基于車流量的智能交通燈控制系統(tǒng)的設計說明

1、畢業(yè)設計課 題 名 稱基于車流量的智能交通燈控制系統(tǒng)的設計 摘要隨著現(xiàn)代社會對交通運輸?shù)娜遮呉蕾?，交通燈成為了人們生活中不可或缺的一部分。傳統(tǒng)的交通燈控制系統(tǒng)雖然在一定程度上可以滿足指揮路口交通的需要，但隨著城市規(guī)模的不斷擴大，原有的交通燈控制系統(tǒng)已經表現(xiàn)出明顯的缺點：紅綠燈時間相對固定，不能伴隨車流量的改變而調整紅綠燈的顯示時間。本論文以中、小城市區(qū)域交通控制為研究對象，以交通工程基本理論為基礎，結合當前的單片機應用技術，對智能交通燈控制系統(tǒng)進行了分析和研究。文章論述了基于AT89C51單片機的交通燈控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能根據路口車流量變化而改變交通燈閃亮時間，達到智能控制交通的目的。該系統(tǒng)具有

2、實用性強、操作簡單、擴展性好等特點。關鍵詞：車流量；交通燈；智能控制41 / 46ABSTRACTWith increasing reliance on transportation in modern society,Traffic lights have become an important part in pepoles daily lives. To some extent, traditional traffic control systems can meet the needs of the traffic junction, however, with the continu

3、ous expansion of city scale, the traditional traffic lights control systems haveshowed obvious shortcomings:a relatively fixed display time of traffic lights,which can not change as the different traffic flow at the crossing.In this thesis, according to basic traffic engineering theory, combined wit

4、h current technology and application of microcotroller, which does detai analysisand research on intelligent traffic lights control system. This article discusses traffic lights control systems based on AT89C51 microcontroller,which can display different time of traffic lights in accordance with the

5、 actual traffic flow, and achieve the purpose of intelligent control of traffic.Key words:Traffic flow; Traffic lights; Intelligent control目錄摘要IABSTRACTII目錄1第1章 緒論11.1 交通燈控制系統(tǒng)的發(fā)展11.2 課題研究的背景11.3 課題研究的主要容21.4 課題研究方案21.5 課題研究的意義5第2章單元電路設計62.1 單片機概述62.2 光電開關概述102.3 ULN2003芯片簡介122.4 七段數(shù)碼管132.5 電源電路設計142

6、.6 系統(tǒng)設計15第3章程序設計173.1 軟件可靠性設計173.2 主程序流程圖183.3 中斷程序流程圖193.4 匯編程序設計19第4章系統(tǒng)仿真與調試244.1 系統(tǒng)仿真244.2 系統(tǒng)調試29第5章 PCB制作305.1 PCB布局規(guī)則設置305.2 PCB布線規(guī)則設置315.3 轉印325.4 蝕刻325.5 元器件的安裝與焊接33總結35參考文獻36致37附錄I 系統(tǒng)總的原理圖38附錄II PCB頂層版圖39附錄III PCB底層版圖40附錄IV 元器件清單41第1章 緒論1.1 交通燈控制系統(tǒng)的發(fā)展1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍兩色的機械扳手式信號燈，

7、用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868年，英國機械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。由紅綠兩以旋轉式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。1914年，電氣啟動的紅綠燈出現(xiàn)在美國。這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，裝在紐約5號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。1918年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴音器來啟動紅綠燈，司機遇紅燈時按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當行人踏上對壓力敏感的路面時

8、，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯(lián)合國道路交通和道路標志信號協(xié)定對各種信號燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉彎和右轉彎，除非另一種標志禁止某一種轉向。左右轉彎車輛都必須讓合法地正在路口行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可以進入交叉路口。1.2 課題研究

9、的背景隨著城市機動車輛的不斷增加，許多大城市出現(xiàn)了交通超負荷運行的情況。因此，自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對高速道路的系統(tǒng)研究和控制。高速道路沒有充分發(fā)揮出預期的作用。而城市高速道路在構造上的特點，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費巨資修建的城市高速道路。緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。目前，國大部分中小城市仍采用傳統(tǒng)的交通燈控制

10、模式，但隨著城市的不斷發(fā)展，基于車流量的智能交通燈控制系統(tǒng)必將受到廣大人民的青睞。傳統(tǒng)的交通信號燈，通常采用定時分配方式控制，主要存在三方面的缺陷：（1）車道放行車輛時，十字路口經常出現(xiàn)不同相位上車輛放行時問一樣，車輛多的一方容易出現(xiàn)車輛堆積，造成下一路口的交通阻塞；（2）當某相位上無車時，恰好是該相位上的車輛通行時間，則在這段時間，就出現(xiàn)了交通指揮盲點；（3）當一路口車流量很大時，不能夠自動延長口的綠燈時間，導致在一個周期此路口的車輛不能完全通過。為了更好的解決上述問題，本系統(tǒng)利用傳感器檢測車流量狀態(tài)，用單片機AT89C51對路口車流量進行統(tǒng)計，并執(zhí)行相應的處理程序，來實現(xiàn)智能交通燈控制系統(tǒng)

