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高速公路多车道监控系统设计,毕业设计
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本科生毕业设计 说明书 论文题目： 高速公路多车道监控系统设计 学生姓名：韩 悦 慧 专 业：电子信息工程 班 级： 190317 指导教师： 于 枫 nts 高速公路多车道监控系统设计 I 提要 近年来，高速公路的建设步伐很快，对高速公路进行科学管理势在必行，如对车流量的统计和分析控制，可以实现高速公路载荷的控制和有效管理 。 由于高速公路监控系统是一个复杂的系统 ，包括路段监控、隧道监控、收费站监控等子 系统， 本文主要是对 高速公路监控系统中的车流 控制 系统 部分进行初步地讨论研究 。 在本设计中，车流量控制系统进一步细化为两个小系统：一是高速公路多车道车流量计数系统；另一个是车辆超速监控系统 。 在高速公路多车道车流量计数系统中，采用了红外传感器 P2288，以AT89C51 单片机为核心，设计了一种高速公路多车道车流量计数系统，给出了工作原理、系统硬件设计以及系统如见流程图设计 。 测试结果表明，该设计方案应用于高速公路车流量数据科学统计具有较高的性价比，具有结构简单、准确度高、性能可靠、实用性强等优点 . 本文介绍了车辆超 速的测量方法，并针对目前已有的超速检测系统的不足提出了一种高速公路车辆超速监控系统方案，该系统可以对超速车辆及时进行登记，并可以在道路出口对超速车辆进行监控、拦截 。 nts 高速公路多车道监控系统设计 II 目录 第一章 序论 . 1 1.1 高速公路监控系统的概述 . 1 1.2 研究背景和意义 . 2 1.3 国内外的发展状况 . 3 1.4 本文研究的主要内容 . 4 第二章 总体方案的设计 . 5 2.1 高速公路多车道车辆计数系统的设计 . 5 2.2 车辆超速监控系统的设 计 . 7 第三章 系统的硬件设计与实现 . 8 3.1 高速公路多车道车辆计数系统的设计 . 8 3.1.1.信号采集系统 . 8 3.1.2信号处理电路 . 11 3.1.3光电隔离耦合电路 . 15 3.1.4单片机计数系统 . 17 3.1.5时钟单元 . 20 3.1.6数据计数及显示电路 . 26 3.1.7 键盘的设计 . 32 3.1.8报警电路的设计 . 35 3.1.9看门狗监控电路的选择 . 36 3.2 车辆超速监控系统的实现 . 40 3.2.1移动式测速方法 . 40 3.2.2 固定式测速方法 . 40 3.2.3 车辆超速监控系统的实现 . 41 3.2.4 超速检测系统 . 41 3.2.5 车辆拦截系统 . 42 nts 高速公路多车道监控系统设计 III 3.2.6 牌照自动识别系统 . 42 第四章 通讯模块与通讯协议 . 44 4.1 收发模块 . 44 4.2 通讯单元 . 47 4.2.1 RS-232C标准 . 48 4.2.2 MAX3232 芯片简介 . 48 第五章 系统软件设计 . 51 5.1 计数系统主程序流程图设计 . 51 5.2 计数系统键盘扫描程序 . 52 5.3 计数系统显示程序流程图 . 54 结论 . 55 参考文献 . I 致谢 . II 摘要 . III Abstract . IV nts 高速公路多车道监控系统设计 1 第一章 序论 1.1 高速公路监控系统的概述 高速公路监控系统就其功能而言主要是指 高速公路交通监视和控制系统，亦即交通监控，从广义来讲有时也称高速公路管理系统 。 所谓“监视”就是指利用路面、路旁的数据采集和监测设备及人工观察，对道路交通状况、路面状况、天气状况、设备工作状态等参数进行实时观察和测量，并通过传输系统送至中心控制室 。 所谓“控制”就是指利用监控中心控制计算机或是控制员实时处理系统中的各种数据，按照一定的模式进行分析、判断和决策，并将最终结果和控制命令通过传输系统送至路上驾驶人信息系统、收费口控制设备或匝道控制设备，将路况以及各种控制信息提供给驾驶人，使驾驶人能采取相应措施和做好 心理准备，以保证行车安全，提高行车效率；对于行车延误的事件迅速响应，提供紧急服务，快速排除事件，把事件引起的延误控制到最小值，从而达到调节和控制道路交通状况的目的 。 交通监控是对高速公路交通流运行状态及交通设施和交通环境的监测和对交通流行为的控制 。 由现场监控站和各级监控中心组成监控系统，是实现高速公路运行管理的主要手段 。 监控系统的目的是保证行车“安全”和道路“畅通”，在此基础上再实现高速、环境保护等其它目标 。 