毕业设计论文-公路收费站车流量统计系统的研制2.docx

编号：_ 毕业设计说明书题 目：_公路收费站车流量_ _统计系统的研制_ 学 院： 机电工程学院_专 业： 电气工程及其自动化_学生姓名： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2016 年 5 月 23 日桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第II页摘 要随着现代经济与现代社会的飞速发展，交通还有运输行业的安全保障问题慢慢的开始成为现代技术的关注热点以及突破口的同时，随着人们对交通管理的需求慢慢变高，如何将计算机学科还有通信、微电子等高新现代技术运用在车辆交通的监控、管理以及交通车辆的控制上，以保障交通的安全及行车的顺畅，进而改善交通环境的质量。随着生活水平的提高，车辆不断增多，城市道路也越来越多，这些变化给城市交通的管理带来了巨大的压力。因此，车流量的统计系统对于管理监测城市交通有着重要的作用。公路收费站车流量统计系统的研制是一个很有实际意义的研究课题。本研究课题主要研制公路收费站的车流量统计系统，基于52单片机的最小控制系统，采用两个红外传感器对车流量进行检测并且返回相应的电平信号，再由系统中的编程对电平信号进行判断、处理，最终实现对车辆的计数和显示数量。本系统结构简单，并且程序比较优化，成本低，系统可以自动统计通过某通道的车辆数目，并且将其显示，并且不会将行人误认为是车辆。本系统对城市交通的管理以及规划有一定的帮助，同时对收费站高峰路段的交通管理有很大意义。关键词：车流量统计；红外传感器；单片机；C语言；编程AbstractWith the rapid development of modern economy and modern society, the security guarantee issues of traffic and transport industry are more and more important, also become an important concern and breakthrough of modern technology at the same time, the demand for traffic management is getting higher and higher. How to use the computer science, communication, microelectronics and other high-tech in the traffic monitoring, management and control of vehicle to the traffic safety and smooth traffic, and improve the quality of the traffic environment.With the improvement of living standards, there are too much vehicles increasing and more and more urban roads arising, these changes to the urban traffic management brought great pressure. Therefore, traffic statistics system for monitoring and management of urban traffic is an important role. Development of highway toll station vehicle traffic statistics system is a very practical significance of the research topic.This research mainly developed highway toll station traffic statistics system, minimal control system based on the microcontroller 52, using two infrared sensors of vehicle flow detection and returns the corresponding level signals, then by program in the system to the signal level to judge and process, and ultimately on vehicle counting and number display.The systems structure is simple, and the program optimization, low cost. the system can automatic