毕业设计（论文）-基于单片机交通流量系统设计.doc

河北工程大学信电学院毕业设计河北工程大学毕业设计（论文）学院（系）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 基于单片机交通流量系统设计第一章 绪论1.1智能交通系统研究背景和研究现况1.1.1智能交通系统研究背景1.1.2智能交通系统国内外研究状况1.2交通流量检测技术的研究目的1.3国内外常用的交通流量统计的方法1.4课题任务要求和目标实现第二章 总体方案的描述及优化设计2.1 总体方案描述2.1.1总体方案的控制综述2.1.2总体方案系统结构2.2 工程概述2.2.1课题的设计标准2.2.2课题的设计原则2.3总体方案的确定2.3.1多种方案的理论定性描述2.3.2方案论证与选择2.3.3可选方案优化设计第三章 硬件设计3.1 硬件电路的主要元器件选型及技术指标3.1.1主控机芯片的选取3.1.2模拟元器件的选取3.1.3数字元器件的选取3.1.4传感器元器件的选取3.2硬件电路的构成及电路设计3.2.1核心主控芯片电路设计3.2.2显示、按钮电路的设计3.2.3传感器电路及接口电路的设计3.2.4电源管理电路设计3.3系统抗干扰性能3.3.1硬件干扰的理论分析3.3.2硬件抗干扰措施注；各单元电路要进行工作原理叙述、定性分析、定量计算、电路图用电子cad画第四章 软件设计4.1 软件流程图及功能介绍4.2 编程第五章 操作机箱的设计第六章 总结6.1 元件清单及工程造价6.2 设计心得参考文献致谢第一章 绪论1.1 智能交通系统研究背景和研究现况1.1.1 智能交通系统研究背景交通运输系统是国民经济的基础，也是确保社会生产和人民生活得以正常进行的重要条件。随着公路运输的快速发展，机动车辆保有量剧增，这在给人们日常生活带来便利、促进社会和经济发展的同时，也带来了一系列的负面影响。交通运输业的迅速发展，极大的方便了社会以及人们的生活，但是与此同时，汽车数量的急剧增加，导致了道路交通状况的日益恶化，并且在各个城市中，交通阻塞普遍存在、交通事故发生量不断上涨，从而导致了人身安全、经济损失、环境污染等一系列严重的社会问题。另外，无论是发达国家还是发展中国家，路面交通运输都不同程度地存在着人们最关心的交通安全问题。随着城市化进程和汽车的普及，交通运输问题日益严重。为了解决出现的各种问题，早期主要的做法是修建大量的道路，这虽然初步缓解了交通运行中存在的问题，一定程度上提高了道路的通行能力，然而无论是哪个国家的城市，都存在建设空间有限、资金筹措困难等实际问题。另外由于交通系统是一个相当复杂的大系统，单独从车辆或是从道路方面去考虑都很难从根本上解决问题。因此，为从根本上解决这个问题，20世纪80年代人们开始把车辆、道路、使用者三个方面作为一个系统整体考虑，采用各种新技术如计算机技术、信息技术、通信技术、电子控制技术对三者关系展开研究，不仅有效地解决了交通阻塞问题，而且对交通事故的应急处理、环境的保护、能源的节约都有显著的效果。在这个过程中，智能交通系统应运而生了。智能交通系统(intelligent transportation system)，简称its，是指将先进的信息采集技术、数据通讯技术、自动控制技术、计算机技术等综合运用于交通管理体系，实现准确、高效、大范围的交通运输综合管理系统，its是在传统的交通工程基础上发展起来的新型交通系统。由于各国国情不同，路面状况也不同，发展交通的重点研究方向不同，所以各国进行研究的方向也很不相同，其突出体现在its研究内容方面的不同。当前国外对its的研究已经比较深入并且已经投入运行，国内方面起步较晚。its通过对道路交通流信息进行实时监测，了解道路交通的运行情况，根据交通流的动态变化，迅速做出交通诱导控制，减轻道路的拥挤程度，减小车辆行车延误，对车辆进行分流，降低发生交通事故的概率，保证行车安全，并使交通设施得到充分利用，减小道路空置率，实现交通运输的集约式发展，最终达到智能交通系统的目的，从而能够最大限度地利用现有的宏观交通设施(道路、桥梁、隧道等)，同时取得更高的交通运输安全性。总体而言，智能交通系统是以交通指挥中心为主体，包含多个子系统的综合系统。具体说来，一个完整的智能交通系统包括交通管理信息系统、交通信号控制系统、电视监控系统、交通诱导系统、通讯广播系统、闯红灯数字记录系统、流量检测系统、gps卫星定位系统等八个子系统，完整的系统组成框图如图1所示。如图1中所示的各个子系统之间既有独立性，又有关联性。独立性是指各个子系统自成体系，可以独立运行，能独立完成特定的功能；关联性则是指各个系统在信息上相互联系，相互补充，从而构成一个完整的交通管理系统。交通管理系统随着科技发展和城市交通问题的发展而不断完善。