信息与通信基于红外检测的智能交通信号灯系统设计任广禄.docx
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信息与通信基于红外检测的智能交通信号灯系统设计任广禄
基于红外检测的智能交通信号灯系统设计
摘要
交通灯是现代交通非常重要的一个组成部分，一套好的交通灯系统往往对提升城市交通运输效率，降低事故发生率有至关重要的影响。
本系统由单片机系统、双电源供电系统、交通灯演示系统、中断系统组成。
选用单片机作为此次设计的控制系统主要是考虑到单片机的通用性和廉价性。
通用性是指单片机的电路以及编辑语言相对比其他控制模块来说更加简单和通用，这个特点使得往后功能的添加以及系统的维护来说更加简便和易行。
廉价性是单片机相对于其他的控制模块来说成本更低，一块成熟的STC89C52的成本不过10元，加上其他的外围电路成本也不超过100元，无论是开发成本和维护成本都能够得到很好的控制。
本设计选用STC89C52主要也就是基于上述的两个原因。
本交通灯系统选用了LED灯和双位数码管来模拟显示交通灯切换状态。
双电源供电系统采用的是主电源和后备电源供电的方案。
双电源供电方案主要是为了应对市电突然掉电或者出现故障的情况，对于持续的保持整体系统的正常工作具有重要意义，其原理主要是利用二极管的向单向导电性所带来的开关功能来实现双电源瞬时的切换。
中断系统所实现的功能是在有特定需要的情况下实现对交通灯状态的控制。
这些状态包括全红灯和高低峰即时切换。
本系统除了实现最基本的交通灯功能以外，还可实现高低峰分时段控制方案以应对不同时段的不同交通状况，城市的交通早晚时段的流量往往能够达到最大，分时控制对于提高城市交通效率有非常重要的作用。
关键词：
单片机；STC89C52；交通灯；分时系统；双电源
ABSTRACT
Thetrafficlightisanessentialpartofmoderntransportation.Areliabletrafficlightsystemplaysakeyroleforimprovingurbantransportationefficiencyandloweringtrafficaccidentodds.
ThesystemconsistsofSCM,duplicatepowersupplysystenl,trafficlightdemonstrationsystemandinterruptionsystem.
Consideringtheuniversalproperty,itchoosessinglechipasthemaincontrolchip.Universalpropertymeansthatcircuitandprogramminglanguageareeasierandmorecommonwhichrelyonthesinglechipthanthatofothercontrolchip.Itissimplerandmoreconvenienttoaddmorefunctionsandmaintainthesystem.Inexpensivemeansthatthesinglechipcostslessthanothercontrolchip.ASTC89C52costslessthan10RMB.itcostslessthan100RMBevenpulsingperipheralcircuits.Inthiswayitcancontrolthedevelopingcostandmaintenancecost.So,thissystemchoosesSTC89C52ascontrolchip.
Thissystemadoptsadualpowersupplysystem,justasthemainandback-uppowersupply.Dualpowersupplyschemeismainlyinresponsetoasuddenpower-downormainsfailuresituation.Itissignificantforholdingthesystemworkcontinually.Theprincipleistouseone-waydiodeswitchconductivefeaturetoachievedualpowerswitchinginstantaneously.Interruptsystemistoachievethefunctionofaspecificneedinthecaseofspecialneedsofthesystenl.Thesestatesincludealltheredandhighorlowpeakswitchimmediately.
Thissystemnotonlyachievesthemostbasicfeaturesofatrafficlight,butalsoimplenlentshighandlowpeaktimesharingcontrolschemetodealwiththedifferentperiodsofdifferentcitiesintrafficconditions.Thetrafficflowachievesitsmaximuminthemorningandevening.Sotheshared-timeofcontrolhasaveryimportantroleforimprovingurbantransportefficiency.