statistics through a single channel of a number of vehicles, and its display, and pedestrians will not be mistaken for the vehicle. The system of urban traffic management and planning has some helps, at the same time, the toll station peak road traffic management has great significance.Keyword：statistics of vehicle flow；infrared sensor；SCM；C language；programming桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目录目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 研究的背景、目的11.2 发展现状21.3 发展方向21.4本章小结32 方案设计42.1 传统车流量统计系统42.1.1以超声波为基础的车流量统计系统42.1.2通过视频图像来实现的车流量统计系统42.1.3利用声学实现车流量检测52.1.4基于磁力计的车流量检测52.1.5基于激光雷达的检测系统52.2 红外线传感器测量技术62.2.1红外线传感器原理62.2.2红外线矩阵法检测车流量62.3 总体方案设计72.4 系统方案设计92.5 本章小结103 硬件设计113.1 硬件系统设计113.2 单片机系统113.2.1单片机系统概述113.2.2嵌入式系统概述123.2.3 STC89C52单片机133.2.4 STC89C52最小系统电路143.2.5红外传感器探测模块173.2.6液晶显示模块183.2.7掉电保护存储模块193.2.8电源及电源指示模块203.2.9按键部分213.3 本章小结214 系统的软件设计与开发224.1 系统软件设计224.2 系统主程序设计234.3 模块子程序设计254.4 本章小结265 结论总结27谢 辞28附录一 基于STC89C52单片机车流量统计系统电原理图30附录二 基于STC89C52单片机车流量统计系统PCB图31附录三 基于STC89C52单片机车流量统计系统C语言源程序32桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 41 页 共 43 页1 绪论智能交通系统(ITS)是一种将高端的通信、数据信息传输、电子领域传感技术、微电子控制技术以及计算机技术等等有效地集合运用在整个交通管理的一种作用大范围、全方位作用、实时作用、精准然后又非常高效的交通运输的管理系统。交通的检测系统在智能交通系统中占有重要地位，主要负责搜集道路交通流量的相关参数。1.1 研究的背景、目的车辆监测的技术研究从时间来说，其实可以从20世纪70年代那个时候开始说起，因为早在1978年，就出现了通过机器视觉来检测车辆的方法，并且已经被指出，这个方法虽然是传统的，但是，这的确是一种可以操作的方法。然后到了1991年，美国某大学对基于视频的车流量统计技术进行了评测与估算，评估之后，对各种不一样的视频检测技术进行了分类。1994年明尼苏达运输部为 美国联邦公路局进行了更严格的系统测评，结果显示视频检测器的准确性和可靠度达到了一定程度。与此同时，车辆检测技术飞速发展，人们已经不满足仅仅通过视频来检测车流量的方法，尽管 FHWA已利用此技术来获取相关的交通参数，如交通车辆数量、路口车辆的转向信息等。我国在交通视频检测领域的研究落后于国外，技术的基础比较薄弱，可是还是有不少出色的国内公司做出了相关产品，不可否认，由于我国科技的发展水平与外国相比的确还存在着差距，然而从另一方面来说，外国的科技领域已经涉及到了车流量的检测技术，虽然我们生产出来的产品无论从功能还是用途来说都比较显得单一化。车流量检测的目标是判断是否有车辆经过检测区域，与此同时，通过技术手段建立一个相对应的跟踪目标，而这一步骤与思路的目的，主要是提供一些车流量的相关参数与信息。降低车辆检测算法程序的计算量、提高系统的实时性是一对比较矛盾的问题，解决这两个矛盾问题是提高系统检测的准确性和稳定性的关键，但是在实际的技术应用中，由于光照、背景，影子等等干扰因素的存在，会使车辆检测的分析精度会和获取信息参数等等功能受到影响，因此必须在程序处理过程中考虑这些干扰因素及其去除干扰的方法。随着世界人口的数量的增长，以及城市化的发展和人们生活水平的提高，交通工具的数量疯狂地增长，由此给城市交通带来的压力不言而喻，在交通压力骤增的同时，现代科学技术也随着经济和社会的发展而不断发展，不断成熟。由此带来的是，高级智能交通监测控制系统的一次又一次变革，而科学家们也把这些研究课题作为技术研究的热点和重点。车流量的智能数量检测作为智能交通控制的基础之一，在现代社会的智能化与高端交通系统中占据着很重要的地位。