智能交通系统交通管理信息子系统交通信号控制子系统交通诱导子系统电子监控子系统闯红灯数字记录子系统通讯广播子系统gps卫星定位子系统流量监测子系统 图1智能交通管理系统框架图随着我国经济建设的蓬勃发展，城市的人口和机动车拥有量也在急剧增长，交通流量日益加大，交通拥挤堵塞现象日趋严重，交通事故时有发生。交通问题已经成为城市管理工作中的重大社会问题，阻碍和制约着城市经济建设的发展。因此，深入研究城市交通问题有着极为重要的现实意义，而要解决城市交通问题，就必须准确掌握交通信息。国外交通管理系统经验表明，我国应该综合考虑国内道路现状以及我国经济发展等方面，在构建国家现代公路网提高交通运送能力的同时，加大各种高新技术运用如信息采集技术、数据通讯技术、自动控制技术、计算机技术等来系统地解决道路交通问题，从而大幅度的提高路网的通行能力和道路管理服务质量。1.1.2 智能交通系统国内外研究状况智能交通系统是目前世界交通运输领域的前沿研究课题。发达国家提出并执行了一系列研究计划，其核心是针对日益严重的交通需求和环境保护压力，采用通信技术、计算机技术、控制技术、信息处理技术等对传统交通运输系统进行深入改造，以提高系统资源的使用效率、系统安全性，减少资源的消耗和环境污染。基于类似原因，我国对智能交通系统的发展也抱有极大的热情。从上世纪60年代开始，美国就已经开始了有关智能化交通方面的研究，之后，欧洲、日本等也相继加入了这一行业。经过40多年的发展，美国、欧盟、日本成为了世界智能化交通研究的三大基地。在美国、欧洲、日本等工业国家已经建立了全国性的its发展协调组织，统-$jj定研究计划并投入大量研究经费，已经取得了重要的研究成果。1984年，美国明尼苏达大学(the university ofminnesota)的机器视觉与人工智能实验室首次开展了将计算机视觉应用于高级交通管理的研究。20世纪80年代，该大学成立tlss公司(image sensing system，inc)，专门从事交通视频技术相关产品的研究开发。1987年，iss研制了第一台原型机，首次验证了视频检测技术在交通领域的应用，并于1989年正式推出了用于外场车辆的autoscope 2002视频检测系统。1992年研制的autoscope 2003系统产品性能趋于成熟，实现了全天候监测。如今autoscopetm系统是当今世界上最成功的交通视频检测产品之一。日本对智能交通系统的研究也较早。在1973年，以通产省为主开发的“汽车综合(交通)控制系统”(cacs：comprehenslve automobile(traffic)controlsystem)是日本最早的its项目，当时在世界上处于领先地位。经过几十年的发展，目前日本的its研究与应用开发工作主要围绕三个方面进行：车辆信息与通信系统(vics：vehicle information and communication system)、不停车收费(etc：electronic toll collection)系统、先进道路支援系统(ahs：advanced highwaysystem)。总体而言，日本在智能交通系统的研究走到了世界前列。在我国，its的研究处于起步阶段。我国是一个发展中国家，伴随着经济的发展，城市化进程的加快，大城市交通拥堵以及能源、环境问题也变得相当严重，其主要原因是我国道路基础设施与发达国家有很大的差距，而且我国的道路交通还具有混合交通特点、交通管理科学化水平不高。因此，我国的its发展要结合实际，总结发达国家交通发展的经验和教训，逐步确立我国特色的its发展战略。近几年来，its在国内有了长足的发展，1999年，科技部牵头，联合建设部、交通部、公安部等十多个相关部委，组织成立了全国智能交通系统(its)协调小组，在组织机制方面提供了有力保障；在2000年完成了我国its体系框架研究和标准规范的制定。其中标准规范的制定从一定程度上确定了系统构成、功能模块以及模块之间的通信协议和借口，建立了能与国际接轨的its标准体系。1.2 交通流量检测技术的研究目的交通流量检测技术是指系统能够通过某种技术及时地检测出通过的车辆，并以此为基础准确地统计出某段时间内某段道路的车流量以及车辆本身的运动信息，如车型，车长，车速等。随着我国经济的飞速发展，改革开放的深入，道路的规划与建设显得尤为突出，人称“公路通，百业兴”。因此公路网的规划、公路的更新改建以及公路养护等都必须建立在准确可靠的交通流量统计信息之上，这无疑使得统计信息这项工作更为重要，很显然交通流量的准确与否是有关决策正确的关键因素之一。1.3国内外常用的交通流量统计的方法交通信息采集技术的研究已经开展多年。时至今日，已有多种交通信息采集技术在实际中应用。通过这些技术采集到的交通信息主要包括各车道的车流量、车道占有率，车速、车型、车头时距等。最先开始发展的是接触式的交通信息采集技术，其主要代表是压电、压力管探测、环行线圈探测和磁力式探测。这些采集装置都有共同特点，就是埋藏在路面之下，当汽车经过采集装置上方时会引起相应的压力、电场或磁场的变化，最后采集装置将这些力和场的变化转换为所需要的交通信息。