【正文】 統(tǒng)主要有兩個缺陷 :車道放行車輛時，時間設(shè)定相同且固定，十字路口經(jīng)常出現(xiàn)主車道車輛多，放行時間短，車流無法在規(guī)定時間內(nèi)通過，而副車道車輛少，放行時間明顯過長 。由于交通信號燈控制系統(tǒng)缺乏有效的應(yīng)急措施，導(dǎo)致十字路口交通受阻，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。該 系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低、實(shí)時性好、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，并且具有良好的擴(kuò)展完善特點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用前景。我們在馬路上經(jīng)常會看到這種現(xiàn)象 : 一旦整個路口的交通信號燈出現(xiàn)故障 , 若沒有交警的及時疏導(dǎo) , 該路口就會塞得一塌糊涂。另外 , 根據(jù)人車流量的多 少 , 可能隨時增加路口的交通信號 , 比如增加轉(zhuǎn)彎或人行道交通信號 , 原有系統(tǒng)的制約性就更明顯了。 以北京為例， ―開車沒有騎車快，坐車沒有走路快 ‖，這種現(xiàn)象在北京交通高峰時段已是見怪不怪。 目前各城市都在不斷改善交通設(shè)施，改進(jìn)各 十字路口交通燈控制方式，都得到了很好的效果。出于便捷和效果的綜合考慮，可以制作傳感器探測車輛數(shù)量來控制交通燈的時長。比較傳統(tǒng)的定時交通燈控制與智能交通燈控制，可知后者的最大優(yōu)點(diǎn)在于減緩滯流現(xiàn)象，也不會出現(xiàn)空道占時的情形，提高了公路交通通行率。 交通信號智能控制系統(tǒng)的研究與設(shè) 計 3 第 2 章 總體方案設(shè)計 方案的比較與選擇 方案的比較 方案一 ：基于 PLC 的交通智能控制系統(tǒng) 本系統(tǒng)利用 EPM240TC100C5 核心板控制模塊為核心控制部件，加入振蕩電路 、 車流量檢測電路 、緊急按鍵電路、紅綠燈顯示電路以及倒 計時顯示電路組成功系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對十字路口交通信號燈的 智 能控制，系統(tǒng)基本原理框圖如圖 所示： 圖 基于 PLC 的交通智能控制系統(tǒng) 基本原理框圖 方案二：基于單片機(jī)的交通信號智能控制系統(tǒng) 本系統(tǒng)利用 AT89C51 單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制部件，利用其定時器 /計數(shù)器作為紅外傳感器的接收端，通過高低電平的變化來統(tǒng)計通過檢測區(qū)域的車流量，然后通過軟件計時來控制接在 P0 端口的紅綠燈的點(diǎn)亮與熄滅狀態(tài)，并在 8 段數(shù)碼管（接在 P1 和P2 端口）上顯示倒計時。系統(tǒng)的基交通信號智能控制系統(tǒng)的研究與設(shè) 計 4 本原理框圖如圖 所示： A T 8 9 C 5 1單 片 機(jī)緊 急 按 鍵 K 1報 警 電 路紅 外 傳 感 器檢 測 電 路紅 綠 燈 顯 示電 路數(shù) 碼 管 倒 計 時 顯示 電 路振 蕩 電 路復(fù) 位 電 路 圖 基于單片機(jī)的交通信號智能控制 系統(tǒng)框圖 方案的選擇 由于該設(shè)計的系統(tǒng)比較簡單，單片機(jī)完全能勝任該設(shè)計，而且從經(jīng)濟(jì)角度來說，單片機(jī)更為便宜，且本人所學(xué)知識有限對于單片機(jī)更加熟悉，所以決定采用方案二來完成本次設(shè)計。 本文是采用了以 AT89C51 單片機(jī)為核心的控制方案。另外，方案中還設(shè)計一個緊急車輛通行按鍵，每當(dāng)有緊急車輛需要通過時，操作員按下按鍵，東西方向和南北方向上均為紅燈，并發(fā)出警報禁止普通車輛的通行，先讓緊急車輛通過。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行。 交通信號智能控制系統(tǒng)的研究與設(shè) 計 5 表 指示燈的燃亮方案表 （ T13） s 3s （ T23） s 3s …… 東西道 紅燈亮 黃燈亮 綠燈亮 黃燈亮 …… 南北道 綠燈亮 黃燈亮 紅燈亮 黃燈亮 …… 表 說明： （ 1）當(dāng)東西方向?yàn)榧t燈，此道車輛禁止通行；南北道為綠燈，此道車輛通過。 （ 2）黃燈閃爍 3 秒，警示車輛紅、綠燈的狀態(tài)即將切換。時間為（ T23）秒。另外，在緊急情況下，操作員可以通過緊急按鍵 K1，使兩路口均是紅燈，禁止普通車輛通行，先讓緊急車輛（例如救護(hù)車等）通過。另外，在交通燈的燃亮指示表中，東西（南北）方向綠燈的點(diǎn)亮?xí)r間為（ T13）（南北方向綠燈為（ T23）），這是因?yàn)檠h(huán)時間段 T1（ T2）包括綠燈和黃燈的時間，扣除的 3 秒鐘為黃燈的點(diǎn)亮?xí)r間，所以從時間段 T1（ T2）扣除黃燈的 3 秒鐘即為東西方向的綠燈點(diǎn)亮?xí)r間（南北方向的綠燈點(diǎn)亮?xí)r間）。 系統(tǒng)的電路圖主要由電源電路、 熱釋電 紅外傳感器檢測電路 、紅綠燈顯示電路、紅綠燈時間倒計時電路以及緊急按鍵 K1 電路等電路組成。 單片機(jī)概述 單片機(jī)也被稱為 微控制器 （ Microcontroller） ， 最早被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU 集成在一個芯片中，使計算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。 早期的單片機(jī)都是 8 位或 4 位的。