【文章內(nèi)容簡介】 依據(jù)軸數(shù)，軸距和輪胎規(guī)格對機(jī)動車進(jìn)行自動識別和分類，并利用人工抽樣的方法進(jìn)行分類。本儀 器實(shí)現(xiàn)了交通流量的自動統(tǒng)計的同時，可以測定車速，能夠自動區(qū)分上、下行，自動顯示上、下行的車輛總數(shù)及四種車型的車輛數(shù)，記錄的結(jié)果自動計算；可將記錄的數(shù)據(jù)存貯在EEPROM 中。 可選方案優(yōu)化設(shè)計 假設(shè)整個路面寬為 12m,上、下車道分別安裝兩對紅外電開關(guān)和兩個線圈傳感器。兩對紅外電開關(guān)之間的距離為 3000mm，紅外電開關(guān)據(jù)路面的高度為 300mm，按垂直干道路縱線排列。用以獲得輪胎的遮光信號。在每個車道的路邊一側(cè)每隔 1m安裝一個線圈傳感器以檢測機(jī)動車。 以圖 3 中的紅外傳感器 S S2 為例，當(dāng)車輛的前輪到達(dá) S1 時單片機(jī)開始計時，當(dāng)前輪到達(dá) S2 時記錄下這段時間為 T1。 S1 到 S2 的距離 L 已知，故車輛的速度 V=L/T1。從前輪到 S2 開始到后輪到達(dá) S1 的這段時間 T2 是軸距通過的時間，由于速度 V 及時間T2 都已經(jīng)知道，故軸距 d=V*T2=L/T1*。當(dāng)前輪擋住 S1 的脈沖寬度為 T3，則該輪胎在離地面 300mm 高度處的弦長 r=L/T1*T3。通過對 S1 或 S2 上的脈沖計數(shù)，就得到了車輛的軸數(shù)。測量過程如圖 4 所示。 根據(jù)對國產(chǎn)及進(jìn)口的大量機(jī)動車的軸距、軸數(shù)、輪胎規(guī)格三個參數(shù)的統(tǒng)計分析，列河北工程大學(xué)信電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 14 出車輛的分類表，單 片機(jī)測量出 T T T3 及 N 后，計算出 d 與 r，然后與車輛分類表上的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，做出分類判斷，從而完成了機(jī)動車的檢測和識別分類，并有單片機(jī)記錄。由人工進(jìn)行抄錄通過的車輛總數(shù)、機(jī)動車數(shù)、非機(jī)動車數(shù)、人力車數(shù)及各種車型數(shù)。 圖 3 傳感器的安裝位置圖 圖 4 測量過程的波形圖 由以上分析，可確定最優(yōu)的設(shè)計方案為圖 5 所示。主要包括外殼、紅外傳感器、線圈傳感器、接口電路、鍵盤、 LED 顯示、單片機(jī)、存儲器及 5V、177。 12V 開關(guān)電源的設(shè)計。 河北工程大學(xué)信電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 15 圖 5 優(yōu)化方案總體 結(jié)構(gòu) 第三章 硬件設(shè)計 硬件電路的主要元器件選型及技術(shù)指標(biāo) 主控機(jī)芯片的選取 根據(jù)本設(shè)計的技術(shù)要求及主要任務(wù)，選 AT89S51單片機(jī)。 AT89S52是一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52主要性能參數(shù)： 與 MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 8K字節(jié)在系統(tǒng)編程（ ISP） Flash閃速存儲器 1000次擦鞋周期 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz 256 8字節(jié)內(nèi)部 RAM 三級加密程序存儲器 32個可編程 I/O口線 單片機(jī) 電源 電壓檢測及看門狗 鍵盤 晶振 液晶驅(qū)動及顯示 聲音提示 欠壓指示 紅外傳感器 線圈傳感器 接口電路 段選及位選 河北工程大學(xué)信電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 16 3個 16位定時器 /計數(shù)器 6個中斷源 全雙工 UART串行通道 低功耗空閑和掉電模式 掉電后中斷可喚醒 看門狗定時器 雙數(shù)據(jù)指針 掉電標(biāo)識符 靈活的在系統(tǒng)編程 AT89S52的 功能特性描述 ： AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié) Flash， 256字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6向量 2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止 的選取 從生產(chǎn)者和設(shè)計者的角度來看，許多元器件的前端仍是模擬的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)傳感器和變換器產(chǎn)生的是模擬信號。模擬元器件的運(yùn)行完全遵守模擬信號處理原則，因此它們采用模擬信號的形式進(jìn)行測量、傳輸、顯示和儲存。模擬元器件主要利用電流或電壓的幅度、相位、頻率或它們混合的連續(xù)變化進(jìn)行操作。由物理信號轉(zhuǎn)化成的待處理信號可以是確定性的，也可以是非確定性的，但有可能包含大量的噪聲。