为了完成监控系统的监视控制功能，高速公路监控系统主要由交通信息采集子系统、中央控制设施子系统、监控 输出子系统和通信传输子系统组成一个闭环控制系统，如下图所示 。 nts 高速公路多车道监控系统设计 2 图 1.1 高速公路监控系统与各子系统的一般关系 1.2 研究背景和意义 高速公路是 20 世纪最伟大的发明之一 。 在当今世界上，各国政府和人民都向往 高质量的公路网络，高速公路是公路网络中最主要的骨架运输通道，在现代社会与经济活动中发挥着关键的作用 。 改革开放以来，我国的国民经济有了快速的发展，国民生产总值持续高速地增长，人民生活水平进一步提高 。 在经济发展的过程中，公路交通工具的数量也快速 增加，加大了公路交通的压力，公路交通设施已经不能适应经济发展的要求，成为制约国民经济发展的“瓶颈” 。 1988 年，上海至嘉定高速公路 18.5km 建成通车，实现了中国大陆高速公路零的突破 。 1998 年以后，国家加大基础设施的建设力度，特别是对于高速公路的建设 。 例如在 2001 年，国家用于公路建设的投资达到 2400 亿元，当年新建高速公路 3000km，使全国高速公路的通车里程达到 1900km，总长度超过加拿大而位居全球第二 。 高速公路的建设和投入使用，提高了公路运输的效率，使公路运输时间大幅度缩短，在加快改革开放、推 动社会进步 振兴国民经济、促进运输结构日臻完善、巩固国防等方面发挥了巨大的作用 。 高速公路与一般公路相比具有鲜明的经济技术特征，是公路交通先进生产nts 高速公路多车道监控系统设计 3 力的集中体现 。 高速公路的发展水平是一个国家经济实力和经济发展水平的重要标志之一，同时也是经济发展活力的重要标志 。 世界上经济发达的国家无一不是高速公路发展水平较高的国家，美国、加拿大、德国、法国、意大利等国家高速公路的总里程和其在公路中所占的比例均名列前茅 。 21世纪，中国经济的发展质量、水平和速度，将进入一个全新的历史阶段，步入一个更为健康和快速的轨道 。 经济的发展对 公路的总量和质量会有更高的要求 。 高速公路使人们的出行更为方便、舒适、安全和快速，时空观念将有很大的改变 ； 货物运输将在信息、组织、集散、运送、服务等方面向快速优质方向发展 。 高速公路将给经济发展和人们的社会生活带来更对活力，大大提高经济的发展速度和社会生活的质量 。 相对于普通公路而言，高速公路已经取得巨大得成功，带来巨大得经济与社会效益，服务水平大大提高，但是运行过程中仍然存在交通拥挤得问题，特别是在交通高峰期 。 而拥挤必然造成旅游时间无法预测、运行成本增加、事故率提高、能源浪费以及环境污染加剧等不期望得影响， 造成巨大得经济损失和环境污染 。 因此如何避免拥挤或减轻拥挤造成得影响，保持高速公路高速、安全、舒适和高效得特性，研究于我国高速公路相适应的高速公路监控系统已成为我国公路界急需研究的课题 。 本文主要是对高速公路监控系统中的车流量控制系统部分进行初步地研究 。 1.3 国内外的发展状况 对于高速公路监控系统的研究国外起步较早，发展到现在也已经比较完善，其中美国、加拿大、欧洲、日本在监控系统的研究方面走在了世界的前列 。 美国自 50 年代开始大规模修建高速公路， 1960 年以后把注意力集中在高速公路的运行和管理上 。 芝加哥、底 特律、休斯顿、洛杉矶、纽约等一些主要城市的高速公路都设置了不同规模的监视控制系统 。 如今美国联邦公路局已经制定一系列旨在推进全国性的智能运输系统系统设计，以保障安全、提高效率、协调合作、节省能源 。 在欧洲也有许多国家在高速公路上配置功能完善的控制系统 。 意大利的那不勒斯收费公路上的 TANA系统就是一个典型的例子 。 该公路全长 20km，共有 6车道，每天车流量达到 6万辆；沿线有 4个双洞隧道，每个隧道长超过 800m，nts 高速公路多车道监控系统设计 4 全线共有 10 个立交点 。 TANA 系统在公路的主干线上，入口匝道、出口匝道以及隧道入口处共安装 664 只环式监 测器，由 3 种气象监测器分别给出下雨和路面结冰的信号 。 全线共设有 149 块各种形式的道路信息板，每板可显示的内容达 30多种 。 全系统采用了 3台计算机，双机备份，因此可以大大减少停机的时间 。 日本高速公路监控系统的研究式 1968 年开始的 。 日本高速公路监控系统采用它三级管理体制 。 其出发点是以正确把握交通状况为先觉条件，通过设置各种形式的车辆检测器测量通过的车辆数目，并计算出速度、密度、占有率等交通参数，借助紧急电话、巡逻车、闭路电视等对交通状况进行监视 。 将这些参数和状况经过人工或计算机处理并做出综合判断，选择最佳控制 方案，通过道路信息板、无线电台广播等手段，对高速公路的交通情况进行调解和控制 。 