经过多年发展，路面接触式的交通信息采集技术已经很成熟，其测量精度高，易于掌握，直在交通信息采集领域中占有主要地位。但是这种路面接触式的交通采集装置有着不可避免的缺点。首先是安装维护困难，必须中断交通、破坏路面；其次随着车辆增多，车辆对道路的压力导致这类装置的使用寿命也越来越短； 现在道路扩张很快， 各种环境下的道路日益增多，而路基下沉、盐碱和冰冻等条件将严重影响路面接触式交通信息采集装置的使用。所有这些都带来了其使用成本的上升。新近发展起来的路面非接触式交通信息采集装置不存在安装维护困难、使用寿命短等缺点，主要分为波频探测和视频探测两大类。波频探测又可分为微波、超声波和红外三种，其中除了超声波探测只能进行单车道交通信息采集外，其余都可同时进行多车道交通信息采集。由于安装维护简单，路面非接触式交通信息采集技术发展非常迅速。视频探测是利用车辆进入检测区域导致背景灰度变化的原理来进行检测，直观可靠，但受光度，气候条件的影响很大。而波频探测则是利用车辆经过检测区域时引起的电磁波的返回时间或频率的变化进行检测，其中红外检测对车型分辨清晰，但受天气的影响很大，而超声检测对于车速和车型的判定准确，但受安装条件限制只能顶部正向安装，只能采集一个车道的信息。微波检测有着安装维护方便、使用寿命长、受天气气候影响小，能同时进行多个车道检测的优点。1.4课题技术要求和主要任务1.4.1技术要求可交直流供电，机内自备电池能满足一次24小时的监测；能对多种常见车型分类存储，并区分机动车，非机动车、人工车等三大类；可以对各种车型的流量以及总流量自动记录及显示，随时查询。本系统可以同时监测两个方向的车辆，声响提示计数和定点提醒抄录：对自备电池有欠电压提示和自动充电功能；1.4.2主要任务以单片机为核心，完成系统硬件和软件系统的设计，整机的电路的设计，其中包括单元电路的器件选择和计算，核心控制外围的接口电路的设计，传感器、显示器件、等元件的选型，实现自动并区分机动车，非机动车、人工车等三大类车辆功能。对各种车型的流量以及总流量自动记录及显示，随时查询，对车辆信号数据的采集的设计，要有抗干扰措施。按照产品设计标准，完成交通流量计机箱的设计，包括柜体所有的安装部件均标准模块化，充分保证产品的质量和互换性；结构紧凑，箱体面板设计合理，操作方便，显示直观，易于抄录，完成工程造价的预算。第二章 总体方案的描述及优化设计2.1 总体方案描述2.1.1总体方案的控制综述智能化交通流量检测器，集处理机，各种传感器技术于一身，其含有外壳、各种传感器及传感器的接口电路、键盘、显示器、存贮卡和电源等组成。通过各种传感器进行数据采集，通过传感器的接口电路，将采集的数据输入到处理机中，通过处理后的数据可以存储在存贮卡，同时可以在显示器中显示。工作人员可以通过各种提示电路对数据进行实时的查询、定时抄录采集到的数据，并可以对系统电源进行实时监测。2.1.2总体方案系统结构数据采集接口电路数据处理数据记录、显示各种提示电路图2总体方案系统结构2.2 工程概述2.2.1课题的设计标准sj 53930/1-2002 半导体光电子器件 gr8813型红外发射二极管gb/t 14715-1993 信息技术设备用不间断电源通用技术条件sj 280-80电子设备车辆通用技术条件ga/t497-2004公路车辆智能监测记录系统通用技术条件ga/t652-2006公安交通管理外场设备基础施工通用要求ga/t70-1994安全防范工程费用概预算编制方法gb5016892电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范dl40891电业安全工业规程ga308-2001安全防范系统验收规则gbj2329092电气装置安装工程施工及验收规范gbj65-83工业与民用电力装置的接地设计规范2.2.2课题的设计原则全面遵循公安部关于“全国公路机动车辆监控信息综合应用系统（查缉布控平台）”的建设指南要求，按照统一标准的道路监控信息数据、非现场违法处罚信息数据的标准和规范，接入到统一的智能交通监控系统管理平台进行统一管理，统一发布，保障信息的共享和综合利用。同时考虑到公安交警部门工作的特殊性，以及治安卡口自身的特点，我们在本系统设计过程中还将严格遵循以下原则：标准性公路车辆智能检测记录系统是本系统方案的重点，设计中严格按照公安部颁标准公路车辆智能监测记录系统通用技术条件（ga/t 497-2004）规定的技术要求进行设计。经济性在整个系统的方案设计过程中，我们始终坚持性能价格比最优的原则。在实用性、先进性和充分满足系统功能要求的基础上，采用成熟先进的系统和技术，尽可能降低用户的投资。我们在设计此方案时从根本上考虑了设备的可靠与稳定，减少用户的维护费用，延长设备的使用寿命。可靠性系统的可靠性是指系统抵御外界干扰的能力及受外界干扰时的恢复能力。鉴于本系统的应用性质，其运行可靠性必须得到绝对的保证，否则将造成巨大的物质损失和极坏的社会影响。