1.2 发展现状随着科学技术的快速发展，就现在的科技水平来说，有很多种方法来检测车流数量，并且慢慢发展起来了由磁感应检测、空气管道检测、视频检测和波频检测等为经典代表的多样化的交通检测方式 。车流量的检测大多数是通过传感设备等对路面正在驶过的车辆进行感应检测，然后采集获取车辆的相关参数，从而达到对公路上的各路段的交通状况和突发异常事件的自动判断处理、监控、甚至报警等目标。相比其它方法，建立于视频图像的检测方法相关于信息传输、成像处理、视频获取、人工智能等等多个科学技术领域，这些检测方法通常来说，设备的安装与维护维修过程都比较简便，同时护理成本也不高，最主要的是这种检测技术的应用领域非常广范，它们的拓展性也很强，另外，可以比较全面及时地对交通信息进行搜集与获取 ，而且现在已经在国内外各种高速公路以及公路交通监测系统中得到广泛应用。比较常用的建立于视频图像的车辆检测算法包括：相邻帧差法、背景差法、灰度法、边缘检测法等等。同时随着图像处理技术和计算机视觉以及人工智能的飞速发展和硬件处理速度的巨大提高，视频图像车流量检测技术已经得到了非常广泛的应用。它们都具有高性能、高精度、小体积、方便操作等等特点。而实际生产应用中，前进中的车辆有许多不确定的因素，如车速、形状等，所以许多监测手段普遍存在反射信号可能不稳定，测量误差普遍较大的缺陷。1.3 发展方向事实上，如果真的要跟其他高科技的主流车辆检测办法相比，通过红外检测的这种方案还是很有优势与可操作性的，因为这种红外检测的技术通常具有比较直观、监视范围较广、精度较高、成本比较低以及可采集更多种类的交通参数等等优点，因而基于红外检测的车流量检测系统可已广泛应用在十字路口与公路干线的交通监测系统里。 车辆数量检测和程序处理是基于红外线检测的系统的主要组成部分，因为交通参数的获取采集是通过对车辆的检测以及跟踪来实现的，故而车辆检测与处理的程序处理对红外线检测系统来说非常重要。与传统车流量检测方法相比，建立于STC89C52单片机的车流量检测方法具有许多优点：体积很小、精度比较高、系统比较稳定等等特点。另外由于红外线来自自然光中的红外，所以该系统还有一个很显著的特点就是成本很低，这可以说是每一个产品设计都必须要考虑的问题，系统的稳定性，是产品推向市场推广和广泛应用的前提，稳定性低的产品必将被市场淘汰。随着人们生活水平的提高和车辆的普及，城镇道路交通压力越发增大，准确掌握和检测道路交通的情况对于城市道路的建设和交通管理以及城市交通的发展都显得十分重要。本系统采用了一种较简易的、较经济的、较准确的车辆监测方法。本系统可实现某通道（单向）内行驶过的的车流量测量，为统计和掌控道路车流量的数据提供了一定的技术支持，这也为了以后城市的交通管理以及城市发展提供了一些可参考的案例。1.4本章小结本章是全篇论文的概述，主要是简要介绍了一些车流量统计系统的发展状况以及当今技术的先有水平，还展望了未来车流量统计系统的方向，最后引出本系统的一些特点，为下文的深入论述和展示作出铺垫和引导。2 方案设计关于车流量的检测系统随着科技的不断进步与发展，目前已经发展建立起来种类繁多的设计方案，本章将针对不同的设计方案进行介绍，并且通过对比最终确定本次设计的最终方案的总体设计框架。2.1 传统车流量统计系统就像绪论所说，车流量的检测系统已然成为近几年来科学家们研究的重点和热点，因此，经过科学家们的各种研究和试验，现如今已发现了许多方法来检测车流量的相关参数，例如，通过超声波来实现的检测、建立在视频图像上的检测、利用声学来进行的检测、使用磁力计来达到目的的检测以及通过激光雷达来实现的检测法等多种车流量统计系统。2.1.1以超声波为基础的车流量统计系统基于超声波的车辆检测系统的主要工作原理为通过超声波的传播和反射原理来实现对道路各个交通的重要节点流量的实时监测，并且同时引入单片机的以太网系统来实现数据的传输，这样就可以用一个比较低的成本把采集检测得到的各种交通信息参数更加方便、更加快捷地连入到广域网络中，从而使相关的交通信息的远程采集监测以及控制远程设备成为一件可能的事情。综上所述，以超声波为基础的车流量统计系统具有系统集成度比较高、性能稳定性、信息获取的有效性等优点。 2.1.2通过视频图像来实现的车流量统计系统车流量的检测系统主要由以下几部分构成：视频获取、车流量的数字信号判断处理、不同的环境里的检测程序算法还有检测结果的输出等等。其中数字图像的采集部分模块的最重要的芯片为TVP5150，TVP5150这种芯片有很大的优势，因为，它可以把视频的模拟信号经过芯片的内部结构与电路设计转换输出变成数字视频信号；另外，DM642运行的图像算法对监测获取到的图像进行数字判断处理。这种基于数字视频的检测算法在白天主要使用经过改进的帧差法来实现对目标的运动检测，然而在夜间使用时，就会采用基于车灯的检测法。基于视频图像的统计系统根据车道将监测采集到的交通图像细分成四个部分，每一部分对应于一条车道，并且在每条车道里设计一个虚拟的矩形检测区域（称为虚拟线圈），如果有车行驶经过过该矩形区域，就会导致虚拟矩形区域里面的图像像素值出现改变，然后系统根据这些产生的变化控制通过I/O口产生的与每条车道对应的脉冲，经过处理之后，又发出脉冲传输到公路的交通信号机里，进而控制交通灯的闪灭频率和时间等功能，从而实现当今社会的智慧交通的目标。