11、，達到了根據車流量大小實時控制路口的通行情況。該交通系統(tǒng)的設計具有結構簡單、可靠性高、成本低、實時性好、安裝維護方便等優(yōu)點，具有廣泛的應用前景。1.3 課題研究的主要容本課題研究的容有如下幾個方面：（1）基于車流量的智能交通燈控制系統(tǒng)的工作原理。（2）基于車流量的智能交通燈控制系統(tǒng)的硬件設計。（3）車流量檢測原理與其硬件電路設計。（4）基于車流量的智能交通燈控制系統(tǒng)的程序設計。1.4 課題研究方案1.4.1 系統(tǒng)總體方案通過對課題研究容的理解，并考慮系統(tǒng)的性價比，得到系統(tǒng)的總體方案。紅綠燈顯示模塊數(shù)碼管顯示模塊車流量檢測信號AT89C51單片機電源模塊圖1.1 系統(tǒng)方框圖1.4.2 車流量檢測

12、方案方案一：采用遙感微波檢測器(RTMS)。微波交通檢測器是利用雷達線性調頻技術原理，通過發(fā)射中心頻率為10.525GHz或24.200GHz的連續(xù)頻率調制微波(FMCW)；在檢測路面上，投映一個寬度為3-4米，長度為64米的微波帶。每當車輛通過這個微波投映區(qū)時，都會向RTMS反射一個微波信號，RTMS接收反射的微波信號，并計算接收頻率和時間的變化參數(shù)以得出車輛的速度與長度，提供車流量、道路占有率、速度和車型等實時信息。為了檢測出車道上車的數(shù)量，RTMS在微波束的發(fā)射方向上以2M為一個層面分展探測物體，微波束在15度圍投影形成一個分為32個十層面的橢圓形波束，(橢圓的寬度取決于儀器選擇的工作方

13、式)，通過這種方式可檢測出車量數(shù)RTMS具有兩種基本的使用模式，分別是路邊側向模式和前方正向模式。路邊側向模式可以使用一臺RTMS同時檢測多至8條車道，并提供每條車道的交通信息。前方正向模式，用一臺RTMS實時檢測一條單一車道的交通情況。RTMS的檢測精度高，且是一個全天候的車輛檢測器。方案二：采用磁感應車輛檢測器.這種環(huán)形線圈檢測器是傳統(tǒng)的交通檢測器，是目前世界上用量最大的一種檢測設備。這些埋設在道路表面下的線圈可以檢測到車輛通過時的電磁變化進而精確地算出交通流量。交通流量是交通統(tǒng)計和交通規(guī)劃的基本數(shù)據，通過這些檢測結果可以用來計算占用率(表征交通密度)， 在使用雙線圈模式時還可以提供速度、

14、車輛行駛方向、車型分類等數(shù)據，這些數(shù)據對于交通管理和統(tǒng)計是極為重要的。原理方框圖如下：環(huán)形檢測器1環(huán)形檢測器n自定義總線控制單元調制解調器監(jiān)控中心圖1.2 磁檢測器方框圖該方案測量精度較好，且性能穩(wěn)定。方案三：利用紅外線車輛檢測器。紅外線車輛檢測器是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，通過同步回路檢測物體有無。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關將輸入電流在發(fā)射器上轉換為光信號射出，接收器再根據接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。如當汽車通過光掃描區(qū)域時，部分或全部光束被遮擋，從而實現(xiàn)對車輛數(shù)據的綜合檢測。紅外線車輛掃描系統(tǒng)提供了車輛輪廓掃描的解決方案，并提供車輛分離信

15、號，同時還能夠檢測掛鉤是否存在與其位置，由于光學產品的高速響應，當車速低于100公里/小時，系統(tǒng)可對車輛間距0.3米車輛實現(xiàn)可靠的分離檢測并抓取車輛輪廓數(shù)據，當車速低于200公里/小時，對車輛間距0.6米的車輛實現(xiàn)可靠的分離檢測并抓取輪廓數(shù)據，系統(tǒng)可自動分類超過100種車型，車輛自動分類的準確率超過99。常利用光電開關技術成熟，高速響應，可輸出豐富的車輛數(shù)據信息，能可靠檢測各種特殊車輛?？垢蓴_性強，不受惡劣氣象條件或物體顏色的影響，安裝簡便。方案一造價高，且易受環(huán)境影響，方案二需將檢測器埋入地底下，對已建成道路使用不方便。方案三性價比高，且設計簡單，權衡利弊，故選用方案三。1.4.3 主控制器