其他一些国家如德国、英国等也都在高速公路上设置了类似完善的控制系统设施 。 近几年来，随着计算机技术、自动化控制技术和通信技术的发展，一些国家的高速公路监控系统的技术结构也在随之变化 。 我国的高速公路控制系统的建设起步比较晚，与国外的差距较大，尽管取得了很大的成绩，总体上仍然处于初级发展阶段，不能完全适应社会经济发展 。但是随着高速公路的迅猛发展，以及车流量的不断增加，交通监控系统越来越显示出其在交通管理种不可取代的地位 。 目前已开通 的高速公路都有一定规模的监控系统 。 1.4 本文研究的主要内容 近年来，高速公路的建设步伐很快，对高速公路进行科学管理势在必行，如对车流量的统计和分析控制，可以实现高速公路载荷的控制和有效管理 。 随着我国高速公路网的发展与完善，促进了国民经济的发展，从而也提高了交通服务的质量 。 但是，高速公路在给人民带来交通便利和节能的同时，在高速公路上车辆拥挤以及车辆超速行驶而引发的事故应引起交通管理部门的高度重视 。 本文主要是对高速公路监控系统中的车流量控制 系统进行初步地讨论研究 。本设计中车流量控制系统的设计 大体可 分以 分为两个 部分：（ 1） 高速公路多车道车流量计数系统的设计 （ 2） 车辆超速监控系统 的设计 。 nts 高速公路多车道监控系统设计 5 第二章 总体方案的设计 2.1 高速公路多车道车辆计数系统的设计 目前，对高速公路车辆的计数有多种方法，经过分析比较设计一种高速公路多车道智能计数系统，该系统采用热释电红外传感器，以 AT89C51 单片机为核心 。 测试结果表明，该设计方案应用于高速公路车辆数据科学统计具有较高的性价比，具有结构简单、准确度高、性能可靠、实用性强等优点 。 本系统由信号拾取、信号处理、单片机计数系统等部分组成 。 多车道车辆计数系统的原理框图如 图 2.1 所示 。 考 虑到实际情况和为方便讨论，这里取 4车道 。 图 2.1 多车道车辆计数系统的原理框图 该系统在各车道的工作原理框图如 图 2.2所示 。 nts 高速公路多车道监控系统设计 6 图 2.2 各车道原理框图 传感器设置在高速公路各个车道正上方的监测点，当车辆经过时，它将车中人体辐射的红外光变换成电信号，由信号处理电路进行放大、滤波、门限比较，输出脉冲信号，经过光电隔离耦合可以将 4路脉冲信号并行输入到单片机，再经过单片机计数系 统进行计数 ，再通过收发模块将计数值送至入口控制室内的单片机加以 显示，并由键盘设定计数值，当计数达到所设定的计数值或计满时发出声光报警信号 。 此时出口控制室内的工作人员可以对车流量采取相应的控制措施。 通过人工干预，手动可以解除计数器报警和完成计数清零 。 此外，本系统还具有通信功能，能与上位机进行实时数据交换 。 单片机计数系统原理框图如 图 2.3 所示 。 传感器 放大器 放大器 译码显示器 计数 器 双限 比较器 nts 高速公路多车道监控系统设计 7 图 2.3 计数系统原理框图 2.2 车辆超速监控系统的设 计 目前，车辆测速技术主要有地感线圈测速、红外测速、雷达测 速、激光测速以及视频测速三种 。 地感线圈测速技术是利用电磁感应原理，当有车辆经过地感线圈区域时，线圈磁通量发生变化，输出触发信号，提示有车经过，因此可以在高速公路路面一定距离上设置两个地磁感应线圈区域，通过检测出车辆经过这两个区域的时间差，即可以计算出车辆速度 。 由于地磁感应线圈需要预先在确定的公路位置铺设，因此现在地感线圈多应用在固定地点的车辆监控系统中，驾驶员知道此点有监测后，往往此地段上不再超速违章，所以实际效果不大 。 红外测速原理和地感线圈相似，只不过是用红外线圈检测车辆进出而已 。 雷达测速利用多普勒 效应，通过雷达反射波的频移计算出运动物体的速度 。雷达测速系统对于测量角度要求比较高，测速系统需要正对物体运动方向，测量偏差角度应该小于 10 度 。 雷达测速多应用于移动式车载超速监控系统，也应用于固定场合，如高速公路收费站监控系统 。 不带车牌识别的雷达测速装置在违章处理时缺少 法律依据 。 为此人们研制带有车牌识别的雷达测速系统，利用nts 高速公路多车道监控系统设计 8 高速存储的数码相机采集车辆视频图象，然后进行车牌识别，此系统价格昂贵 。激光测速原理与雷达测速一样，只是性能较雷达测速更好一些 。 视频测速技术，利用车辆图象中的二维位置以及预先测定的一些参数计 算出车辆的实际三维位置，若在一个固定时间间隔内拍摄两幅图象，则可以根据两幅图象计算出车辆施加三维位置，得到车辆在此固定时间间隔内的位移，从而进一步确定车辆速度 。 雷达测速具有准确，测速快，可移动测速等优点因此得到广泛应用，其缺点是成本较高，不能用于多车测速，抗电子干扰性差 。 