另外，由于该系统部分设备在公路野外，环境条件恶劣，如果没有可靠性的保证，将直接影响到系统的使用价值所以我们在方案设计和产品选型上充分考虑了这一点。在产品选型上，选用一些可靠性、稳定性强，能够适应室外恶劣环境工作的产品，同时采取有效的接地、稳压等措施。系统选用的单片机、传感器机等关键设备都采用国内外著名企业的产品，使用的电气接线端子、过载、漏电及断路保护装置、避雷装置、熔断器等装置均符合国家有关电气安全标准要求。这些方面的考虑从硬件环境上为本系统的正常运行提供了重要保证。在软件设计上采用了子系统化设计思想，提高软件运行的稳定性。先进性我们在进行本系统方案的设计时，是本着先进性与适用性相结合的原则的。即在系统总体方案设计时思路超前，在总体规划时采用先进技术。关键设备采用国外及国内的先进设备，以确保满足以后不断发展的需要。考虑到系统的发展和推广价值，它在任何一个细节上的先进性，都将在我们的设计过程中体现，因为它将直接影响到系统的生存寿命。易维护性本系统在设计时充分考虑了系统的易维护性，确保系统在使用中出现故障时在最短的时间内恢复运行。单片机采用硬件看门狗方法保证系统的正常运行。做到故障及时告警、系统能够自动恢复、远程维护与管理。系统的运行参数和应用软件可以在管理中心修改和更新。这样，尽量减少了人工干预，实现了快速故障和网络化的维护与管理，保证了系统的易维护性。实用性在工程设计和实现的过程中，将使用单位的实际需求放在首位，同时考虑系统的先进性和稳定性，选择先进性、实用性强的系列产品，子系统化结构设计，既可满足当前的需要又可为今后系统发展扩展留有较强的余地。系统遵循最新的国际标准、国家标准和行业标准，遵循开放的原则。提供相关系统设备的技术标准、术语，以及详细的技术资料和操作文档。系统网络结构便于扩充，以适应今后的建设和发展。另外，系统设计必须尽可能满足用户的使用要求，针对不同的操作使用对象设计用户程序，方便操作人员和管理人员的工作；尽可能地尊重用户单位现有的管理模式和经验，使用户的实际运行惯例得以继承，方便使用；新系统要尽可能利用现有的信息资源，并与之形成一个有机整体，减少使用者的工作强度，减少系统的成本。 合理性严格以系统工程学及其它先进理论指导设计，使系统的各部分合理配置，有机融合并尽可能的发挥设备潜力和软件功能，最大限度地提高性能价格比。可行性系统设计、选材、选型符合国家和地方政府的法规政策，与用户及上级管理部门的管理制度相适应，与用户在经济能力方面的实际情况相吻合。2.3总体方案的确定2.3.1多种方案的理论定性描述线圈检测方式环形线圈检测器是目前国内外使用最广泛的车辆检测器，可以进行车型自动分类，检测流量、占有率、速度（两个线圈）、车长等交通参数。通过一个电感器件即环形线圈与处理器构成一个调谐电子系统，当车辆通过或停在线圈上会改变线圈的电感量，激发电路产生一个输出，从而检测到通过或停在线圈上的车辆。线圈检测技术成熟、易于掌握、计数非常精确、性能稳定。缺点是交通流数据单一、安装过程对可靠性和寿命影响很大、修理或安装需中断交通、影响路面寿命、易被重型车辆、路面修理等损坏。另外高纬度开冻期和低纬度夏季路面以及路面质量不好的地方对线圈的维护工作量比较大的。视频检测方式视频检测方式是一种基于视频图像分析和计算机视觉技术对路面运动目标物体进行检测分析的视频处理技术。它能实时分析输入的交通图像，通过判断图像中划定的一个或者多个检测区域内的运动目标物体，获得所需的交通数据。该系统的优点是无需破坏路面，安装和维护比较方便，可为事故管理提供可视图像、可提供大量交通管理信息、单台摄像机和处理器可检测多车道。它的缺点是精度不高，容易受环境、天气、照度、干扰物等影响，对高速移动车辆的检测和捕获有一定困难。因为，拍摄高速移动车辆需要有足够快的快门（至少是 1/3000s ）、足够数目的像素以及好的图像检测算法的支持，视频检测由于需要进行计算往往无法捕获到高速运动物体。微波检测方式微波式交通检测器通过发射低能量的连续频率调制微波信号，处理回波信号，可以检测出多达8个车道的车流量、道路占有率、平均车速、车流量等交通流参数。微波检测由发射天线和发射接收器组成。发射器对检测区域发射微波，当车辆通过时，由于多普勒效应反射波会以不同的频率返回，通过检测反射波的频率来检测车辆是否通过。优点是在恶劣气候下性能出色,可以全天候工作、可检测静止的车辆、直接检测速度、可以侧向方式检测多车道、安装维护方便，缺点是侧面安装只能区分长车短车，相邻车道同时过车时可能漏记车辆数。磁力检测方式在铁磁材料中会发生磁阻的非均质现象（amr），当沿着一条长而且薄的铁磁合金带的长度方向施加一个电流，在垂直于电流的方向施加一个磁场。合金带自身的阻值会发生变化。利用amr磁阻效应生产的amr磁阻传感器成功地将三维方向（x，y，z）的单个传感器件集成在同一个芯片上，而且将传感器与调节、补偿电路集成一体化，可以很好地感测地磁范围内低于1高斯的磁场，可以根据一些铁磁物体对地磁的扰动，来检测车辆的存在，也可以根据不同车辆对地磁产生的扰动不同来识别车辆类型。