16、選擇方案一：采用數(shù)字電路設計。通過譯碼器，計數(shù)器，以與555定時器等組成一個交通燈控制系統(tǒng)，雖然易于實現(xiàn)，但由于涉與的集成數(shù)字芯片較多，且不便于實現(xiàn)車流量檢測信號的輸入，故很難完成系統(tǒng)設計任務。方案二：采用AT89C51單片機作為主控制器。AT89C51具有兩個16位定時器/計數(shù)器，5個中斷源，便于對車流量進行定時中斷檢測。32根I/O線，使其具有足夠的I/O口驅動數(shù)碼管與交通燈。外部存貯器尋址圍ROM、RAM64K，便于系統(tǒng)擴展。其T0，T1口可以對外部脈沖進行實時計數(shù)操作，故可以方便實現(xiàn)車流量檢測信號的輸入。單片機具有功耗小、速度快、價格低等優(yōu)點，且編程簡單，故選用方案二。1.4.4 顯示

17、方案選擇該系統(tǒng)要求完成倒計時、狀態(tài)燈等顯示功能?；谏鲜鲈颍覀兛紤]了三種方案：方案一：完全采用數(shù)碼管顯示。這種方案只顯示有限的符號和數(shù)碼字符，無法勝任題目要求。方案二：完全采用點陣式LED顯示。這種方案實現(xiàn)復雜，且須完成大量的軟件工作；但功能強大，可方便的顯示各種英文字符，漢字，圖形等。方案三：采用數(shù)碼管與點陣LED相結合的方法因為設計既要求倒計時數(shù)字輸出，又要求有狀態(tài)燈輸出等，為方便觀看并考慮到現(xiàn)實情況，用數(shù)碼管與LED燈分別顯示時間與狀態(tài)信息。這種方案既滿足系統(tǒng)功能要求，又減少了系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜度。權衡利弊，第三種方案可互補一、二方案的優(yōu)缺，我們決定采用方案三以實現(xiàn)系統(tǒng)的顯示功能。1.5

18、 課題研究的意義本文設計的交通信號控制系統(tǒng)既可以用在單個路口實現(xiàn)獨立的智能交通控制功能，也可以多個單路口系統(tǒng)組建網絡實現(xiàn)一個區(qū)域或者一個城市的交通協(xié)調。本系統(tǒng)組網時需要傳輸?shù)臄?shù)據量較小，便于組成網絡結構和遠距離信息傳輸。所組成的網絡結構簡單，易于維護，運行穩(wěn)定。對基于車流量的智能交通燈控制系統(tǒng)進行設計目的在于對所學知識的綜合運用，將理論知識與實際應用相結合?；谲嚵髁康闹悄芙煌艨刂葡到y(tǒng)設計意義重大，特別在人口密度集中的中國，它起著更重要的作用。最直接的作用是改善車輛的堵塞狀況，減少車輛的等待時間，增加單位時間的通行量，從而解決交通擁擠的問題。另外的社會經濟效益是：減少交通事故的發(fā)生率、人員的

19、死亡率；推動相關產業(yè)的發(fā)展，增加就業(yè)崗位，促進社會經濟的健康發(fā)展；減少能源消耗量，降低環(huán)境污染程度。此設計尤其適合中、小城市的十字路口交通控制，具有安裝簡單，使用方便，價格實惠等優(yōu)點，毫無疑問具有廣泛的應用前景。第2章 單元電路設計2.1 單片機概述2.1.1 單片機發(fā)展單片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是頗具生命力的機種。單片機微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領域，故又稱為微控制器。通常，單片機由單塊集成電路芯片構成，部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器和I/O接口電路等。因此，單片機只需要和適當?shù)能浖c外部設備相結合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。單片機經過1、2

20、、3三代發(fā)展，目前單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，它們的CPU功能在增強，部資源在增多，引腳的多功能化，以與低電壓低功耗。2.1.2AT89C51單片機簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能的CMOS8位微處理器，單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。

21、AT89C51的部結構圖如下：圖2.1 AT89C51部結構圖AT89C51單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元與數(shù)據總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在分別加以說明：(1)中央處理器：中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據或代碼，CPU負責控制、指揮和調度整個單元系統(tǒng)協(xié)調的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。(2)數(shù)據存儲器(RAM)89C51部有128個8位用戶數(shù)據存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據，

22、用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據，運算的中間結果或用戶定義的字型表。(3)程序存儲器(ROM)：89C51共有4KB掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據或表格。(4)定時/計數(shù)器(ROM)：89C51有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產生中斷用于控制程序轉向。(5)并行輸入輸出(I/O)口：89C51共有4組8位I/O口(P0、P1、P2和P3)，用于對外部數(shù)據的傳輸。(6)全雙工串行口：89C51置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數(shù)據傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。(7)

23、中斷系統(tǒng)：89C51具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。(8)時鐘電路：89C51置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產生整個單片機運行的脈沖時序，但89C51單片機需外置振蕩電容。單片機的結構有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard)結構，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據存儲器合二為一的結構，即普林斯頓(Princeton)結構。INTEL的MCS-51系列單片機采用的是哈佛結構的形式，而后續(xù)產品16位的MCS-96系列單片機則采用普林斯頓結構。AT89C5