视频测速优点是成本低、抗电子干扰、可以用于移动和固定场合，缺点是测速精度低，且需要预先进行测速系统中参数测量（如摄像机到被测车辆的距离等） 。 本文设计的 超速监控系统分为超速检测系统和车辆拦截系统两个部分 ， 其中超速检测系统完成车速检测、车 牌号码识别、车辆超速判断、超速车辆记录等工作 ； 车辆拦截系统对通行车辆进行车牌识别 ， 判断是否为超速或其他黑名单车辆 ， 对黑名单车辆进行拦截和处罚 。 超速检测系统和车辆拦截系统根据现场通信线路情况可以通过有线或无线方式联接 。 第三章 系统的硬件设计与实现 3.1 高速公路多车道车辆计数系统的设计 3.1.1.信号采集系统 一、 传感器的选择 （ 1） 被动式热释电红外探头的工作原理及特性 在自然界，任何高于绝对温度（ 273度）时物体都将长生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长 与温度的高低是相关的 。 在被动式红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器（ PIR），它能将波长为 8 12um之间的红外信号转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动式红外探测器的警戒区内，当无人体nts 高速公路多车道监控系统设计 9 移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进入警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的时人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探头的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异 。 另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式 。 菲涅尔透镜的作用有两个：一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在 PIR上 。 第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在 PIR 上产生变化热释红外信号，这样 PIR就能产生变化的电信号 。 人体都有恒定的体温，一般在 37度，所以会发出特定波长 10微米左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线通过菲涅尔滤光片后增强聚集到红外感应源上 。 红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经监测处理后就 能产生报警信号 。 （ 2） 被动式热释电红外探头的特性 1）这种探头是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为 10微米左右的红外辐射非常敏感 。 2)为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用 。 3)被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元 。 而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输 出 。 4)人一旦侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦 ，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警 。 5)菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密 。 （ 3） 被动式 P2288 型热释电红外传感器 该系统中的信号拾取器件采用热释电红外传感器，它能以非接触形式检测出来自人体以及外界物体放射出的微弱红外线能量，并转换成电信号输出 。 这种热释电红外传感器既有主动式（检测静止或者移动极缓慢的人体及物体）又nts 高速公路多车道监控系统设计 10 有被动式（检测运动人体及物体） 。 根据车辆计数的要求，这里选 用被动式热释电红外传感器 P2288，其主要性能指标如下： 典型噪声值： 80mV 窗口光频响应： 7 15um 工作电压： 3 15V 响应性： 6500V/W 工作温度： 40 60 保存温度： 55 125 外形及结构：双元件型， TO 5封装，其内部结构如 图 3.1所示 。 