KeyWords:
SingleChip;STC89C52;TrafficLight;Time-SharedSystem;Duplicatepower
前言
当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。
但这一技术在19世纪就已出现了。
1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。
这是世界上最早的交通信号灯。
1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。
它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。
1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。
电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。
红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。
1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。
带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。
红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。
红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。
信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。
1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。
绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。
左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。
红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。
黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。
本设计的单片机控制交通灯就是基于信号灯。
交通对于社会的工业经济和人们的生活生产中有着十分重要的意义：
随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，交通自动监测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的交通控制措施。
1主要硬件介绍及课题意义
1.1主要硬件介绍
1.1.1单片机相关介绍
单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。
它把中央处理器、存储器、输入／输出接口电路以及定时器／计数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。
正是由于这一原因，国际上逐渐采用微控制器（MCU）代替单片微型计算机（SCM）这一名称。
“微控制器”更能反映单片机的本质，但是由于单片机这个名称已经为国内大多数人所接受，所以仍沿用“单片机”这一名称。
由于单片机面对的是测控对象，突出的是控制功能，所以它从功能和形态上来说都是应控制领域应用的要求而诞生的。
随着单片机技术的发展，它在芯片内集成了许多面对测控对象的接口电路，如ADC、DAC、高速I/O口、PWM、WDT等。
这些对外电路及外设接口已经突破了微型计算机（microcomputer）传统的体系结构，所以更为确切[1]。
通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：
中央处理器、存储器和I/O接口电路等。
因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统[2]。
单片机经过1、2、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引脚的多功能化，以及低电压低功耗。
单片机的主要特点有：
l）具有优异的性能价格比。
2）集成度高、体积小、可靠性高。
3）控制功能强。
4）低电压，低功耗。
时钟电路：
STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图1-2（a）所示．在RXD和TXD引脚上接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。
STC89C52的管脚如图1-1所示
图1-1STC89C52管脚图
外部方式的时钟电路如图1-2（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2,供单片机使用[3]。
（1）内部时钟方式
（2）外部时钟方式
图1-2时钟电路
复位及复位电路：
a.复位操作：
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。
除pC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表1-1所示。
b.复位信号及其产生：
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。
若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。
复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。
表1-1一些寄存器的复位状态