模擬元器件中的信號調(diào)理器經(jīng)常是由許多功能模塊集成的，比如電橋、放大器、濾波器、振蕩器、調(diào)制器、偏置電路、電平轉(zhuǎn)換器和緩存。 模擬元器件的一個重要組 成部分是運(yùn)算放大器和元器件放大器。運(yùn)算放大器是由單片集成電路或者混合元件集合而成。一個運(yùn)算放大器可以在一個芯片內(nèi)集成成百上千個晶體管、電阻和電容。它們可以配置成正向或反向放大器。它們通過合適的外部元件可以組成乘法器、加法器、限幅器、濾波器等。 LM339 河北工程大學(xué)信電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 17 LM339集成塊內(nèi)部裝有四個獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是： 1）失調(diào)電壓小，典型值為 2mV 2）電源電壓范圍寬，單電源為 236V，雙電源電壓為177。 1V177。 18V 3）對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬 4）共模范圍很大，為 0～ （ ） Vo 5）差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓 6）輸出端電位可靈活方便地選用 兩個輸入端電壓差別大于 10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把 LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。 LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選 315K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。 8550 8550是一種常用的普通三極管。它是一種低電壓 ,大電流 ,小信號的 PNP型硅三極管 ，集電極 基極電壓 Vcbo： 40V 。 工作溫度： 55℃ ～ +150℃ ,和 8050（ NPN）相對 ， 主要用途 ： 開關(guān)應(yīng)用 ， 射頻放大 。 整流二極管 IN4002組成的電橋 整流二極管 IN4002的參數(shù)：最高反向峰值電壓（ V） 100V，平均整流電流（ A） 1A，最高峰值浪涌電流（ A） 30A，最大反向漏電流（ A） 5A，正向壓降（ V） 1V，外形 D041。 三端可調(diào)節(jié)輸出正電壓穩(wěn)壓器 LM317 LM317是可調(diào)節(jié) 3端正電壓穩(wěn)壓器，在輸出電壓范圍為 ～ 電流。此穩(wěn)壓器非常易于適用，只需要兩個外部電阻來設(shè)置輸出電壓。此外還是用內(nèi)部限流、熱關(guān)斷和安全工作區(qū)補(bǔ)償使之基本能防止燒斷保險絲。 LM317服務(wù)于多種應(yīng)用場合，包括局部穩(wěn)壓、卡上穩(wěn)壓。該器件還可以用來制做一種可編程穩(wěn)壓器，或者通過在調(diào)整點(diǎn)和輸出之間接一個固定電阻， LM317可用作一種精密穩(wěn)流器。 輸出電流超過 輸出在 ～ 河北工程大學(xué)信電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 18 內(nèi)部熱過載保護(hù) 不隨溫度變化的內(nèi)部短路電流限制 輸出晶體管安全工作區(qū)補(bǔ)償 對高壓應(yīng)用浮空工作 表面貼裝形式和標(biāo)準(zhǔn) 3引 腳晶體管封裝 避免置備多種固定電壓 數(shù)字元器件的選取 數(shù)字元器件的運(yùn)行完全遵守數(shù)字信號處理原則。在許多情況下，傳感器和變化器產(chǎn)生的信號在轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號前首先被模擬電路處理。然而，由于制作現(xiàn)代化傳感器及相關(guān)設(shè)備的微技術(shù)和納米技術(shù)發(fā)展迅速，許多純數(shù)字元器件已經(jīng)研發(fā)出來。比如，現(xiàn)在的基于數(shù)字電子學(xué)的只能傳感器在一片芯片上可以包含完整的信號處理電路和傳感器本身。因此，許多智能傳感器的輸出可以和其他的數(shù)字設(shè)備直接相連。 本設(shè)計用到的數(shù)字元器件有 74LS24 CD451共陰極數(shù)碼管。 74LS245 74LS245 是我們常用的芯片，用來驅(qū)動 led 或者其他的設(shè)備，它是 8 路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器，可雙向傳輸數(shù)據(jù)。 74LS245還具有雙向三態(tài)功能，既可以輸出，也可以輸入數(shù)據(jù)。 當(dāng) 8051單片機(jī)的 P0口總線負(fù)載達(dá)到或超過 P0最大負(fù)載能力時，必須接入 74LS245等總線驅(qū)動器。 當(dāng)片選端 /CE低電平有效時， DIR=“0”，信號由 B 向 A 傳輸；（接收） DIR=“1”，信號由 A 向 B 傳輸；（發(fā)送）當(dāng) /CE為高電平時， A、 B均為高阻態(tài)。由于 P2口始終輸出地址的高 8位，接口時 74LS245的三態(tài)控制端 /1G和 /2G接地， P2口與驅(qū)動器輸入線對應(yīng)相連。 