图 3.1 P2288 的内部结构 从原理上讲，任何发热物体都会产生红外线，所以凡是温度高于绝对零度的物体都是红外辐射源，热释电红外传感器敏感单元 P1、 P2 对红外线的感受表现在敏感单元 的温度变化，而温度的变化导致电信号的变化，环境与自身的温度变化由其内部结构决定了不向外输出信号，而传感器的低频响应荷特定的红外波长（ 5 15um）响应决定了传感器只对外界的红外辐射而引起本身的温度变化敏感，或者说只对人体或是相关物体的运动敏感 。 因此，热释电红外传感器可以抗可见光及其中大部分红外线的干扰 。 使用 P2288型热释电红外传感器加透镜，对活动人体的探测距离可以达到10m以上，如果通过对电路的灵敏度进行调节，使其对人的灵敏度距离仅为 1.5m左右时，对 20m远处快速通过的车辆检测却非常零敏可靠，由此可以 应用于车辆计数系统中 。 为防止车辆之外闲杂人员引起的误检可以采用两种方法：热释nts 高速公路多车道监控系统设计 11 电红外传感器安装与高速公路各车道的正上方；调低灵敏度，使之在人体移动速度之外在车辆通过速度之内其作用 。 3.1.2 信号处理电路 一、 放大器的设计 电压（电流）漂移问题是集成运放最突出的问题，若电路的输出电压变化与漂移处于同一数量级时甚至更小的情况时，则在输出端的总变化量中，就会很难辨别哪些是信号，哪些是漂移，这将导致整个设备无法正常工作 。 可以见得，电压（电流）漂移的大小对电路得精度、灵敏度有着非常直接、重要得影响 。 产生电压（电流）漂 移得因素有很多，任何元器件参数得变化（电源的波动，电阻、电容、电感等阻抗得变化等），都将造成电压（电流）漂移 。 而实践证明，温度变化是产生电压（电流）漂移的主要因素，也是最难以克服的因素 。通常用漂移系数 dVos/ dT 来表示电压漂移 。 在许多高精度、高稳定度的应用场合中，低漂移运算放大器是较好的选择 。 噪声是低电平运算放大器的一个重要指标，是系统分辨率的限制因数，是引起系统误差的主要因素 。 噪声与电阻和带宽的方根成比例，减小系统噪声的基本方法是限制贷款至最小的可使用范围，并尽可能使用最低的阻抗 。 系统要求高时，低噪 声运放成为最好的选择 。 本系统中的运算放大器不仅需要低漂移、低噪声，还需要较高的转换速率，综合考虑得出：放大器所需的运算放大器可以选择低噪声、低漂移高速运算放大器 AD8099。 AD8099 是美国模拟器件公司（ ADI）推出的一种新的元算放大器，其引脚图 (LFCSP封装 )如图 3.2所示 。 图 3.2 AD8099 引脚图 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的红外辐射信号，使热释电红外传感器电路产生一个微弱 的电压信号，该信号nts 高速公路多车道监控系统设计 12 由热释电红外传感器的引脚 2输出，并直接送到 IC1a放大器的同相输入端，由其放大 2500倍后再从引脚 1输出，通过 C8耦合到 IC1b进行进一步的放大，放大后的输出信号再送至双限比较器 。 二、 双限比较器的设计 从放大电路传输过来的信号当中，不仅有被热释电红外传感器检测到的有用信号，而且还包含着许多干扰信号，为了将被检测信号从众多的干扰信号中分离出来，应采用双限比较器来完成此项任务 。 双限比较器又称窗口比较器，由两个运算放大器组成的双限电压比较器如图 3.3 所示 。 图 3.3 双限比较器 当被比较的电压信号 Uin 位于门限电压之间时（ UR1UR2 或 UinUB或 U7UA） ，输出为高电平（ UP=UOH） 。 nts 高速公路多车道监控系统设计 13 放大电路输出的信号中，不仅有被传感器检测的到的有用信号，而且还包含了许多干扰信号 。 为了将检测信号从众多的干扰信号中分离出来，在比较器UA与 UB之间接入电位器 R11以便于调节窗口电压 U ，使 U 在 0 1.71V之间变化，以达到调节电路灵敏度的目的 。 窗口电压 U =UB-UA， 可以用来判断输入信号电位是否在指定门限电位之间 。 车道上每经过一辆车， P点就输出一个脉冲 。 在这个双门限比较器中 运算放大器 IC2选用四运放集成电路 LM324，它具有电源电压范围宽、静态功耗小、可单电源使用、价格低廉等优点，因此被广泛应用于各种电路中 。 LM324采用 14脚双列直插塑料封装，外形如图 3.5所示 。LM324的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源供电外，四组运放相互独立 。 