磁阻传感器的优点有：安装、维修方便，不必封闭车道、破坏路面。缺点也非常明显，对于纵向过于靠近的车辆的干扰排除能力较差，即当车流速度较低，前后车辆之间的距离较小时对测量精度影响较大。超声波检测方式超声波检测的原理与雷达测速类似，都是利用 “多卜勒效应”的反射原理，发射器从顶部发出超声波，当有车辆通过时，接收器接收到回波的时间是不一样的，据此可以判断是否有车通过。与雷达测速不同的只不过其传感器探头发出的是声波而不是电磁波。此种检测设备的缺点是必须顶置安装，安装条件受到一定的限制，并且传感头在路口这种灰尘极大的恶劣环境中使用，寿命非常短。因此这种检测方法并不实用。激光检测方式激光检测为点测量行为，从理论上讲是可行的并且检测精度过程都相当高，但与微波雷达一样，同样面临路口多道路，多车辆和多行人的三多影响，点测量的效率无法满足监管要求，最重要的是激光检测中的激光束对人体（主要是人眼的伤害）是其在使用中极为严重的问题。在欧美等国家又用激光测速的交通测速仪器，其性能指标不仅要达到国际 class1 安全标准，同时在使用中必须用人工操控，以避免对人眼造成伤害。在日本是严格禁止用激光作交通检测设备的，因此，激光检测在理论上讲比较好，但目前在使用中的安全问题仍未解决。红外检测方式红外检测器是顶置式或路侧式的交通流检测器。该检测器一般采用反射式检测技术。反射式检测器探头由一个红外发光管和一个红外接收管组成，其工作原理是由调制脉冲发生器产生调制脉冲，经红外探头向道路上辐射，当有车辆通过时，红外线脉冲从车体反射回来被探头的接收管接收，经红外解调器解调再通过选通、放大、整流和滤波后触发驱动器输出一个检测信号。这种检测器具有快速准确、轮廓清晰的检测能力。其缺点是工作现场的灰尘、冰雾会影响系统的正常工作。2.3.2方案论证与选择表1为常见几种车辆检测方式优缺点比较技 术优 点缺 点超声波检测检测精度高，全天候工作，能识别客货车，可检测静止的车辆、车间距很小的车辆体积小，易于安装必须顶置，安装条件受到一定的限制微波多谱勒检测在恶劣气候下性能出色直接检测速度不能检测静止或低速行驶的车辆以向前方式用定向天线跟踪单车道微波真实现场检测在恶劣气候下性能出色可检测静止的车辆可以侧向方式检测多车道直接检测速度侧向方式速度检测不够准确，拥堵时流量检测不够准确视频检测可为事故管理提供可视图像可提供大量交通管理信息单台摄像机和处理器可检测多车道大型车辆能遮挡随行的小型车辆阴影、积水反射或昼夜转换可造成检测误差红外线检测昼夜可采用同一算法而解决昼夜转换的问题可提供大量交通管理信息可能需要很好的红外线焦平面检测器，也就是要用提高功率，降低可靠性来实现高灵敏度声学检测根据特定车辆的声学特征识别该车辆为识别车辆需将接收信号进行大量的除去背景静噪声的处理磁力计检测可检测小型车辆，包括自行车适合在不便安装线圈场合采用很难分辨纵向过于靠近的车辆感应线圈检测线圈电子放大器已标准化技术成熟、易于掌握计数非常精确安装过程对可靠性和寿命影响很大修理或安装需中断交通影响路面寿命易被重型车辆、路面修理等损坏表1综合考虑使用环境、性能要求、成本、使用寿命、日常维护和系统升级等方面，在普通道路或者车流密集的情况下优先考虑使用线圈检测方式，在大桥、高架桥、隧道等不能破坏路面的情况下优先考虑视频检测方式，在高速公路、快速环路等封闭型道路又需测速的情况下优先考虑微波（雷达）检测方式。由于当前不同检测方式的优缺点都十分明显，所以可以采取多种检测设备配合使用组成功能完备的综合检测系统，相互取长补短。根据以上内容及本设计中只需完成车流量的数据统计和车型的分类，所以本设计采用红外检测方式与线圈检测方式相结合，通过接口电路，由单片机处理采集到的各种信息的设计方案。其优点是把红外传感技术与线圈传感技术相结合，因而结构简单、价格低廉、使用维修方便，能实现对交通流量的自动统计、显示、折算、存贮和打印，是一种理想的交通流量检测器。本交通流量检测器由单片机、外壳、红外传感器、线圈传感器、键盘、显示器、存贮卡、电源及上述两种传感器的接口电路组成。该检测器采用红外光电开关和线圈传感器检测技术相结合，分别检测机动车和非机动车。同时利用红外电开关依据轴数，轴距和轮胎规格对机动车进行自动识别和分类，并利用人工抽样的方法进行分类。本仪器实现了交通流量的自动统计的同时，可以测定车速，能够自动区分上、下行，自动显示上、下行的车辆总数及四种车型的车辆数，记录的结果自动计算；可将记录的数据存贮在eeprom中。2.3.3可选方案优化设计假设整个路面宽为12m,上、下车道分别安装两对红外电开关和两个线圈传感器。两对红外电开关之间的距离为3000mm，红外电开关据路面的高度为300mm，按垂直干道路纵线排列。用以获得轮胎的遮光信号。在每个车道的路边一侧每隔1m安装一个线圈传感器以检测机动车。