与此同时，基于视频图像的车流量统计系统还可以使用网络的连接把车流量的相关参数信息传输到总控制中心。2.1.3利用声学实现车流量检测利用声学来检测车流量的方法的主要工作原理是利用声控传感器和光控传感器来达到检测车流量的目的的。在不一样的坏境下，车辆行驶经过产生的声音是不一样的，声学检测法就是通过这些不同环境下产生的声音来判断是否有车辆驶过，这种方法原理比较简单，但是由于声音的干扰很多，并且在不同的环境下干扰程度差别很大，因此这种方法常常会导致很大的误差，所以在当今主流的检测方法中，很少会采用这种利用声学来实现车流量检测的统计系统。2.1.4基于磁力计的车流量检测利用空间磁力计来实现车流量检测的目的，这种检测系统的工作原理是通过空间磁通门的磁力计与地面磁感之间的磁感应系统来实现对车流量的检测的。这类检测系统的检测精度很高，可以达到1n1T以下的低频交变或者稳定的磁场，磁力计检测系统应用范围非常广泛，主要包括深空的物质探测还有地球地理、物理学等多种领域的检测。磁力计检测系统的信号处理系统利用与之相关的检测理论。在多位科学家和实验者经过不懈努力的研究下，最终的试验表明，这种系统表现出来的灵敏度还有线性度等参数都能达到一种比较精细准确的程度。另外，在分辨率和噪声的试验测试中，结果同样也达到了人们较为满意的效果。但事实上，相较于红外线检测系统比，这类检测系统的精度还是会显得差一点，另一方面，由于磁力计还有地磁感应等感应元件和感应系统的成本比较高，因此较于红外线检测系统来说，磁力计检测系统造价比较高，并且实现起来也有一定难度。2.1.5基于激光雷达的检测系统激光雷达测法使用的传感器种类很多，主要包括：激光位移传感器、激光测距位移传感器、激光位移传感器、激光距仪等等。这些主要传感器元件，被作为探测器以实现检测车流量。激光雷达测法同样也有精度很高、抗干扰能力很强强等等有点，但是由于它使用了很多类型的传感器，因而它的造价特别高，一般在实际生产应用中不会轻易采用。相较于以上比较主流、传统的车流量检测方法，本人从实际出发，经过老师的指导和查阅多方资料，并且考虑到本人专业知识水平以及硬件水平等实际问题，本人最终确定了一个基于STC89C52单片机的车流量统计系统的设计方案，该系统通过简化实际问题，并在可以达到硬件功能的前提下，以红外传感器为主要检测元件，通过输出检测信号到单片机中，最终实现对车流量的数量显示等一些基本功能。2.2 红外线传感器测量技术红外线传感器的工作原理是一种利用红外线的反射、折射、散射、干涉、吸收等物理性质来进行感应采集的传感器。宇宙中的所有物质，只要其本身具有温度（比绝对零度高），那么它们都可以向外辐射红外线（又称红外光）红外线传感器的组成包含有检测元件、光学系统、还有转换电路。2.2.1红外线传感器原理检测元件根据工作原理的不同可以分成光电检测元件以及光电热敏检测元件。光学系统根据结构的不一样可以分成反射式系统和投射式系统两类。红外线传感器在实际的生产应用中，相比其他的元器件还是有很大的优势的。比方说，红外传感器测量时很少会与要对其测量的对象产生直接接触，摩擦现象是几乎不可能会发生的，与此同时还有高灵敏度、响应速度快等等优点。2.2.2红外线矩阵法检测车流量红外线矩阵法的主要工作原理即是通过在测量区域的红外线矩阵来检测目标，即检测在指定通道内行驶过的车辆流量。红外线矩阵法最突出的特色是红外线具备发射还有接收方向比较强的特性，当车辆行驶经过设置好的矩形区域时，在区域两侧安装的密度具有一定密度的若干排红外发射电路与接收电路，形成所谓的红外矩阵。其中，红外线的检测矩阵的组成成分包含嵌入道路两侧的接收器以及设置在它们上方几米处的发射器等主要部件。设置于道路两侧的接收器与接收器之间的距离最多2米，最少0.5，道路两侧的接收器每一排均由几组间隔距离最少0.2米、最多0.9米的接收管还有功能为接收红外信号的接收电路组成。红外线矩阵法中，如果接收管没有被障碍物遮挡的话，接收管就可以接收红外线信号收发器传输出来的信号。接收器收到红外线信号之后，在接收电路中就会产生相对于高电平的低电平，如果有车辆行驶过红外矩形检测区域，接收管被车辆遮挡，从无法接收到道路两侧的红外收发器发出的信号，此时，在接收管的接收电路中会产生相对于低电平的高电平。正是因为这样高电平与低电平的不同的返回信号，红外矩阵法就可以比较准确地统计行驶过通道内的车辆数量。这也是本次毕业设计的一个核心思路。考虑到对实际生产应用的简化和指导老师的课题要求，本人以红外线矩阵法为基本参考思路，通过简化和一些优化，最终确定了毕业设计的最终方案。2.3 总体方案设计在本系统中，在通道某侧设置两个红外线光电传感器A,B。AB距离大约2米到3米（此距离小于普通车辆的长度，并且大于正常人的身体宽度）。当有障碍物遮挡住红外线传感器时，传感器返回低电平“0”；如果没有障碍物遮挡红外线传感器发射出的红外线，则返回高电平“1”。