24、1單片機的引腳說明：MCS-51系列單片機中的8031、8051與8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結構，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復用。其常用封裝形勢如下：圖2.2 DIP封裝 圖2.3 PQFP/TQFP封裝 引腳說明：Pin9：RESET/Vpd復位信號復用腳，當89C51通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指針寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低

25、電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，與89C51的初始態(tài)。89C51的復位方式可以是自動復位，也可以是手動復位，如圖2.4。此外，RESET/Vpd還是一復用腳，Vcc掉電期間，此腳可接備用電源，以保證其部RAM的數(shù)據不丟失1。圖2.4 兩種復位電路Pin30：AE/當訪問外部程序器時，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問部程序存儲器時，ALE端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當訪問外部程序存儲器，ALE會跳過一個脈沖。如果單

26、片機是EPROM，在編程其間，將用于輸入編程脈沖。Pin29：當訪問外部程序存儲器時，此腳輸出負脈沖選通信號，PC的16位地址數(shù)據將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲器則把指令數(shù)據放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。Pin31：EA/Vpp程序存儲器的外部選通線，89C51置有4kB的程序存儲器，當EA為高電平并且程序地址小于4kB時，讀取部程序存儲器指令數(shù)據，而超過4kB地址則讀取外部指令數(shù)據。如EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。顯然，對部無程序存儲器的8031，EA端必須接地。在編程時，EA/Vpp腳還需加上21V的編程電壓2。2.2 光電開關概述2.2.1 光電開關

27、的工作原理光電開關（光電傳感器）是光電接近開關的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關將輸入電流在發(fā)射器上轉換為光信號射出，接收器再根據接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。其工作原理圖如下：圖2.5 光電開關工作原理簡圖發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來于半導體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管與紅外發(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用該

28、信號。2.2.2 光電開關的分類光電開關按檢測方式可分為反射式、對射式和鏡面反射式三種類型。 對射式檢測距離遠，可檢測半透明物體的密度（透光度）。反射式的工作距離被限定在光束的交點附近，以避免背景影響。鏡面反射式的反射距離較遠，適宜作遠距離檢測，也可檢測透明或半透明物體。表2.1給出了光電開關的檢測分類方式與特點說明。表2.1 光電開關的按檢測方式分類表光電開關按結構可分為放大器分離型、放大器藏型和電源藏型三種。放大器分離型是將放大器與傳感器分離，并采用專用集成電路和混合安裝工藝制成，由于傳感器具有超小型和多品種的特點，而放大器的功能較多。因此，該類型采用端子臺連接方式，并可交、直流電源通用。

29、具有接通和斷開兩種延時功能，兼有接點和電平兩種輸出方式。放大器藏型是將放大器與傳感器一體化，采用專用集成電路和表面安裝工藝制成，使用直流電源工作。其響應速度快，有0.1ms和1ms兩種，能檢測狹小和高速運動的物體。兼有電壓和電流兩種輸出方式，能防止相互干擾，在系統(tǒng)安裝中十分方便。電源藏型是將放大器、傳感器與電源裝置一體化，采用專用集成電路和表面安裝工藝制成，它一般使用交流電源，適用于在生產現(xiàn)場取代接觸式行程開關?？芍苯佑糜趶婋娍刂齐娐?，也可自行設置自診斷穩(wěn)定工作區(qū)指示燈，輸出備有SSR固態(tài)繼電器或繼電器常開、常閉接點，可防止相互干擾。2.2.3 光電開關的應用隨著我國工業(yè)自動化技術的迅速發(fā)展，

30、光電開關自動化元件將被普遍采用。應用領域也在不斷擴展，采用集成電路技術和SMT表面安裝工藝而制造的新一代光電開關器件，具有延時、展寬、外同步、抗相互干擾、可靠性高、工作區(qū)域穩(wěn)定和自診斷等智能化功能。這種新穎的光電開關是一種采用脈沖調制的主動式光電探測系統(tǒng)型電子開關，它所使用的冷光源有紅外光、紅色光、綠色光和藍色光等，可非接觸、無損傷地檢測和控制各種固體。新型光電開關具有體積小、功能多、壽命長、精度高、響應速度快、檢測距離遠以與抗光、電、磁干擾能力強等優(yōu)點。目前，這種新型的光電開關已被用作物位檢測、液位控制、產品計數(shù)、寬度判別、速度檢測、定長剪切、孔洞識別、信號延時、自動門傳感、色標檢出、沖床和