nts 高速公路多车道监控系统设计 14 图 3.5 LM324 引脚图 三、 电源电路的设计 为了提高电路可靠性，信号处理电路部分的电源电路采用交直流自动 切换供电的方式，以保证电网停电时计数系统仍 然能够正常工作 。 下 图 3.6所示即为 为电源电路 。 图 3.6 电源电路 电源电路主要是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成 。 平时220V 交流电压经过变压器降压变为所需要的电压值，再经过桥式电路整流和C12 滤波后，输出脉动直流电压，一路经过 7809 稳压块稳压输出 9V 平滑的直流电压供电路使用；另一路经过电阻器 R对电池充电，此时应使 VD处于反偏截止状态，电池布供电；一旦交流电压消失，备用电池通过 VD 自动向电路供电 。稳压电路的主要作用是当电网波动、负载 和温度变化时，维持输出直流电压稳定 。 nts 高速公路多车道监控系统设计 15 本设计中稳压电路采用端固定式继承稳压器 7809，这种稳压器仅有输入端、输出端和公共端耽搁引脚、芯片内部设有过流、过热保护以及调整管 的 安全保护电路，其所需外围元件少，使用方便、可靠，广泛应用于各种电子设备中 。 为了减小电网对电源的噪声干扰，早直流稳压电源的交流输入端接入电源滤波器，同时并入压敏电阻，它能够有效地一直、吸收由各种原因引起地电压尖峰，达到减小输出噪声地目的 。 3.1.3 光电隔离耦合电路 光电隔离耦合电路的作用是将信号处理电路中输出的 UP 脉冲信号转换成符合单片机 要求的计数脉冲，且输出的脉冲个数等于被检测的行驶车辆的个数 。在该系统中光电隔离耦合电路如图 3.7 所示，该电路主要由光电耦合器和施密特触发器组成 。 图 3.7 光电隔离耦合电路 光电隔离耦合器是一种复合光敏器件，它是由一个发光元件和一个光电元件同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件 。 封装形式一般有管形、双列直插式等几种 。 连接发光元件的管脚作为输入端，连接光电元件的管脚作为输出端 。 光电耦合器中的放光元件常常采用砷化镓发光二极管 。 光电元件普遍采用硅光敏器件、光敏可控硅、光敏集成电路等元件 。 在光电耦合器中，发光二极管把外来的电信号通过自身的发光，把它转化成变化规律相同的光信号，它是一个将电能变换成光能的电 光器件；而光电耦合器中的光电元件，则能把光信号反过来变换成为规律相同的电信号 。 这就是说，在信息传输过程中，是用“光”作为媒介，在它的线性工作范围内，这种耦合具有线性变化关系 。 由于输入端和输出端仅用光来耦合，因而光电耦合器在电性能上是完全隔离的 。 光电耦合器的主要特点如下： nts 高速公路多车道监控系统设计 16 1） 输入端与输出端之间绝缘，其绝缘电阻一般都比较大，约为于 1012欧姆，耐压一般超过 1kV，有的甚至可以达到 10kV以上 。 2） 由于“光”传输的单向性，所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响输入端 。 3） 由于发光器件（砷化镓红外二极管）是阻抗电流驱动性器件，而噪音是一种高内阻微电流的电压信号，因此光电耦合器件的共模抑制比很大，所以，光电耦合器件可以很好的抑制干扰并消除噪音 。 4） 容易和逻辑电路配合 。 5） 响应速度快 。 光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒级 。 6） 无触点、寿命长，体积小，耐冲击 。 这里的光电耦合器选择 TLP521-1，其 TOP VIEW如图 3.8 所示： 图 3.8 TLP521-1引脚图 施密特触发器食脉冲波形变换中经常使用的一种电路，这里的施密特触发器选用 74LS14，其引脚图如图 3.9 所示 。 图 3.9 74LS14 引脚图 nts 高速公路多车道监控系统设计 17 3.1.4 单片机计数系统 一、 单片机的选择 一个控制系统的构成经常可以用单片机来较方便的完成，在本系统中选用可以安置于监测现场的 AT89C51 单片机，它具有结构简单、功耗低 。 抗干扰能力强等特 点 。 AT89C51是一种带 4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器 的低电压，高性能CMOS8 位微处理器，俗称单片机 。 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 的单片机 。 单片机的 可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次 。 