其基本工作原理如图2.1所示。图2.1 红外线传感器基本工作示意图情况1：当有一辆车驶入通道时，首先遮挡住A，A返回低电平“0”，车辆继续行驶，直至B信号被遮挡，此时B返回低电平“0”，同时A的返回信号依然是低电平“0”（因为AB距离小于车辆长度）。车辆继续向前行驶，A先没有车辆遮挡，返回“1”，接着B也没有车辆遮挡，返回“1”，此时车辆驶离通道，LED屏幕显示通过1辆车。上述过程产生的信号变化传输到STC89C52单片机经过运算处理判断后，经过LED屏幕输出显示“1”，表示通过一辆车。如图2.2所示。图2.2 情况1情况2：当两辆车CD一前一后（中间有间隔，且处于同一单向通道）驶入检测通道。首先C遮挡住A，A返回低电平“0”，C继续行驶，直至C遮挡住B，此时A和B均返回低电平“0”（此时D车还未进入红外检测区域）；CD继续行驶，直至A没有被C遮挡，B依然被遮挡，A返回高电平“1”，B返回低电平“0”。接着，D车开始驶入检测区域，A被D车遮挡，B被C车遮挡，A与B此时均返回低电平“0”，此过程持续到C车完全驶离，B没有被C车遮挡，该过程的电平信号变化传输到单片机中经过程序处理然后输出，显示通过车辆1。此时D车正常通过AB光电传感器，与情况1过程一样。如图2.3所示。图2.3 情况2情况3：当一辆车驶入检测通道，A信号被遮挡后车辆不再前进并且后退离开检测通道。该过程中，A信号初始值为高电平“1”，车辆驶入时，A信号被遮挡，返回低电平“0”，然后车辆后退直至离开检测区域，A信号返回高电平“1”。以上信号变化经过单片机控制系统程序处理输出至LED显示增加车辆0。如图2.4所示。图2.4 情况3情况4:一辆车驶入检测通道，依次经过AB红外光电传感器，且在A一直被遮挡的情况下返回退出检测通道。该过程中，AB初始值均为高电平“1”，当车辆驶入后，A信号先被遮挡，返回低电平“0”，车辆继续行驶，直至B信号被遮挡，B返回低电平“0”；然后车辆返回退出，B信号无遮挡，返回高电平“1”，车辆继续退出，至A信号无遮挡，返回高电平“1”，车辆退出检测区域。此过程的电平信号变化由单片机经过程序处理后输出显示经过车辆0。如下图2.5所示。图2.5 情况4情况5：关于行人的误报情况。当行人经过检测区域时，AB红外光电传感器发出的信号不会同时被遮挡，只能A或者B信号返回低电平“0”，此时经过单片机系统程序处理之后输出显示经过车辆0。如下图2.7所示。图2.6情况52.4 系统方案设计按照系统设计的功能要求，初步确定车流量统计系统由STC89C52单片机主控系统、红外光电传感器单元、按键电路、LCD显示单元、掉电保护单元、LED指示电路等模块组成。STC89C52单片机工作性能出众，稳定性比较高。本车流量统计系统通过两个红外光电传感器检测车辆是否通过，通过电平信号的变化将检测获取的信息传输到单片机主控系统中，通过单片机里的程序处理之后，将数据变化传输至LED指示模块、LCD液晶显示模块输出显示，并且把车辆的数量信息存储到掉电保护存储器中，另外，本系统设计了按键清空数据的功能，加强了本系统的实用性。系统设计框图如下图2.7所示。图2.7 系统设计框图2.5 本章小结本章就几种车流量统计系统的介绍以及各种车流量统计系统原理的描述，通过对各种方案的优劣性、实用性、可操作性、成本等方面的比较，最后得出比较简化和优化的车流量统计系统的工作原理，并最终确定了本次毕业设计的总方案设计。3 硬件设计硬件电路是一个完整的设计系统的基础，我们在理论上比较各种方案的优劣好坏，最终确定了一个可行的最终方案，但是，那样并不是一次设计的结束，而是一次完整设计的开始。在上一章，本人着重比较几种方案的可操作性和可行性等问题，最终确定了本次设计的各个模块。3.1 硬件系统设计本章将对各个模块的设计电路进行具体阐述，并通过各种设计电路的比较论证，最终选出最优的硬件电路。硬件电路设计是不是最合理的，性能是不是最优秀的，稳定性是不是最高的，资源是不是最优化的，等等这些问题，都会直接影响整个系统是不是能正常工作并且能不能很好地实现各个指定的功能；换一句话说，如果在硬件电路的设计这一块没有办法做好、设计好，那么，就算软件程序等方面写得再好再完美，对一个完整的系统来说，都是毫无意义的，因此，硬件系统的重要性和在设计系统中的地位，都是不言而喻的。本章中，就组成系统的各个核心模块进行详尽的阐述和分析，包括对硬件电路的比较选择，对元件的对比优化，以及各个核心元件的性能、参数介绍等内容。本车流量统计系统主要包括STC89C52单片机主控模块、红外光电传感器模块、LED显示模块、按键控制模块、电源和电源指示模块以及掉电保护模块等一些核心部分。3.2 单片机系统单片机（又称单片微型计算机）是一种特别适合控制领域的集成电路组成的芯片。单片机利用很多的超大规模的现代科学技术把拥有处理数据的能力的微型处理器(又称CPU)和输出与输入接口的电路(常称为I/O接口)以及存储器（就是含程序存储器ROM以及数据存储器RAM）这些核心模块全部集成于同一块小型的芯片上，由此组成一个非常小巧并且又很完整、很出色的微型的计算机硬件处理系统。