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TCON
00H
ACC
00H
TL0
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL1
00H
DPTR
0000H
TH1
00H
P0-P3
FFH
SCON
00H
IP
××000000B
SBUF
不定
IE
0×000000B
PCON
0××××0000B
TMOD
00H
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的[4]。
本设计选用了市面上较为常见的STC89C52单片机，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，亦适用于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得STC89C52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[5]。
1.1.274HC573芯片
74HC573为八进制3态非反转透明锁存器,是高性能硅门CMOS器件。
SL74HC573跟LS/AL573的管脚一样。
器件的输入是和标准CMOS输出兼容的；加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。
当锁存使能端LE为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。
当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。
74HC573的管脚如图1-2所示
图1-274HC573管脚图
1.1.3红外对管
红外对管是红外线发射管与光敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收头配合在一起使用时候的总称。
光敏接收管是一个具有光敏特征的PN结，属于光敏二极管，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。
无光照时,有很小的饱和反向漏电流（暗电流）。
此时光敏管不导通。
当光照时,饱和反向漏电流马上增加，形成光电流,在一定的范围内它随入射光强度的变化而增大。
红外线接收管功能与光敏接收管相似只是不受可见光的干扰，属于光敏二极管，只对红外线有反应。
1．红外发光管的检测方法与正确使用
管子的极性不能搞错，通常较长的引脚为正极，另一脚为负极。
如果从引脚长度上无法辨识（比如已剪短引脚的），可以通过测量其正反向电阻确定之。
测得正向电阻较小时，黑表笔所接的引脚即为正极。
通过测量红外发光二极管的正反向电阻，还可以在很大程度上推测其性能的优劣。
以500型万用表R×lk档为例，如果测得正向电阻值大于20kΩ，就存在老化的嫌疑；如果接近于零，则应报废。
如果反向电阻只有数千欧姆，甚至接近于零，则二极管必坏无疑；它的反向电阻愈大，表明其漏电流愈小，质量愈佳。
2．红外线对管的判断方法
1）、用三用表测址识别可用500型或其他型号指针式三用表的R×lk电阻挡，测量红外对管的极间电阻，以判别红外对管。
判据一：
在红外对管的端部不受光线照射的条件下调换表笔测量，发射管的正向电阻小，反向电阻大，且黑表笔接正极（长引脚）时，电阻小的（lk-20k）是发射管。
正反向电阻都很大的是接收管。
判据二：
黑表笔接负极（短引脚）时电阻大的是发射管，电阻小并且万用表指针随着光线强弱变化时，指针摆动的是接收管。
注：
（1）黑表笔接正极，红表笔接负极时测景正向电阻。
（2）电阻大是指万用表指针基本不动。
2）、通电试验方法判别
用一只发光二极管和一只电阻与被测的对管串联，电阻起限流作用，阻值取220Ω-510Ω。
LED发光二极管用来显示被测红外管的工作状态。
用遥控器（电视机遥控器等）对着被测管按下遥控器的任意键，LED亮时，被测管是红外接收管。
不亮则是红外发射管。
测量红外发光二极管在发射器电路上的工作电压和工作电流，可以简便地判定其工作状态如何。
测量管子两端的工作电压时，静态下（即没有按键按下时）通常为零，而动态下（即按下某一按键时）将跳变为一个较小的电压值，因遥控系统的编码方式、驱动电路的结构以及工作电源电压的不同，该电压值通常在0.07～0.4V之间，而且表针还应微微颤抖。
当使用数字式万用表测量时，其测量值将普遍高于指针式万用表测得的数值，通常在0.1～0.8V之间。
如果出现静态时表针颤抖，而动态时不抖、静态下和动态下都颤抖、静态下和动态下均不颤抖，以及动态电压下静态电压无明显差别等现象，可判定红外发光二极管工作异常，倘若驱动放大电路正常，则多为红外发光二极管损坏。
红外发光二极管应保持清洁、完好状态，尤其是其前端的球面形发射部分既不能存在脏垢之类的污染物，更不能受到摩擦损伤，否则，从管芯发出的红外光将产生反射及散射现象，直接影响到红外光的传播，轻者可能降低接收的灵敏度，缩减接收距离，重者可能产生失灵，甚至遥控失效。
红外发光二极管在工作过程中其各项参数均不得超过极限值，因此在代换选型时应当注意原装管子的型号和参数，不可随意更换。
另外，也不可任意变更红外发光二极管的限流电阻。
由于红外光波长的范围相当宽，故红外发光二极管必须与红外接收二极管配对使用，否则将降低接收的灵敏度，缩减接收距离。
因此在代换选型时，要务必关注其所辐射红外光信号的波长参数。
红外发光二极管封装材料的硬度较低，它的耐高温性能更差，为避免损坏，焊点应当尽量远离引脚的根部，焊接温度也不能太高，焊接时间更不宜过长，最好用金属镊子夹住引脚的根部，以帮助散热。
引脚弯折开关的定型应当在焊接之前完成，焊接期间管体与引脚均不得受力。
将红外线发射管红外线接收管分别置于道路两侧，调整位置，使得当道路无车辆通过时，红外线接收管能稳定接收到红外线发射管发出的红外线。
当道路上没有车辆通过时，红外线接收管保持导通状态，输出高电平；当道路上有车辆通过时，车辆阻挡红外线接收管，红外线接收管截止，输出低电平。