以图3中的红外传感器s1、s2为例，当车辆的前轮到达s1时单片机开始计时，当前轮到达s2时记录下这段时间为t1。s1到s2的距离l已知，故车辆的速度v=l/t1。从前轮到s2开始到后轮到达s1的这段时间t2是轴距通过的时间，由于速度v及时间t2都已经知道，故轴距d=v*t2=l/t1*t2.从而完成轴距的测量。当前轮挡住s1的脉冲宽度为t3，则该轮胎在离地面300mm高度处的弦长r=l/t1*t3。通过对s1或s2上的脉冲计数，就得到了车辆的轴数。测量过程如图4所示。根据对国产及进口的大量机动车的轴距、轴数、轮胎规格三个参数的统计分析，列出车辆的分类表，单片机测量出t1、t2、t3及n后，计算出d与r，然后与车辆分类表上的数据进行分析比较，做出分类判断，从而完成了机动车的检测和识别分类，并有单片机记录。由人工进行抄录通过的车辆总数、机动车数、非机动车数、人力车数及各种车型数。图3传感器的安装位置图图4测量过程的波形图由以上分析，可确定最优的设计方案为图5所示。主要包括外壳、红外传感器、线圈传感器、接口电路、键盘、led显示、单片机、存储器及5v、12v开关电源的设计。单片机电源电压检测及看门狗键盘晶振液晶驱动及显示声音提示欠压指示红外传感器线圈传感器接口电路段选及位选图5优化方案总体结构第三章 硬件设计3.1 硬件电路的主要元器件选型及技术指标3.1.1主控机芯片的选取根据本设计的技术要求及主要任务，选at89s51单片机。at89s52是一种低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k在系统可编程flash 存储器。使用atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51 产品指令和引脚完全兼容。片上flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位cpu 和在系统可编程flash，使得at89s52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。at89s52主要性能参数：与mcs-51产品指令系统完全兼容8k字节在系统编程（isp）flash闪速存储器1000次擦鞋周期全静态操作：0hz33hz4.0-5.5v的工作电压范围2568字节内部ram三级加密程序存储器32个可编程i/o口线3个16位定时器/计数器6个中断源全双工uart串行通道低功耗空闲和掉电模式掉电后中断可唤醒看门狗定时器双数据指针掉电标识符灵活的在系统编程at89s52的功能特性描述：at89s52具有以下标准功能：8k字节flash，256字节ram，32 位i/o 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，at89s52 可降至0hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，cpu停止工作，允许ram、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，ram内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止3.1.2模拟元器件的选取从生产者和设计者的角度来看，许多元器件的前端仍是模拟的，因为大多数传感器和变换器产生的是模拟信号。模拟元器件的运行完全遵守模拟信号处理原则，因此它们采用模拟信号的形式进行测量、传输、显示和储存。模拟元器件主要利用电流或电压的幅度、相位、频率或它们混合的连续变化进行操作。由物理信号转化成的待处理信号可以是确定性的，也可以是非确定性的，但有可能包含大量的噪声。模拟元器件中的信号调理器经常是由许多功能模块集成的，比如电桥、放大器、滤波器、振荡器、调制器、偏置电路、电平转换器和缓存。模拟元器件的一个重要组成部分是运算放大器和元器件放大器。运算放大器是由单片集成电路或者混合元件集合而成。一个运算放大器可以在一个芯片内集成成百上千个晶体管、电阻和电容。它们可以配置成正向或反向放大器。它们通过合适的外部元件可以组成乘法器、加法器、限幅器、滤波器等。lm339lm339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mv2）电源电压范围宽，单电源为2-36v，双电源电压为1v-18v3）对比较信号源的内阻限制较宽4）共模范围很大，为0（ucc-1.5v）vo5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压6）输出端电位可灵活方便地选用两个输入端电压差别大于10mv就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把lm339用在弱信号检测等场合是比较理想的。