3.2.1单片机系统概述单片机作为一种小巧的处理芯片，需要在与一些软件相配合或者与外部设备连接相结合，便可以成为一个单片机控制系统。在输入单片机程序之后，在单片机控制系统的控制下可以准确地、迅速地、高效地完成程序设计者在制定方案时规定的任务目标。因此可以说，一块单片机芯片已经具有了组成计算机的全部功能。从这个方面看，单片机已经具备了一般的微型处理器（即CPU）芯片可能并不具备的功能和特点，因此单片机可以独立地完成现代的工业控制相关所需要的比较智能化的控制和处理功能，这也是单片机的最大特征与优势。单片机控制系统功能强大，外形小巧，它可以代替以前那些通过复杂的电子线路模块或者数字电路硬件组成的控制单元。单片机可以通过软件编程的形式来实现控制处理，并使之实现集成化与智能化。八位单片机的内部构造比较简单，因此，它特别地方便配合其他外部设备结合；体积小巧，方便硬件电路系统的集成和优化；另外，成本并不高，在很多商业级别的应用设计中具有无法比拟的优势。应用最广泛的八位单片机首先应该是Intel的51系列单片机，因为51系列的单片机产品硬件的结构很合理，同时指令系统也比较规范，另外其生产历史非常“悠久”，大有先入为主的优点。现如今世界上有许多很著名的生产芯片的公司均购买了51系列芯片的核心专利，与此同时，这些公司还在51单片机原来就有的功能指标上再一次进行了功能优化，这就总体上推动了整个单片机行业向前迈了一大步。 而在本车流量统计系统中，核心控制系统拟将单片机为主要选择方案， 单片机的内部结构框图如下图3.1所示。图3.1 单片机的内部结构3.2.2嵌入式系统概述嵌入式系统(Embedded System)就目前的科技水平来说存在许多定义，有通过嵌入式系统的组成部分的角度来定义的，也有的学科领域是通过嵌入式系统的应用方向的不一样还有应用范围的广度来定义的。无论从哪个角度来定义嵌入式系统，我们都可以看出，其实嵌入式系统其实是硬件件和软件的综合体，并且它可以广义地涵盖到工程机械等附属设备。但是，上述的几种还不能比较充分地体现出嵌入式系统的核心与精髓。就目前的科技水平来说，被大多数人所接受的定义是：嵌入式系统是一种专用的计算机控制系统，嵌入式系统通过软件的应用核心设计，同时嵌入式系统的基础是现代计算机技术，与此同时，嵌入式系统还可以裁剪系统的硬件和软件；嵌入式系统适用于对指标有严格要求的一种专用的控制系统。可以广义地认为，凡是带有微型处理器的专用软件硬件系统均可以被称为嵌入式系统。嵌入式系统通常通过“量体裁衣”的形式把需要的的功能（主要通过软件编程等方式实现）嵌入到所需要的应用系统中，从而实现专用计算机控制系统的功能目标。嵌入式系统不仅融合了计算机的软件和硬件技术，还包含了半导体微电子技术和信息通信技术等等各种学科领域的理论知识。嵌入式微处理器通常主要工作在某些特定用户群指定设计的系统中，其通常都会有体积小巧、高集成度、消耗功率低等等特点。因为嵌入式系统可以把许多通用的CPU里的很多通过板卡完成的目标功能集成在一块芯片内部，所以非常利于嵌入式系统设计日渐趋于小型化的设计，并且其移动能力得到了长足的增强，与此同时，移动互联网的快速发展也使得其与嵌入式系统的结合超乎想象的越发紧密。由于各种资源的缺乏和空间的相对不足，所以嵌入式系统的软件和硬件都要求进行高效率地设计，尽可能地除去冗余的部分，同时力争在一样大的硅片面积上可以实现更多更高的指标性能。关于软件方面，嵌入式系统对代码的要求非常之高同时也对其可靠性有着很严苛的需要，同时要求程序的编写和编译的工具质量要非常高，因为只有这样才可能减少程序的二进制代码，也只有这样才可能大大提高运行程序时系统响应的速度，同时也可以节省存储空间。硬件方面，嵌入式系统需要充分考虑用户的具体要求和指定功能，对系统配置和硬件电路的设计进行适当的裁减和添加，这样才能实现指定的的功能和目标。3.2.3 STC89C52单片机STC89C52单片机的内部已经自己包含了8k bytes的只读程序存储器，这个存储器是可以反复擦写的，另外，单片机的里面还有一个大小为 256 bytes的数据存储器（就是我们常说的RAM），这个存储器是随机存取的。STC89C52主要有几种不同的封装形式，包括PQFP/TQFP及PLCC等等多种不同的封装，完全不一样的封装主要是为了迎合市场中不同场合下应用的客观需求。STC89C52单片机的工作电压最大的时候是5.5v，最低的时候工作电压仅仅是3.3v；然后它的工作响应的频率最低是0Hz，最高可以到10MHz的极限频率，当然，这是理论上的性能数据，在STC89C的实际工作过程中，它的频率最高的甚至可以是48MHz。关于用户应用程序的存储空间，这个单片机可以提供8K大小的内存空间供应用程序的使用；另外，这个型号的单片机片上集成的RAM有512字节的大小。因为这个型号的单片机的P0口设计的时候被设计为漏极的开路输出，所以如果需要它作为总线并且还要再扩展的话，就不需要连接入常说的上拉电阻，但是，如果它是作为I/O口来使用的话，如果要正常使用，那么就要必须连上上拉电阻，否则系统无法正常工作。