数器T0/T1东西方向绿灯亮南北方向红灯亮倒计时减一操作有紧急车辆通过停止计数器并计算出南北方向绿灯时间启动计数器T0/T1南北方向绿灯亮方向红灯亮倒计时结束黄灯闪烁3秒钟停止计数器并计算出东西方向绿灯时间黄灯闪烁3秒钟执行紧急车辆通过程序是否是否倒计时减一操作有紧急车辆通过倒计时结束执行紧急车辆通过程序是是否否图41主程序流程图主程序VOIDMAINP30X00/P3口清0DX_CLL60/给东西方向绿灯时间赋初值60STMOD0X55/初始化定时器/计数器T0、T1为计数模式，工作于方式1，二进制计数WHILE1JISHUQI/计数器启动计数FORDX_CLL3DX_CLL/东西方向绿灯倒计时，直至4SP00XDE/东西方向绿灯和南北方向红灯亮TIMERDX_CLL,100/延时05SWHILEJINJI1INT0/检测P31口是否为高电平FORI3I0I/黄灯倒计时3SWHILEJINJI1INT0/检测P31口是否为高电平P00XEDTIMERI,50P00XFFTIMERI,50/黄灯闪烁点亮TR00TR10/计数器停止计数I1NB_CLLSUANFAI/算出南北方向绿灯的时间JISHUQI/计数器启动计数FORNB_CLL3NB_CLL/南北方向绿灯倒计时，直至4SP00XF3/南北方向绿灯和南北方向红灯亮TIMERNB_CLL,100/延时05SWHILEJINJI1INT0/检测P31口是否为高电平FORI3I0I/黄灯倒计时3SWHILEJINJI1INT0/检测P31口是否为高电平P00XEDTIMERI,50P00XFFTIMERI,50/黄灯闪烁点亮TR00TR10/计数器停止计数I0DX_CLLSUANFAI/算出东西方向绿灯的时间42延时子程序单片机的1秒钟延时可以有两种方法，一种是利用AT89C51单片机内部定时器溢出中断来确定1秒的时间；另一种是采用软件延时来确定1秒的时间。421计数器硬件延时1计数器初值计算定时器工作时必须给计数器送计数器初值，这个值是送到TH和TL中的。他是以加法记数的，并能从全1到全0时自动产生溢出中断请求。因此，我们可以把计数器记满为零所需的计数值设定为C和计数初值设定为TC可得到如下计算通式TM式中，M为计数器摸值，该值和计数器工作方式有关。在方式0时M为13；在方式1时M的值为16；在方式2和3时M的值为8。2计算公式TC计数或/计数T计数是单片机时钟周期TCLK的12倍；TC为定时初值如单片机的主脉冲频率为TCLK12MHZ，经过12分频方式013MAX2US89M方式165S显然1秒钟已经超过了计数器的最大定时间，所以我们只有采用定时器和软件相结合的办法才能解决这个问题3秒的方法我们采用在主程序中设定一个初值为20的软件计数器和使T0定时50毫秒这样每当T0到50毫秒时CPU就响应它的溢出中断请求，进入他的中断服务子程序。在中断服务子程序中，CPU先使软件计数器减1，然后判断它是否为零。为零表示1秒已到可以返回到输出时间显示程序。4相应程序代码主程序定时器需定时50毫秒，故T0工作于方式1。初值16TCM/250MS/U536CB0H计数VOIDMAINUINTATMOD0X01令T0为定时器方式TH00X3C装入定时器初值TL00XB0IE0X82开T0中断TR01启动T0计数器A0X14赋初值_NOP_等待中断中断服务子程序VOIDBRT0VOIDINTERRUPT3FORA0A/循环20次NEXT重新定时50MSVOIDNEXTA0X14恢复A值TH00X3C重装装入定时器初值TL00XB0IE0X82422软件延时MCS51系列的单片机的工作频率为212MHZ，我们选用的8951单片机的工作频率为12MHZ。机器周期与主频有关，机器周期是主频的12倍，所以一个机器周期的时间为12（1/12M）1US。我们可以知道具体每条指令的周期数，这样我们就可以通过指令的执行条数来确定1秒的时间。下面给出是4MS的延时子程序VOIDDELAYUINTZ/延时子程序4MSUINTX,YFORX500X0X/循环500次FORYZY0Y一个FOR循环结构“FOR（Y1Y0Y）”的执行时间为8US，则上面的子程序执行周期为8US5004000US4MS。主程序中用到了1S延时和05S延时，可以通过程序嵌套赋值Z来达到1S和05S的延时时间。另外，需要注意的是，算嵌套时间时要算上一个LCALL指令（2US）执行时间，还有返回指令RET（2US）执行时间。43计数器计数由硬件部分单片机的简介，我们知道了8951包含两个计数/定时器12。T0是由TH0和TL0组合而成，T1的结构也是一样。当T0或T1用作计数器时，计数器的计数脉冲是从外部引脚引入的，这两个引脚分别是P35和P34，当这两个管脚出现下降沿时引发一个计数脉冲。计数脉冲引起T0和T1的当前值发生变化将不占用CPU时间。下面是计数器初始化的程序VOIDJISHUQITMOD0X55/初始化定时器/计数器T0、T1为计数模式，工作于方式1，二进制计数TH00X00TL00X00/TH,TL0清0TH10X00TL10X00/TH1,TL1清0TR01/启动T0计数TR11/启动T1计数EA1/允许中断在算法的子程序中，我们使用到了“XTL0|TH00IP00XEDTIMERI,50/延时05SP00XFFTIMERI,50/延时05S程序中，先执行“P00XED”语句，即让两个方向路口的黄灯点亮，然后延时05S；而后执行“P00XFF”语句，即让两个方向路口的黄灯熄灭，然后延时05S，如此循环下去。这样就产生了黄灯闪烁的效果，来警告人们红绿灯即将转换。46车流量算法子程序主程序中最重要的子程序即为车流量的算法子程序，它是交通灯系统实现智能化的重要手段。该子程序通过两方向实际车流量的大小与事先预定的车流量的大小进行一个简单的算法得出一个合理的绿灯通行时间，使得两方向上的车流能够及时畅通地通过十字路口。我们在这里设定东西方向的预定车流量为60，南北方向的预定车流量为45。通过主程序中的算法子程序“UINTSUANFA（M）”我们可以发现，局部变量X和Y分别被赋值等于单片机计数器T0和T1的值，然后再进行一个简单的代数算法。这里对两方向的车流量的大