lm339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15k）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。85508550是一种常用的普通三极管。它是一种低电压,大电流,小信号的pnp型硅三极管，集电极-基极电压vcbo：-40v 。工作温度：-55 +150 ,和8050（npn）相对，主要用途：开关应用，射频放大。整流二极管in4002组成的电桥整流二极管in4002的参数：最高反向峰值电压（v）100v，平均整流电流（a）1a，最高峰值浪涌电流（a）30a，最大反向漏电流（a）5a，正向压降（v）1v，外形d0-41。三端可调节输出正电压稳压器lm317lm317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围为1.2v3.7v时能够超过1.5a的电流。此稳压器非常易于适用，只需要两个外部电阻来设置输出电压。此外还是用内部限流、热关断和安全工作区补偿使之基本能防止烧断保险丝。lm317服务于多种应用场合，包括局部稳压、卡上稳压。该器件还可以用来制做一种可编程稳压器，或者通过在调整点和输出之间接一个固定电阻，lm317可用作一种精密稳流器。输出电流超过1.5a输出在1.2v3.7v之间可调节内部热过载保护不随温度变化的内部短路电流限制输出晶体管安全工作区补偿对高压应用浮空工作表面贴装形式和标准3引脚晶体管封装避免置备多种固定电压3.1.3数字元器件的选取数字元器件的运行完全遵守数字信号处理原则。在许多情况下，传感器和变化器产生的信号在转换成数字信号前首先被模拟电路处理。然而，由于制作现代化传感器及相关设备的微技术和纳米技术发展迅速，许多纯数字元器件已经研发出来。比如，现在的基于数字电子学的只能传感器在一片芯片上可以包含完整的信号处理电路和传感器本身。因此，许多智能传感器的输出可以和其他的数字设备直接相连。本设计用到的数字元器件有74ls245、cd4511、共阴极数码管。74ls24574ls245是我们常用的芯片，用来驱动led或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。74ls245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。当8051单片机的p0口总线负载达到或超过p0最大负载能力时，必须接入74ls245等总线驱动器。当片选端/ce低电平有效时，dir=“0”，信号由 b 向 a 传输；（接收）dir=“1”，信号由 a 向 b 传输；（发送）当/ce为高电平时，a、b均为高阻态。由于p2口始终输出地址的高8位，接口时74ls245的三态控制端/1g和/2g接地，p2口与驱动器输入线对应相连。p0口与74ls245输入端相连,/e端接地，保证数据现畅通。8051的/rd和/psen相与后接dir，使得/rd或/psen有效时，74ls245输入（p0.idi），其它时间处于输出（p0.idi）。74ls245引脚图如下：图8 74ls245引脚图cd4511、共阴极数码管在显示、按钮电路设计中有具体的介绍。3.1.4传感器元器件的选取由于本设计所用的传感器是用于车流量的测量、车型的分类及车型的分类，所以选用红外收发器和线圈传感器即可实现功能。红外收发器用于车流量的测量，同时通过在道路两旁的不同位置布置多个红外收发器实现车型的分类，线圈传感器用于车型的分类。线圈传感器多匝数专用环形线圈线埋设于路面，它等效为一个感性器件，实际上它也是耦合振荡电路的一部分，其振荡信号通过信号整型电路和隔离开关选择电路送入89s51 的i/o，进行计数。当机动车经过环形线圈时，由于其自身的的铁质使得环形线圈的电感值减少，从而使耦合振荡电路的振荡频率发生改变，这样89s51 就可以通过单位时间段的脉冲计数值来判断有无机动车通过相应的环形线圈了。耦合振荡电路附图2 所示，这是一个电容反馈三点式振荡电路（对此电路的详细分析这里不再熬述），其振荡频率在300khz 左右,两个反接的4.3v 稳压管使正弦振荡信号被抑制在-5v至+5v的范围内，耦合变压器原副边匝数比为1：1，p6ke12ca 是一个瞬间抑制二极管用于抑制由静电等原因产生的瞬间高压。正弦振荡信号经过比较器lm339 初步整形后（其上升沿时间较长）进入信号整形电路。另外，一路环形地埋线圈对应一个检测通道，共有四路检测通道，这里只画出了其中一路。瞬态抑制二极管p6ke12ca是一种限压型的过压保护器件，它叫tvp、abd，以ps级的速度把过高的电压限定在一个安全的范围之内，从而起到保护后面电路的作用。广泛应用在但导体以及敏感的电子零件过电压、esd保护上，主要包括：消费类产品、工业产品、通讯、计算机、汽车、电源供应品、家用电器以及军事、航天航空导航系统以及控制系统上。