该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容 。 由于将多功能 8位 CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C2051 是它的一种精简版本 。AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一 种灵活性高且价廉的方案 。 它是一种低损耗、高性能、 CMOS 八位微处理器，片内有 4k 字节的在线可重复编程快擦快写程度存储器，它不仅可完全代替 MCS 51系列单片机，而且能使系统具有许多 MCS 51系列产品没有的功能 。 AT89CS1可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低了系统成本 。 只要程序长度小于 4k，四个 1/ 0口全部提供给用户 。 可用 5v电压编程，而且擦写时间仅需 10毫秒，工作电压范围宽 2. 7V-6V，全静态工作，工作频率宽，在 0Hz- 24MHz内 。 在此时钟频率选用 12MHz。 此芯片还提供二级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制 。 AT89C51有如下主要特性： 1） 与 MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容 2） 片内有 4K字节可重复编程闪烁存储器 3） 寿命： 1000 写 /擦循环 4）数据保留时间： 10年 5） 全静态逻辑，工作频率 0Hz-24MHz 6） 三级程序加密 7） 128X8内部 RAM 8） 32位双向输入输出线 9） 两个 16位定时 器 /计数器 10） 二级中断优先级、 5个中断源的中断结构 nts 高速公路多车道监控系统设计 18 11） 一个全双 工异步串行口 12） 低功耗的闲置和掉 电模式 13）片内振荡器和时钟电路 AT89C51的管脚图 如图 3.10所示 。 图 3.10 AT89C51 引脚图 AT89C51的管脚说明如下 。 VCC：供电电压 。 GND：接地 。 P0口： 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： 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 。 nts 高速公路多车道监控系统设计 19 P2口： 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： 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 3.1表所示： 表 3.1 P3口的特殊功能表 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 。 RST：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 。 nts 高速公路多车道监控系统设计 20 ALE/PROG：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， 。 如果处理器在外部 执行状态 ALE 禁止，置位无效 。 /PSEN：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：当 /EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000H-FFFFH），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） 。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 。 XTAL2： 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 。 石晶振荡器和陶瓷振荡器均可以采用 。 如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2 应不接 。 由于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，但是必需要保证脉冲的高低电平要求的宽度 。 芯片擦除 整个 EPROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成 。 