STC89C52单片机如果是工业级别的话，那么它可以在最低-40和最高85的环境下正常工作，但是如果它是商业级别的话，工作温度的范围就会小一些，最低可以在0下工作，最高也就只能在75的温度环境下正常工作。STC89C52单片机除了上述的一些特点，它的T0T2端口是3个计数器，这几个定时器的位数是16位。STC89C52RC单片机的引脚图如下图3.2所示。图3.2 STC89C52RC引脚图单片机作为本车流量统计系统的主控系统，如果它的性能不好，工作的时候也不稳定，那么，很有可能直接导致整个系统的正常功能实现，同时也会在整个系统的造价成本上产生影响。而如今市面上主流的单片机主要包括51系列和AVR系列与MSP430系列甚至更高级的RAM、FPGA等等类型。在本设计中，综合考虑了价格与系统需求之后，最终决定采用51系列单片机，经过选择和比较，本设计采用STC89C52单片机来作为车流量统计系统的主控系统。3.2.4 STC89C52最小系统电路为了在手动制作样板的时候减小难度，并且为了系统硬件电路的优化简洁，本设计采用40引脚的最常用的封装形式来设计电路图。如下图所示，STC89C52主控系统电路就是我们经常说的51单片机最小电路系统。这个最小电路系统一般包括STC89C52主控单片机，还有最小系统的下载程序ISP接口，当然啦，另外还会有一个晶振电路和复位电路以及P0的10K上拉电阻。STC89C52单片机的最小系统电路连接图如下图3.3所示。图3.3 STC89C52单片机最小系统（1） 晶振电路STC89C52单片机执行程序的时候它需要具有一个工作频率，这个工作频率的实现是通过外部晶振电路与单片机内部时钟电路来完成的。另外，晶振电路中的晶振的大小就已经决定了单片机的工作频率的高低，并且如果晶振越大的话单片机执行程序的速度就越快。因为是外接的晶振，因此STC89C52单片机的的XTAL1和XTAL2引脚需要对地接一个10pF30pF的电容。晶振电路下图3.4所示。图3.4 STC89C52外部晶振电路STC89C52单片机可以支持的最大外部晶振频率是24MHz，而在本车流量统计系统设计中只要选用12MHz的外部晶振就已经可以满足系统的要求了。两个对地电容C12、C13选择22pF。并且在实际应用中，我们需要把晶振和电容尽可能地安装在单片机的XTAL1和XTAL2引脚附近，这样就可以减少寄生电容，这也是从硬件电路的设计方面来保证振荡器在工作时候的可靠性。（2）外部复位电路STC89C52单片机外部的复位电路的基本功能是电路内部系统在上电时由RC串联组成的电路为系统提供复位信号，等到系统的电源趋于稳定之后，单片机STC89C52开始正常工作，对程序进行运行处理。而STC89C52单片机进行复位的条件是，复位引脚RST上如果有连续出现的大于两个机器周期的高电平。复位电路如图3-5所示。图3.5 外部复位电路如上图所示，复位电容的大小是10uF，电阻的大小是10K。根据RC串联的电路原理，可以算出其时间常数为10uF*10 K=0.1s。当系统上电时，电容C1充电到VCC电压的0.7倍需要的时间为时间常数0.1s。而在系统上电的0.1s内，电容C1两端的电压时从0V增加到3.5V，与此同时电阻R3两端的电压从5V减少到1.5V。因此0.1s内，RST处的电压从5V下降到1.5V。对STC89C52单片机来说， 02.4V的输入电压视被视为低电平，而3.65V的输入电压被单片机视为高电平。当系统上电时，RST处的电压处于3.6V以上的时间大概为0.01s，而STC89C52的机器周期为1us，因此系统上电时可以提供足量时间的高电平使单片机进行复位。而当系统上电以后，电容C1会持续充电一直到5V（即VCC的电压），此时RST处电压为0V，STC89C52单片机已经可以正常工作了。在这个电路中， S4按键是一个复位按键，属于手动式的。S4按键被按下时，开关被接通，电容C1被短路。而在按下S4的过程中，电容C1将释放之前存储的电量，则从5V的电压降低为1.5V，甚至会更加小。此时，电阻R4两端的电压为3.5V，甚至更大，那么在这个时候，复位RST引脚将会持续接收到大于两个机器周期的高电平，所以STC89C52单片机会执行复位的操作。而当松开S4后，RC电路执行系统上电时的工作，并且在充电完成后STC89C52单片机重新执行程序。（4）P0口10K上拉电阻STC89C52单片机一共包含有四组8位并行I/O口， P0口内部是不带上拉电阻的漏极开路输出，因此需要外接上拉电阻才能提供驱动电流。P0口外接上拉电阻的阻值为10K，在本次设计中本人选择了9引脚的排阻，排阻的电路连接图如下图3.6所示。图3.6 9引脚10K排阻3.2.5红外传感器探测模块模拟探测车流量的检测模块是本车流量统计系统中非常重要的一个硬件模块，在第二章的方案选择中，本人详细列举了各种车流量统计系统的方案设计，并通过对比最终选择红外传感器车流量统计系统，因此，红外传感器的选择从某种角度来说直接关系着这个车流量统计系统的功能能否得到实现。红外传感器随着科学技术的飞速发展，现如今已经出现了非常多的种类，因此在实现这个模块的传感器选择上，出现了一些困难。