31、剪切機以與安全防護等諸多領域。在本系統(tǒng)中，采用對射式紅外線光電開關HJS18-M14DNK檢測車流量。HJS18-M14DNK工作電壓為直流10-30V，檢測距離為10m，響應時間小于3ms,能在-2555的溫度條件下正常工作。當有車輛通過光電開關之間時，輸出端將輸出一個開關信號，送入單片機，單片機執(zhí)行相應程序自動對輸入信號進行計數(shù)，從而完成對車流量的統(tǒng)計。2.3 ULN2003芯片簡介2.3.1ULN2003概述ULN2003是具有高耐壓、大電流，部由七個硅NPN達林頓管組成的驅動芯片。它的每一對達林頓都串聯(lián)一個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

32、接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據。ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以與高負載電流并行運行6。2.3.2ULN2003的部結構ULN2003的部結構方框圖如下：圖2.6 ULN2003部結構圖ULN2003經常應用于顯示驅動、繼電器驅動、照明燈驅動、電磁閥驅動伺服電機、步進電機驅動等電路中。2.4 七段數(shù)碼管數(shù)碼管是一種半導體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。分段式數(shù)碼管由分布在同一平面上若干段發(fā)光的筆畫組成，如半導體顯示器。其基本結構是PN結，即用發(fā)光二極管（LED）組成字型來來顯示數(shù)字。這種數(shù)碼管的每個線段都是一個

33、發(fā)光二極管，因此也稱LED數(shù)碼管或LED七段顯示器。共陽數(shù)碼管（如圖2.7）在應用時應將公共極COM接到+5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮。當某一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應用時應將公共極COM接到地線GND上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應字段就點亮。當某一字段的陽極為低電平時，相應字段就不亮。七段數(shù)碼管各段對應代碼如圖2.87。圖2.7 共陽極數(shù)碼管結構圖圖2.8 數(shù)碼管各段對應代碼圖2.5 電源電路設計2.5.1 三端穩(wěn)壓器簡介三端穩(wěn)壓器，主要有兩種：

34、一種輸出電壓是固定的，稱為固定輸出三端穩(wěn)壓器；另一種輸出電壓是可調的，稱為可調輸出三端穩(wěn)太器。其基本原理一樣，均采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。在線性集成穩(wěn)壓器中，由于三端穩(wěn)壓器只有三個引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能穩(wěn)定，價格低廉等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。三端穩(wěn)壓器的通用產品有78系列（正電源）和79系列（負電源），輸出電壓由具體型號中的后面兩個數(shù)字代表，有5V，6V，8V，9V，12V，15V，18V，24V等檔次。輸出電流以78（或79）后面加字母來區(qū)分。L表示0.1，AM表示0.5A，無字母表示1.5A，如78L05表示5V，0.1A。2.5.2 電源電路圖本設計需要提供兩種穩(wěn)定電壓，為了

35、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用雙電源分別對其提供穩(wěn)定電壓。故選擇MC7805穩(wěn)壓器提供單片機+5V電壓，MC7812穩(wěn)壓器提供光電開關+15V電壓。其應用電路如下：圖2.9 +5V三端穩(wěn)壓電源圖2.10 +12V三端穩(wěn)壓電源2.6 系統(tǒng)設計根據系統(tǒng)設計要求，結合各單元電路，得到如下的系統(tǒng)原理圖。圖2.11 系統(tǒng)原理圖（1）系統(tǒng)工作狀態(tài)說明：光電開關將檢測到的車流量脈沖信號送入單片機的T1口，T1對輸入脈沖計數(shù)，同時單片機T0口對其定時，在設置的一段時間（如1分鐘），通過單片機定時器T0的溢出中斷，將計數(shù)值送回，單片機通過執(zhí)行相應的程序，從而控制交通狀態(tài)燈切換與數(shù)碼管的倒計時時間顯示。單片機根據車流量變

36、化具體工作狀態(tài)如下： 當定時時間，執(zhí)行定時中斷T0，單片機將T1的計數(shù)值送給車流量檢測變量CAR_NUMBEERS，單片機每執(zhí)行一次程序，都將掃描該變量的值。當CAR_NUMBERS大于25輛/分，執(zhí)行狀態(tài)：東西方向綠燈，南北方向紅燈，倒計時40秒，然后東西黃燈5秒，南北保持紅燈5秒，緊接著東西紅燈，南北方向綠燈，倒計時25秒后，南北亮黃燈5秒，東西保持紅燈狀態(tài)5秒后，重新掃描。 當系統(tǒng)剛開始工作或者CAR_NUMBERS大于或等于15輛/分，小于或等于25輛/分，將執(zhí)行狀態(tài)：東西方向綠燈，南北方向紅燈，倒計時30秒，然后東西黃燈5秒，南北保持紅燈5秒，緊接著東西紅燈，南北方向綠燈，倒計時25