此后在 8031 上發(fā)展出了 MCS51 系列單片機(jī)系統(tǒng)。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn) 了 16 位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢r比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。隨著 INTEL i960 系列特別是后來的 ARM系列的廣泛應(yīng)用， 32 位單片機(jī)迅速取代 16 位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場。目前，高端的 32 位單片機(jī)主頻已經(jīng)超過 300MHz，性能直追 90 年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至 1 美元，最高端的型號也只有 10 美元。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的Windows 和 Linux 操作系統(tǒng)。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的 計算機(jī) 。手機(jī)、電話、 計算器 、家用電器、電子玩具、 掌上電腦 以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有 12 部單片機(jī)。汽車上一般配備 40 多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控 制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機(jī)在同時工作！單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過 PC 機(jī)和其他計算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。相當(dāng)于一個微型的計算機(jī)，和計算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了 I/O設(shè)備。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。 本文中使用的 AT89C51 單片機(jī)是 MCS51 系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品，我們以 這一代表性的機(jī)型進(jìn)行系統(tǒng)的講解。中央處理器 : 中央處理器 (CPU)是整個單片機(jī)的核心部件，是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理 8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼， CPU 負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)交通信號智能控制系統(tǒng)的研究與設(shè) 計 8 算和控制輸入輸出功能等操作。數(shù)據(jù)存儲器 (RAM): 8951 內(nèi)部有 128 個 8 位用戶數(shù)據(jù)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(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的 RAM 只有 128 個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。程序存儲器 (ROM)： 8951 共有 4096 個 8 位掩膜 ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。定時 /計數(shù)器 (ROM)： 8951 有兩個 16 位的可編程定時 /計數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。并行輸入輸出 (I/O)口： 8951 共有 4 組 8 位 I/O 口 (P0、 P P2 或 P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的 傳輸。全雙工串行口： 8951 內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。中斷系統(tǒng)： 8951 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。時鐘電路： 8951 內(nèi)置最高頻率達(dá) 12MHz 的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時序，但 8951 單片機(jī)需外置振蕩電容。 GND（ 20 腳）：接地。 XTAL2（ 18 腳）：來自反向振蕩器的輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應(yīng)不接。 RST（ 9 腳）：復(fù)位輸入。 ALE/PROG（ 30 腳）：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個交通信號智能控制系統(tǒng)的研究與設(shè) 計 10 ALE 脈沖。此時， ALE 只有在執(zhí)行MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。 /EA/VPP（ 31 腳）：當(dāng) /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口 （ 2128 腳）： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 ―1‖時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址 ―1‖時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P3 口 （ 1017 腳）： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4個 TTL 門電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 電源電路 電源采用輸出為正 5V 直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。它是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點(diǎn)，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。 C3 為輸入端濾波電容， C5 為輸出端濾波電容。此直流電壓經(jīng)過 LM7805 的穩(wěn)壓和電容的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。檢測電路的核心是紅外傳感器，下面首先對紅外傳感器做一個簡單地介紹： 紅外傳感器的發(fā)展 傳感器被定義為能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。在物理學(xué)中，我們就已經(jīng)知道可見光、不可見光、紅外光及無線電 [5]等都是電磁波，它們之間的差別只是波長（或頻率）的不同而已。紅外傳感系統(tǒng)是利用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：（ 1）輻射計，用于輻射和光譜測量；（ 2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對它的運(yùn)動進(jìn)行跟蹤；（ 3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標(biāo)紅外輻射的分布圖像； （ 4）紅外測距和通信系統(tǒng)；（ 5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。 常用的紅外傳感器 （ 1）紅外探測器 紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，按照探測的機(jī)理不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。當(dāng)元件接收輻射 ，引起非電量的物理變化時，可以通過適當(dāng)?shù)淖儞Q后測量相應(yīng)的電量變化。在高性能和高品質(zhì)的紅外測溫產(chǎn)品市場，來自德國的 HEITRONICS 以其在尖端領(lǐng)域應(yīng)用中良好的品質(zhì)記錄，被廣泛公認(rèn)為是世界一流的紅外測溫產(chǎn)品供應(yīng)者而受到信任。 （ 3）壓電傳感器 壓電傳感器是一種典型的有源傳感器，它是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)外力與電荷量間的轉(zhuǎn)換，達(dá)到非電量的電測目的。壓電傳感器的物理基礎(chǔ)是壓電效應(yīng)，壓電敏感元件感受力的作用而產(chǎn)生電壓或電荷輸出，即根據(jù)輸出電壓或電荷的大小和極性，就可確定作用力的大小和方向。 （ 4）磁電傳感器 磁電傳感器可分為兩大類，一類是基于鐵芯線圈電磁感應(yīng)原理的磁電感應(yīng)式傳感器，一類是基于半導(dǎo)體材料磁敏效應(yīng)的磁敏傳感器。 （ 5）光電傳感器 光電傳感器是一種將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置，它具有結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，精度高，反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代測量和自動控制系統(tǒng)中，應(yīng)用非常廣泛，是一種很有發(fā)展前途的新型傳感器。 綜上所述，每一種傳感器都有他的用處和廣泛的應(yīng)用前景。 （ 7）人體熱釋電紅外傳感器介紹和應(yīng)用 在電子防盜、人體探測器領(lǐng)域中，被動式熱釋電紅外探測器的應(yīng)用非常廣泛，因其價格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。在每個探測器內(nèi)裝入一個或兩個探測元件，并將兩個探測元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。 為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設(shè)一個菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號放大 70 分貝以上，這樣就可以測出 10~20 米范圍內(nèi)車的行動。當(dāng)有人從透鏡前走過時，汽車發(fā)出的紅外線就不斷地交替從 ―盲區(qū) ‖進(jìn)入 ―高靈敏區(qū) ‖，這樣就使接收到的紅外信號以忽強(qiáng)忽弱的脈沖形式輸入，從而強(qiáng)其能量幅度。當(dāng)車輛進(jìn)入菲涅爾透鏡的一個現(xiàn)場，在熱釋電紅外傳感器上產(chǎn)生一個交變紅外輻射信號，使傳感器產(chǎn)生一個微弱的電壓信號，對采集的信號進(jìn)行信號分析處理。當(dāng)有交通信號智能控制系統(tǒng)的研究與設(shè) 計 15 車輛通過時，熱釋電紅外傳感器輸出的信號非常微弱。當(dāng)傳感