在芯片擦操作中，代码阵列全被写“ 1”，且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行 。 此外， AT89C51没有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻 辑，支持两种软件可选的掉电模式 。 在闲置模式下， CPU 停止工作 。 但 RAM、定时器、计数器、串口和工作系统仍在工作 。 在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其它芯片功能，直到下一个硬件复位为止 。 3.1.5 时钟单元 nts 高速公路多车道监控系统设计 21 根据实际应用要求，本系统应具有实时时钟功能，能提供具体地月、日、时、分信息 。 实现实时时钟功能有两种方法，即硬件乏和软件法 。 由于系统要实现各种策略，不希望实时时钟程序过多地占用 CPU的时间，所以通常不宜采用软件法，而采用硬件芯片来实现日历时钟功能 。 它可以节省 CPU的时间、提高效率，是一种 有效的方法 。 用硬件实现实时时钟设计时，对时钟芯片的选择常常从以下三个方面考虑：（ 1）芯片的功能要强，功耗低，外围电路简单，软件开销小；（ 2）性能价格比高； (3)可靠性好 。 具有日历时钟功能的芯片很多，如 OKI公司研制的 MSM5832、 MSM6242；Motorola公司研制的 MC146818； Dallas 公司推出的 DS1216、 DS12887/DS12C887等 。 本文再设计时根据比较和分析采用 DS12C887实时时钟芯片，它具有显示具体时间信息的功能，若设计调整和设置键盘，可以方便地对时间进行设置和调整，从 而为车流量的统计提供准确的时间数据 。 实时时钟芯片 DS12C887是美国 Dallas 公司生产的一种芯片 。 多种功能模块电路（晶体振荡器、振荡电路、充电电路和可充电锂电池等）封装在芯片的内部，组成一个加厚的集成电路模块 。 电路通电时，其充电电路模块便自动对充电电池充电，充足一次电可以供芯片运行半年之久，正常工作时可以保证时钟数据十年内不会丢失，其内部有专门的接口电路，从而使得外部电路时序要求十分简单，使它与各种微处理器得接口大大简化 。 使用时无需外围电路元件，只要选择引脚 MOT电平，即可和不同计算机总线连接 。 其内部 有 14个时钟控制寄存器，包括 10个时标寄存器， 4个状态寄存器和 114bit 作掉电保护用的低功耗 RAM。 CPU通过读 DS12C887的内部时标寄存器得到当前得时间和日历，也可以通过选择二进制或是 BCD码初始化芯片得 10个时标寄存器，其 4个状态寄存器用来控制和指出 DS12C887得当前工作状态， 114bit非易失性静态 RAM可以在掉电时保存一些重要数据 。 DS12C887主要具有以下技术特点： 1）具有完备得时钟、闹钟以及到 2100 年得日历功能，可以选择 12小时制计时或 24小时制记时，有 AM和 PM、星期等操作和 闰年自动补偿等功能 。 2）具有可编程选择的周期性中断方式和多频率输出的方波发生器功能 。 3）由于该芯片具有多种周期中断速率时钟中断功能，因此可以满足各种不同得待机要求，最长可以达到 24小时，使用非常方便 。 4）时标可以选择二进制或是 BCD码 。 nts 高速公路多车道监控系统设计 22 5）工作电压： 4.5 5.5V 6）工作电流： 7 15mA。 7）工作温度范围： 0 70 。 DS12C887采用 24引脚双列直插式封装，其引脚排列 如图 3.14所示 。 各个引脚的功能如下 。 图 3.14 DS12C887 引脚图 VCC：电源 。 不管输入电平高低如何，实时时钟都能连续工作，同事所有的RAM、时间、日历、报警、内存单元都不会丢失 。 GND：地 。 VCC 通过此管脚为芯片提供直流电源， VCC是 5V电压 。 当 5V电压再正常范围内接入，芯片可访问，数据可读写；当 VCC 低于 4.25V，读写被禁止，计时功能不受输入电压低的影响，仍可继续工作 。 SQW：方波输出 。 AD0 AD7：双向地址 /数据复用线 。 AS：地址选通，用于实现总线信号的分离， AS的下降沿是的地址锁入DS12C887。 MOT：计算机总线选择端 。 当与 VCC 连接时，选择 MOTOROLA 时序；当与 GND连接时，选择 INTEL 时序 。 此管脚有一个约 20K欧姆的内部下拉电阻 。 nts 高速公路多车道监控系统设计 23 /CS：片选端 。 再访问 DS12C887的总线周期内片选信号必须保持低电平有效
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