37、秒后，南北亮黃燈5秒，東西保持紅燈狀態(tài)5秒后，重新掃描。 當CAR_NUMBERS小于15輛/分，執(zhí)行狀態(tài)：東西方向綠燈，南北方向紅燈，倒計時50秒，然后東西黃燈5秒，南北保持紅燈5秒，緊接著東西紅燈，南北綠燈，倒計時45秒后，南北亮黃燈5秒，東西保持紅燈5秒后，重新掃描4。（2）相關參數(shù)說明交通量counts：是指在選定的時間段，通過道路某一地點、某一斷面或某一條車道的車輛實體數(shù)。交通量是一個隨機數(shù)，不同時間、不同地點的交通量都是變化的，交通量隨時間和空間變化的現(xiàn)象，稱之為交通量的時空分布特性。通常取某一時間段的平均值作為該時間段的交通量。參考時間t：為了更準確地表示某個路口的車流量，選擇一

38、個適合的時間段作為參考值，即參考時間。車流量CAR_NUMBERS：指單位時間通過某一地點、某一斷面或某一條車道的車輛實體數(shù)。具體關系如下：CAR_NUMBERS= counts/t (輛/分)第3章 程序設計3.1 軟件可靠性設計在單片機軟件程序的設計中，采用一些措施來提高單片機系統(tǒng)工作的可靠性。軟件抗干擾研究的容主要有：一、消除模擬輸入信號的嗓聲（如數(shù)字濾波技術）；二、程序運行混亂時使程序重入正軌的方法。這里針對后者提出幾種有效的軟件抗干擾方法。 （1）指令冗余技術 單片機CPU取指令過程是先取操作碼，再取操作數(shù)。當PC受干擾出現(xiàn)錯誤，程序便脫離正常軌道“亂飛”，當亂飛到某雙字節(jié)指令，若取

39、指令時刻落在操作數(shù)上，誤將操作數(shù)當作操作碼，程序將出錯。若“飛”到了三字節(jié)指令，出錯機率更大。 在關鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令，或將有效單字節(jié)指令重寫稱為指令冗余。通常是在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個字節(jié)以上的NOP。這樣即使亂飛程序飛到操作數(shù)上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被當作操作數(shù)執(zhí)行，程序自動納入正軌。 此外，對系統(tǒng)流向起重要作用的指令如RET、 RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入兩條NOP，也可將亂飛程序納入正軌，確保這些重要指令的執(zhí)行。 （2）軟件陷阱技術 當亂飛程序進入非程序區(qū)，冗余指令便無法起作用。通過設置軟件陷阱，攔截亂飛程序，將其引向指

40、定位置，再進行出錯處理。軟件陷阱是指用來將捕獲的亂飛程序引向復位入口地址0000H的指令。 例如，對于8051單片機，通常在單片機程序存儲器中非程序區(qū)填入以下指令作為軟件陷阱： NOPNOPLJMP0000H 在用戶程序區(qū)各模塊之間的空余單元也可填入陷阱指令。當使用的中斷因干擾而開放時，在對應的中斷服務程序中設置軟件陷阱，能與時捕獲錯誤的中斷。如某應用系統(tǒng)雖未用到外部中斷1，外部中斷1的中斷服務程序可為如下形式： NOPNOPRETI 返回指令可用“RETI”，也可用“LJMP0000H”。如果故障診斷程序與系統(tǒng)自恢復程序的設計可靠、完善，用“LJMP0000H”作返回指令可直接進入故障診斷程

41、序，盡早地處理故障并恢復程序的運行11?？紤]到程序存儲器的容量，軟件陷阱一般1K空間有2-3個就可以進行有效攔截。 （3）軟件“看門狗”技術 若失控的程序進入“死循環(huán)”，通常采用“看門狗”技術使程序脫離“死循環(huán)”。通過不斷檢測程序循環(huán)運行時間，若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時間超過最大循環(huán)運行時間，則認為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，需進行出錯處理?！翱撮T狗”技術可由硬件實現(xiàn)，也可由軟件實現(xiàn)。 在工業(yè)應用中，嚴重的干擾有時會破壞中斷方式控制字，關閉中斷。則系統(tǒng)無法定時“喂狗”，硬件“看門狗”電路失效。而軟件“看門狗”可有效地解決這類問題3。3.2 主程序流程圖圖3.1 主程序流程圖3.3 中斷程序流程圖圖3.2 中斷程

42、序流程圖3.4 匯編程序設計程序清單：ORG 0000HLJMP 100HORG 000BHLJMP T0_INTERUPTORG 100HEAST_GREEN DATA 70HEAST_YELLOW DATA 71HEAST_RED DATA 72HCAR_NUMBERS DATA 73HMOV 73H,#20 ;車流量初值START: MOV DPTR,#TAB MOV P3,#00H MOV SP,#60H MOV R3,#250 ;中斷延時15S MOV R4,#00H ; MOV TMOD,#01010001B MOV TH0,#15H MOV TL0,#0A0H ;60MS初值 M

43、OV TH1,#00H MOV TL1,#00H MOV IE,#82H ;開放T0中斷 SETB TR0 SETB TR1 SETB P3.5 ;I/O口輸入數(shù)據前需將其先置1LOOP: CLR P3.7 ;中斷檢驗位清0 MOV A,CAR_NUMBERS CJNE A,#25,LOOP1LOOP1:JNC STATE1CJNE A,#15,LOOP2LOOP2:JC STATE3LJMP STATE2STATE1: MOV EAST_GREEN,#40 ;車流量大于25時，顯示狀態(tài)1 MOV EAST_YELLOW,#5 MOV EAST_RED,#25 LJMP STATESTATE2