P0口與 74LS245輸入端相連 ,/E端接地，保證數(shù)據(jù)現(xiàn)暢通。 8051的 /RD和 /PSEN相與后接 DIR，使得 /RD或 /PSEN有效時， 74LS245輸入（ ← Di），其它時間處于輸出（ → Di）。 74LS245 引腳圖如下： 河北工程大學(xué)信電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 19 圖 8 74LS245 引腳圖 CD451共陰極數(shù)碼管 在顯示、按鈕電路設(shè)計中有具體的介紹。 傳感器元器件的選取 由于本設(shè)計所用的傳感器是用于車流量的測量、車型的分類及車型的分類，所以選用紅外收發(fā)器和線圈傳感器即可實(shí) 現(xiàn)功能。紅外收發(fā)器用于車流量的測量，同時通過在道路兩旁的不同位置布置多個紅外收發(fā)器實(shí)現(xiàn)車型的分類，線圈傳感器用于車型的分類。 線圈傳感器 多匝數(shù)專用環(huán)形線圈線埋設(shè)于路面，它等效為一個感性器件，實(shí)際上它也是耦合振蕩電路的一部分，其振蕩信號通過信號整型電路和隔離開關(guān)選擇電路送入 89S51 的 I/O，進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)機(jī)動車經(jīng)過環(huán)形線圈時，由于其自身的的鐵質(zhì)使得環(huán)形線圈的電感值減少，從而使耦合振蕩電路的振蕩頻率發(fā)生改變，這樣 89S51 就可以通過單位時間段的脈沖計數(shù)值來判斷有無機(jī)動車通過相應(yīng)的環(huán)形線圈了。 耦合振蕩電路 附圖 2 所示，這是一個電容反饋三點(diǎn)式振蕩電路（對此電路的詳細(xì)分析 這里不再熬述）， 其振蕩頻率在 300KHz 左右 ,兩個反接的 穩(wěn)壓管使正弦振蕩信號被抑制在 5V至 +5V的范圍內(nèi)，耦合變壓器原副邊匝數(shù)比為 1： 1， P6KE12CA 是一個瞬間抑制二極管用于抑制由靜電等原因產(chǎn)生的瞬間高壓。正弦振蕩信號經(jīng)過比較器LM339 初步整形后（其上升沿時間較長）進(jìn)入信號整形電路。另外，一路環(huán)形地埋線圈對應(yīng)一個檢測通道，共有四路檢測通道，這里只畫出了其中一路。 瞬態(tài)抑制二極管 P6KE12CA是一種限壓型的過壓保護(hù)器件， 它叫 TVP、 ABD，以 ps級的速度把過高的電壓限定在一個安全的范圍之內(nèi)，從而起到保護(hù)后面電路的作用。廣泛應(yīng)用在但導(dǎo)體以及敏感的電子零件過電壓、 ESD保護(hù)上，主要包括：消費(fèi)類產(chǎn)品、工業(yè)產(chǎn)品、通訊、計算機(jī)、汽車、電源供應(yīng)品、家用電器以及軍事、航天航空導(dǎo)航系統(tǒng)以河北工程大學(xué)信電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 20 及控制系統(tǒng)上。它反應(yīng)速度快，電壓抑制能力 強(qiáng)。 紅外傳感器 如附圖采用遠(yuǎn)距離聚積式發(fā)射頭 TLN911和接收頭 TLP911，安裝方式如附圖 3所示，其有效距離大于 10m，最大控制距離可達(dá) 13m。 圖中 a為發(fā)射板電路。由時基 555集成電路構(gòu)成頻率約 30KHz的振蕩 器。此信號經(jīng)晶體管 VT7作電流放大后，驅(qū)動發(fā)射頭內(nèi)的紅外發(fā)光二極管向外輻射 30KHz的脈沖紅外線。 555定時器 555定時器又稱為時基電路，外部加上少量阻容元件，即能構(gòu)成多種脈沖電路，而且價格低廉、性能優(yōu)良，在工業(yè)自動控制、家用電器和電子玩具等許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 555定時器概述 ①分類 ` ， 555定時器可分為雙極型和單極型（ CMOS）。雙極型 555主要特點(diǎn)是輸出電流大，達(dá) 200mA以上，可直接驅(qū)動大電流執(zhí)行器件，如繼電器等。單極型（ CMOS）555主要特點(diǎn)是功耗低，輸入阻抗高，輸 出電流較小（ Io4mA）。 ，可分為單定時器和雙定時器。雙定時器即在一塊集成電路內(nèi)部，集成了兩個獨(dú)立的 555定時器集成電路。 表 4為 555集成定時器分類表，其中 556為雙極型雙定時器集成電路， 7556為 CMOS雙定時器集成電路。 單電路 雙電路 雙極型 555 556 單極型 7555 7556 表 4 圖 9 555集成定時器引腳圖 河北工程大學(xué)信電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 21 ②電路組成 555電路因其內(nèi)部有 3個 5kΩ電阻而得名，圖 7為其內(nèi)部邏輯電路及引腳圖，主要由三部分組成： ：兩個電壓比較器 A A2。 ： G G2組成 Rs觸發(fā)器。 ：緩沖驅(qū)動門 G3和放電管 T。 圖 10 555定時器原理電路及引腳圖 電路引腳名稱和功能如下： TH（ 6）：高觸發(fā)端 ZE TR（ 2）：低觸發(fā)端 Ctr（ 5）：控制電壓端 DIS（ 7）：放電端 Out（ 3）：輸出端 ?R（ 4）：清零端 Vcc（ 8）：電源 GND（ 1）：接地端 ③工作原理 555定時器輸入級電阻鏈 3個電阻均為 5kΩ，將電源電壓分壓為 2Vcc/3和