它反应速度快，电压抑制能力强。红外传感器如附图采用远距离聚积式发射头tln911和接收头tlp911，安装方式如附图3所示，其有效距离大于10m，最大控制距离可达13m。图中a为发射板电路。由时基555集成电路构成频率约30khz的振荡器。此信号经晶体管vt7作电流放大后，驱动发射头内的红外发光二极管向外辐射30khz的脉冲红外线。555定时器555定时器又称为时基电路，外部加上少量阻容元件，即能构成多种脉冲电路，而且价格低廉、性能优良，在工业自动控制、家用电器和电子玩具等许多领域得到了广泛应用。555定时器概述分类a.按照内部器件分，555定时器可分为双极型和单极型（cmos）。双极型555主要特点是输出电流大，达200ma以上，可直接驱动大电流执行器件，如继电器等。单极型（cmos）555主要特点是功耗低，输入阻抗高，输出电流较小（iovcc/3,a2输出端sd=1；触发器输出q=0，q=1，t导通，uout=1。uth2vcc/3，rd=1；utrvcc/3，sd=1；触发器输出保持不变。uth2vcc/3，rd=1；utrvcc/3，sd=0；触发器输出q=1，q=0，t截止，uout=0。综上所述，555定时器是将触发电压（分别从高处发端th和低触发端tr输入）与2vcc/3和vcc/3比较，均大，则输出低电平，放电管导通；均小，则输出高电平，放电管截止；介于二者之间，则输出和放电管状态均不变。555定时器功能如表5所示。表5 555定时器功能表若ctr端输入控制电压uref，则th端与uref比较，tr端与uref/2比较，比较方法和结果与表5相似。设计中555定时器工作过程：当红外电路上电，电源通过r35、vd4向c7充电，此时由于c7上的电压还为0，所以555定时器的th、tr端的触发电压都小于vcc/3，555定时器输出为0，三极管vt7没有导通：随着c7的充电，c7上电电压不断升高，当th端的触发电压小于vcc/3，tr端的触发电压大于vcc/3时，555定时器的输出仍为0，三极管vt7仍没有导通；当c7上电电压使th端的触发电压大于vcc/3，tr端的触发电压大于vcc/3时，555定时器的输出由0变为1，三极管vt7导通，此时红外发射头向外发射红外波。由于555定时器输出为1，此时555中的放电管也导通，则此时c7通过r34，接到555定时器的放电端dis，进行放电，直到c7上的电压值使加在th、tr端的触发电压都小于vcc/3时，才停止放电，且555定时器的输出由1变为0，这个过程中三极管vt7一直是导通的，即红外发射头一直是向外发射红外射线的，之后c7上又开始充电，工作过程如上反复执行。由于电磁波的传播距离是由发射出的电磁波的波峰决定的，根据等面积法（即发射出的电磁波的能量相同）可知，传播周期相同的电磁波，波峰大的电磁波传播的距离远，所以在设计中使充电回路的电阻r35小于放电回路的电阻r34，以实现红外发射头发射出的红外波的峰值尽量高,即充电时间放电时间。其波形如下：图b为接受板电路。工作原理图中的cx20106可用ka2184、dbl2020代替。它与外围元件组成处理电路。cx20106是一种红外接收专用前置放大集成电路，具有较高的灵敏度。当接收头tlp911收到发射头tln911辐射的脉冲红外线时，便在a端产生相应的电脉冲，经vt9放大后，经电容器c2加到cx20106的脚进行放大、整形、带通比较，由脚输出低电平，vt10、vt11截止，vt12导通，光耦隔离器无输出。执行控制电路由vt10、vt11、vt12、vd5、vd6、vd7及光电耦合器til521-4等组成。充放电路在cx20106的7端输出一系列固定频率的负脉冲信号，经三极管倒相放大变成的脉冲信号。倘若从发射头至接收头的红外线光束被行驶的车辆遮挡，vt11导通，vt12截止，通过光耦隔离器til521-4加到at89s51的p3.0、p3.1、p3.2、p3.3口。cx20106是红外遥控接收集成电路，它由前置放大器，限幅放大器，带通滤波器，峰值检波器和整形电路等组成。前置电路将接到的信号送到cx20106的1脚，cx20106的总放大增益80db，其7脚输出的控制脉冲序列信号幅度在3.55v范围内。总增益大小有2脚外接的电阻r35和电容c14决定，电阻r35越小或电容c14越大，增益越高。但取值过大时将造成频率响应变差，电容为1uf。积分电容c13取330pf。经cx20106后的脉冲信号由7脚输出。前置放大器（cx20106）内部原理如图8所示。图11 cx20106内部原理图执行控制电路tlp521是可控制的光电藕合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。tlp5211，2和4组成的砷化镓红外发光二极管耦合到光三极管。tlp5212提供了两个孤立的光耦8引脚塑料封装，tlp5214提供了4个孤立的光耦中16引脚塑料di