考虑到本次系统的各种功能要求，也考虑到技术、成本、可行性等多个方面的原因和理由，挑选红外传感器的基本原则为：结构简单，同时要方便获取车辆的检测信息，即还要操作方便，另外一个就是价格要低。而现在市面上的传感器多种多样，如果按照工作原理的不一样，可以分为几个大类，主要分为热传感器还有光子传感器等几个大类。红外热传感器的工作原理主要是利用辐射热效应，通过接收辐射能以后引起了温度的改变和变化，再由测试温度的内部元件获取温度的改变量，从而返回输出相应的电信号；相较于红外热传感器，红外光子传感器的工作是基于光电效应，因此其反应速度很快，也很灵敏，响应频率也很高。通过对比，本人最终确定选用红外光子传感器来作为本次车流量统计系统的探测元件。作为一个探测系统的核心检测部件，传感器的性能如果不好、选用的不合适，那么将会直接影响对车流量的检测，从而宣告整个系统的失败，因此传感器的选择很重要。通过综合比较优劣，最终确定了传感器的选择，即漫反射型光电传感器E18-D80NK。漫反射型光电传感器E18-D80NK是一个发射与接收集成一体的光电传感器，相比于其他需要配合接收板才能工作的传感器，这个传感器操作起来更加方便，本传感器通过对前方目标区域不断发出红外信号，并通过物体遮挡并反射回来光能量转换为电流传输到内部电路，经过电路的处理还有放大最后输出高电平或者低电平，很方便对程序的编辑处理。红外传感器电路连接图如下图3.7所示。图3.7 红外传感器电路连接图本车流量统计系统中，设置了两个光电传感器，在通电之后，传感器输出的电平信号是高电平“1”，通过P01、P00信号线将电平信号传输到单片机最小系统中，当传感器发射出的红外光被物体遮挡时（有车辆通过），传感器输出低电平信号“0”，电平信号传输到单片机中，通过程序的处理从而实现对车流，量的统计。电路设计中，电源内阻可能会形成正反馈，从而引起寄生震荡，因此在电源正负极并联一个去耦电容，通常取0.1uF。3.2.6液晶显示模块本系统是车流量统计系统，需要对车辆进行统计数量并且显示，因此显示模块是必要的。相较于其他显示效果不好的如数码管等的显示器件，本人采用显示效果比较好、并且比较美观的液晶显示屏。在本次设计中，选用LCD显示屏。市面上也有很多种类的LCD显示屏，综合系统的需求和成本、显示效果的考虑，主要对比两款主流的电路设计中常用的LCD显示屏幕。点阵型LCD1602液晶显示器的显示界面上的字符和字符之间有一个点距的间隔。在正常情况下，市面上LCD1602的售价属于比较低的水平，普遍在6元左右，尺寸为73*20*18mm。LCD1602采用标准的16引脚接口，有11个通信引脚需要和外部控制器连接，其中有8个位并行数据传输口。实物图如下图3.8所示。图3.8 LCD1602实物图电路设计中还有另外一款常用的LCD显示屏。LCD12864液晶显示器。LCD12864除了可以显示字符以外，还可以显示汉字，并且每一个汉子占用两个字符的显示位。LCD12864可以同时显示个数为64的字符。因为这款显示屏功能和显示效果等性能比LCD1602要好，所以LCD12864显示器的售价比较高，普遍价格都在25元左右，它的尺寸是93*70*12mm。LCD12864显示器的外接引脚一共有20个，其中通信引脚就占了11个。另外，LCD12864包含有两种通信方式，可以采用并行通信，同时也可以采用串行通信。如果它采用串行通信，只需要与外部的控制器连接上4根通信线即可。对比两款LCD显示器，LCD1602在价格上有非常明显的优势。考虑到系统的要求，本车流量统计系统需要显示3个距离值，为确保显示的精度，需要显示到0.01m的精度，就是说，每一个距离需要5位字符显示位，加上传感器编号3位和至少6位的间隔符，一共需要24位。在这样的系统需求下，LCD1602也能满足显示的要求。另外还考虑到外观的小型还有美观化，这里选用LCD1602液晶显示器。LCD1602是一款主流的常用字符型液晶显示器。它的工作电压具有3.3V或者5V可选工作电压；并且显这款显示器的对比度是可以调节的。这个显示器的内部还包含了复位电路；另外，LCD1602可以提供种类比较多的控制命令，例如清屏和移位字以及符闪烁等等多种功能。这款显示屏的显示数据存储器DDRAM是80Byte，另外还包含了8个用户自定义的5X7的点阵字符的发生器CGRAM。总之，这款LCD1602显示器不仅仅显示内容很丰富，而且工作时的功耗还很低，另外体积很小巧、超薄设计，很方便对整个系统的优化和硬件电路的排版。LCD1602外部连接控制电路如下图3.9所示。图3.9 LCD1602外部连接控制电路LCD1602的外围连接电路比较简单，只需要连接一个作用是调节对比度的10K可调电阻与一个去耦电容即可。电路中采用与系统相同的5V供电电压，就是电路图中的VCC。另外电容C5为去耦电容，主要作用是为LCD1602供电的电源输出更加稳点一些，另外还可以从间接上降低其它元器件受到的噪声影响。电容C5本人选择了0.1uF无极性电容，整个无极性电容需要放置于LCD1602比较近的位置。可调