44、: MOV EAST_GREEN,#30 ;車流量處于15和25之間，顯示狀態(tài)2 MOV EAST_YELLOW,#5 MOV EAST_RED,#25 LJMP STATESTATE3: MOV EAST_GREEN,#50;車流量小于15時，顯示狀態(tài)3 MOV EAST_YELLOW,#5 MOV EAST_RED,#45 LJMP STATESTATE: MOV R0,EAST_GREEN ;東西綠燈，南北紅燈 MOV P1,#11011110BSTATE_1: LCALL T0_BCD LCALL DISPLAY LCALL DELAY_1S DJNZ R0,STATE_1STATE_

45、2: MOV R0,EAST_YELLOW ;顯示黃燈MOV P1,#11101110B ;低電平有效，東西由綠燈變?yōu)榧t燈時才需要亮黃燈，南北繼續(xù)紅燈STATE_22: LCALL T0_BCD LCALL DISPLAY LCALL DELAY_1S MOV P1,#11111110B MOV 74H,#100WAIT1: DJNZ 74H,WAIT1 MOV P1,#11101110B DJNZ R0,STATE_22STATE_3: MOV R0,EAST_RED ;東西紅燈，南北綠燈 MOV P1,#11110011BSTATE_33: LCALL T0_BCD LCALL DISPL

46、AY LCALL DELAY_1S DJNZ R0,STATE_33STATE_4: MOV R0,EAST_YELLOW ;顯示黃燈，南北由綠燈變?yōu)榧t燈時才需要亮黃燈，東西繼續(xù)紅燈 MOV P1,#11110101BSTATE_44: LCALL T0_BCD LCALL DISPLAY LCALL DELAY_1S MOV P1,#11110111B MOV 74H,#100WAIT2: DJNZ 74H,WAIT2 MOV P1,#11110101B DJNZ R0,STATE_44LJMP LOOPT0_BCD: MOV A,R0;BCD轉換MOV B,#10DIV ABMOV R1,

47、B ;個位數(shù)值MOV R2,A ;十位數(shù)值RETDISPLAY: ;靜態(tài)顯示LOW_DIS:MOV A,R1MOVC A,A+DPTRMOV P0,AHIGH_DIS:MOV A,R2MOVC A,A+DPTRMOV P2,ARETT0_INTERUPT:PUSH ACCDJNZ R3,AGAINMOV R3,#250INC R4CJNE R4,#4,AGAIN ;車流量檢測周期15*4=60SSETB P3.7 ;檢驗中斷是否發(fā)生MOV R4,#00HMOV CAR_NUMBERS,TL1MOV TL1,#0MOV TH1,#0AGAIN:MOV TH0,#15HMOV TL0,#0A0HP

48、OP ACCNOPNOPRETIDELAY_1S:MOV R7,#10;延時1s程序DEL1:MOV R6,#200DEL2:MOV R5,#248DJNZ R5,$DJNZ R6,DEL2DJNZ R7,DEL1RETTAB:DB 3fh,06h,5bh,4fh,66h,DB 6dh,7dh,07h,7fh,6fhEND第4章 系統(tǒng)仿真與調試4.1 系統(tǒng)仿真4.1.1 Protues仿真軟件簡介Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與仿真軟件。Proteus是目前最好的模擬單片機外圍器件的工具，它可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU與其外圍電路（如LCD，RAM，

49、ROM，鍵盤，馬達，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IC器件）。本文基于Proteus6.7SP3和KEILuVision3軟件。運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)數(shù)字電路、模擬電路、數(shù)?；旌想娐罚悄壳拔ㄒ荒軐崿F(xiàn)對51、PIC、AVR、HC11等處理器的仿真軟件。該軟件的特點是：(1)集原理圖設計、仿真和PCB設計于一體，實現(xiàn)從概念到產品的完整開發(fā)工具。(2)具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機與其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真，是獨一無二的支持處理器與外圍電路的協(xié)同仿真電路設計軟件。(3)具有全速、單步、設置斷點等多種形式的調試功能。(4)具有各種信號源和電路

50、分析所需的虛擬儀表，是電類教學實驗與創(chuàng)新的平臺。(5)支持Keil C51 uVision2、MPTLAB等第三方的軟件編譯和調試環(huán)境。(6)具有強大的原理圖到PCB板設計功能，可以輸出多種格式的電路設計報表。4.1.2 仿真原理圖Proteus軟件具有仿真功能，要仿真首先要繪制原理圖。點擊圖標打開Proteus軟件，進入繪圖界面后點擊按扭，點擊出現(xiàn)的元件列表框上方的按扭，在出現(xiàn)的“pickdevice”中的“keywords”下面的框中輸入元器件的名字，或者在category中找到元器件的名字；雙擊元器件名稱或者點擊，在元件列表框中就會出現(xiàn)所選的元器件。再點擊按扭，在元件列表框中選擇地線和電