系统可以根据低电平的脉冲数来计数，并将每分钟收到的脉冲数通过数码管显示出来，即路口的车流量。
由于本设计要求系统24小时工作，为了排除白天的阳光及晚上灯光的干扰，更加精确的统计十字路口的车流量，本设计采用抗干扰能力更强的红外线发射管及红外线接收管组成红外对管传感器。
1.1.4七段LED数码管
LED（LightEmittingDiode），发光二极管，它是一种固态的半导体器件，可以直接把电转化为光。
LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片由三部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，中间通常是1至5个周期的量子阱。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理[6]。
而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。
图1-3数码管引脚图
LED显示屏作为大型显示设备的一种，具有亮度高、价格低、寿命长、维护简便等优点。
L印数码管的结构简单，分为七段和八段两种形式，也有共阳和共阴之分。
以八段共阴管为例，它有8个发光二极管（比七段多一个发光二极管，用来显示SP，即点），每个发光二极管的阴极连在一起。
这样，一个LED数码管就有1根位选线和8根段选线，要想显示一个数值，就要分别对它们的高低电平来加以控制。
为方便起见，本文主要讨论共阴七段LED数码显示管，其他类形的显示管与其类似。
LED灯的显示原理：
通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否点亮而显示不同的字形
1.2课题意义及总体设计
使用单片机作为本设计的控制方案主要是考虑到其低廉的成本和易学易用的特性，相较于类似ARM这类性能更为强大的控制方案，单片机的性能并非其优势所在。
但是如何充分利用单片机已有的功能进行最大化的开发才是本设计的重点。
1.2.1课题的主要内容
课题的主要内容包括如下几个方面：
（1）.设计交通灯状态的管理方案，交通灯系统共有五个状态：
S1：
南北方向车辆通行，东西方向及所有左转方向禁行，东西方向人行道通行，南北方向人行道禁行；
S2：
东西方向车辆通行，南北方向及所有左转方向禁行，南北方向人行道通行，东西方向人行道禁行；
S3：
南左转西、北左转东方向车辆通行，南北方向、东西方向、西左转北、东左转南方向车辆禁行，南北方向、东西方向人行道禁行；
S4：
西左转北、东左转南方向车辆通行，南北方向、东西方向、南左转西、北左转东方向车辆禁行，南北方向、东西方向人行道禁行；
S5：
全红灯，紧急事件状态。
（2）.设计单片机最小系统和周边电路系统；周边电路主要有交通灯演示电路系统、车流量检测电路系统、双电源供电电路系统和中断电路系统
（3）.设计交通灯系统不间断供电系统以及中断系统的电路结构；
（4）.设计整个系统的电路分布和接线；
（5）.使用C语言编写整个系统运行所需要的程序，重点是分时管理系统和紧急中断系统的程序。
1.2.2系统主要工作过程
（a）.系统上电后，显示交通灯基本状态，按中断按键，中断正常，直接进入S5状态，按复位按键，整个系统复位成功。
（b）.按高低峰切换按键，系统即时切换到高峰时段方案，再按下高低峰切换按键，系统即时切换到低峰时段方案，最后按下高低峰按键，系统重新进入预定流程。
（c）.按下流量检测按键时，数码管显示道路每分钟通过路口的车流量。
（d）.在未进行任何的中断和复位操作时，交通灯按照预定流程进行，在高低峰两个设定时段内变化。
总的来说，本设计的意义有以下4个方面：
（1）.对单片机这一成熟的解决方案在交通灯领域的应用进行研究和开发；
（2）.探究分时管理系统在交通灯系统中的应用，对分时管理系统的C语言算法进行开发。
举一反三，延伸到其他类似领域的应用；
（3）.探究全新的交通灯管理系统；
（4）.建立不间断电源在实际应用领域的具体模型和电路结构。
2方案比较、设计和论证
2.1供电方案
为使模块稳定工作，须有可靠电源。
本设计考虑了两种电源方案：
方案一：
采用独立的稳压电源。
此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。
方案二：
采用单片机控制模块提供电源。
本方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高。
考虑到实际情况和电路的简洁，本设计采用了第二套方案，同时在考虑到突发断电的情况，还增加了一个后备电源，再打开后备电源的时候，如果主电源断电，后备电源瞬间接通继续供电，这里会利用到二极管的单向导电性。
2.2显示界面方案
本设计涉及到倒计时、状态灯等功能。
基于功能需求，本设计考虑如下三个方案：
方案一：
完全采用数码管显示。
这种方案只显示有限的符号和数码字符，无法胜任功能需求。
方案二：
完全采用点阵式LED显示。
这种方案实现复杂，且需要大量软件工作，但功能强大，可方便的显示各种英文字符、汉字、图形等。
方案三：
采用数码管与点阵LED相结合的方法。
因为设计既需要倒计时数字输出，又要求有状态灯输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用数码管与LED灯分别显示时间与提示信息。
这种方案既能满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度。
2.3输入方案
考虑到紧急情况和具体现场的情况，本设计考虑到两种方案：
方案一：
采用8155扩展I/O口及键盘，显示等。
该方案的优点是：
使用灵活可编程，并且有RAM，及计数器。
若用该方案，可提供较多I/O口，但操作起来稍显复杂。
方案二：
直接在I
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