51、源。選好所有的元器件后單擊元件列表中的圖標就可以把所需要的元件放入編輯窗口中，調整元件的位置，并把地線和電源放入編輯窗口中，最后進行連線。通過在T1口接入一個開關，模擬光電開關信號，手動控制開關的脈沖數(shù)，即為需要模擬的車流量，從而達到仿真效果。系統(tǒng)仿真圖如下：圖4.1 系統(tǒng)仿真圖4.1.3 加載仿真程序單擊“Debug”菜單，在下拉菜單中單擊“Go”選項，（或者使用快捷鍵F5），然后再單擊“Debug”菜單，在下拉菜單中單擊“StopRunning”選項（或者使用快捷鍵Esc）；再單擊“View”菜單，再在下拉菜單中單擊“SerialWindows #1”選項，就可以看到程序運行后的結果。單擊

52、“Project”菜單，在下拉菜單中單擊“”單擊“Output”中單擊“Create HEX File”選項，使程序編譯后產生HEX代碼，供下載器軟件使用，把程序下載到AT89C51單片機中4。4.1.4 系統(tǒng)仿真單擊仿真界面左下方的開始按扭，仿真就開始了。具體仿真過程如下：當交通燈開始工作后，執(zhí)行默認狀態(tài)，系統(tǒng)自動進入狀態(tài)：東西方向綠燈，南北方向紅燈，倒計時30秒，然后東西黃燈5秒，南北保持紅燈5秒，緊接著東西紅燈，南北方向綠燈，倒計時25秒后，南北亮黃燈5秒，東西保持紅燈狀態(tài)5秒后，重新掃描；仿真結果如圖所示：圖4.2 默認狀態(tài)仿真圖當手動按下開關，頻率小于15次/分時，執(zhí)行狀態(tài)：東西方向

53、綠燈，南北方向紅燈，倒計時50秒，然后東西黃燈5秒，南北保持紅燈5秒，緊接著東西紅燈，南北方向綠燈，倒計時45秒后，南北亮黃燈5秒，東西方向保持紅燈狀態(tài)5秒后，重新掃描；仿真結果如圖所示：圖4.3 狀態(tài)仿真圖當手動按下開關，頻率大于15次/分，小于或等于25次/分，執(zhí)行狀態(tài)：東西方向綠燈，南北方向紅燈，倒計時30秒，然后東西黃燈5秒，南北保持紅燈5秒，緊接著東西紅燈，南北方向綠燈，倒計時25秒后，南北方向亮黃燈5秒，東西方向保持紅燈狀態(tài)5秒后，重新掃描；仿真結果如圖所示：圖4.4 狀態(tài)仿真圖當手動按下開關，頻率大于25次/分，執(zhí)行狀態(tài)：東西方向綠燈，南北方向紅燈，倒計時40秒，然后東西黃燈5秒

54、，南北保持紅燈5秒，緊接著東西紅燈，南北方向綠燈，倒計時25秒后，南北亮黃燈5秒，東西保持紅燈狀態(tài)5秒后，重新掃描；仿真結果如圖所示：圖4.5 狀態(tài)仿真圖4.2 系統(tǒng)調試經過對該系統(tǒng)進行測試，遇到了如下問題，通過不斷的調試，得出了相應的解決方案。(1)當開啟系統(tǒng)仿真時，交通燈正常工作，數(shù)碼管卻顯示出亂碼。數(shù)碼管采用的是共陽極七段數(shù)碼管，檢查程序中共陽極數(shù)碼管的顯示代碼，沒有發(fā)現(xiàn)問題。故首先排除程序錯誤原因。由于P0與P2口均外接了一個ULN2003A芯片，猜想問題與該芯片有關。去掉該芯片，連接好電路后，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管倒計時顯示正常，但顯示較暗。此時，已找到問題所在。原因如下：一方面，ULN2003A芯片是一種反向芯片，它具有使輸入信號反向的功能，故I/O口輸出的是共陰極代碼信號，而程序中使用的仍然是共陽極數(shù)碼管顯示代碼，因而出現(xiàn)亂碼。另一方面，ULN2003A具有提高I/O口驅動能力的作用，去掉此芯片后，I/O口的帶負載能力明顯減弱，從而顯示變暗。綜上原因，得出如下解決方案：將程序中的共陽極數(shù)碼管顯示代碼換成共陰極顯示代碼，其他部分不變。更改之后，數(shù)碼管倒計時顯示，且顯示明亮。(2)測試過程中，發(fā)現(xiàn)無論從綠燈狀態(tài)切換到紅燈，還是從紅燈切換到綠燈狀態(tài)，都需要先轉換到黃燈，才能完成