毕业设计（论文）自适应交通灯控制器的设计.doc

摘要随着现代社会对交通运输的日趋依赖，交通灯成为了人们生活中不可或缺的一部分。传统的交通灯控制器虽然在一定程度上可以满足指挥路口交通的需要，但随着城市规模的不断扩大，原有的交通灯控制器已经表现出明显的缺点：红绿灯时间相对固定，不能伴随车流量的改变而调整红绿灯的显示时间。本设计以十字路口交通灯的控制为研究对象，以交通工程基本理论为基础，结合当前的单片机应用技术，对智能交通灯控制系统进行了分析和研究。文章论述了基于AT89C51单片机的交通灯控制器的设计，该控制器根据车流量的情况可以自适应的改变车辆的通行时间，以提高交通的利用率，通过LED数码管来显示交通灯的闪亮时间。关键词：车流量；交通灯控制器；智能控制；LED显示Abstract With increasing reliance on transportation in modern society,Traffic lights have become an important part in pepoles daily lives. To some extent, traditional traffic control machine can meet the needs of the traffic junction, however, with the continuous expansion of city scale, the traditional traffic lights control machine have showed 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 with current technology and application of microcotroller, which does detai analysis and research on intelligent traffic lights control machine. This article discusses traffic lights control machine based on AT89C51 microcontroller, which can chang self-adaptively the corresponding time to permit a vehicle and a care to pass through for raising the use efficiency of the transportation path according to the condition of the traffic flow.Which is driven LEDfigueres a tube to show traffic lights bright time.Key words:Traffic flow； Traffic lights； Intelligent control； LEDshow目录摘要IAbstractII目录III前 言- 1 -第一章 现实交通与改善概述- 2 -1.1基于单片机交通灯控制器的选题背景- 2 -1.2选题的现实意义- 2 -1.3 交通的解决方法- 3 -第二章 交通灯控制器的设计元件- 4 -2.1单片机的发展- 4 -2.2 AT89C51 单片机简介- 4 -2.3 光电开关- 7 -2.3.1 光电开关的工作原理- 7 -.2.3.2 光电开关的分类- 7 -2.3.3光电开关的应用- 8 -2.4 ULN2003概述- 8 -2.4.1 ULN20003的内部结构- 9 -2.4.2七段数码管- 9 -2.5 电源电路设计- 10 -2.5.1 三端稳压器简介- 10 -2.5.2 电源电路图- 11 -第三章 交通灯控制器的设计- 12 -3.1 控制器的设计原理及框图- 12 -3.2 控制器的设计方案- 13 -3.2.1设计要求- 13 -3.2.2车流量信号提取单元电路设计- 14 -3.3.工作原理- 15 -3.4控制器的组成- 15 -3.4.1锁存器模块- 16 -3.4.2置数模块、计数模块、译码模块- 17 -3.4.3控制器模块- 17 -第四章 程序设计- 19 -4.1 软件设计流程图- 19 -4.2 软件可靠性设计- 19 -4.3主程序流程图- 21 -4.4中断流程图- 22 -4.5汇编程序设计- 23 -第五章 仿真与调试- 27 -5.1 Proteus仿真软件简介- 27 -5.2 程序仿真- 27 -5.3 调试安装- 28 -第六章 PCB制作- 29 -6.1 PCB布局规则设置- 29 -6.2 PCB布线规则设置- 30 -6.3元器件的安装与焊接- 31 -6.3.1 元器件的安装- 31 -6.3.2 元器件的焊接- 32 -参考文献- 33 -总结- 34 -致谢- 35 -附录状态一仿真图- 36 -附录状态二仿真图- 37 -附录状态三仿真图- 38 -附录原理图- 39 -附录原理仿真图- 40 -附录上层PCB板- 41 -附录下层PCB板- 42 -前 言随着经济的发展，车辆的急剧增多，城市发展对道路交通的要求也越来越高。目前城市所使用的交通灯控制器一般还是定时控制，对车流量不能起到很好的调节作用，无法更好的利用现有道路，在一定程度上，道路交通甚至成了城市发展的瓶颈。对道路交通的改善，无外乎拓宽道路与改善道路设施，提高道路利用率，是交通控制系统智能化，无疑是改善城市交通状况的福音。对于拓宽道路投资甚多，且征用土地在城市中真是难以实现因此改善道路交通设施，提高现有道路的利用率不失为解决道路拥塞比较好的方案，国内也有类似的相关文章报道。例如，ITS智能交通灯控制系统1，该系统突入成本很大，管理与维护的成本都很高2；如果采用洛克威尔公司的Micrologix500系列可编程控制器【PLC】因此该系统采用压一点方式，对实现单方向技术有困难4。本文是基于单片机可编程逻辑器件，设计一种自适应交通灯控制器。该控制器硬件成本低，安装比较方便，可以实现单方向计数，误计率小，既可用作单点控制，也可实现全局控制，在以后具有广泛的应用前景。第一章 现实交通与改善概述1.1基于单片机交通灯控制器的选题背景随着城市机动车辆的不断增加，许多大城市出现了交通超负荷运行的情况。因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路系统的研究和控制使得高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路。如何缓解主干道、匝道和城区周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。目前，国内大部分中小城市仍采用传统的交通灯控制模式，但随着城市的不断发展基于车流量的智能交通灯控制器必将受到广大人民的青睐。传统的交通信号灯，通常采用定时分配方式控制，主要存在三方面的缺陷：（1）车道放行车辆时，十字路口经常出现不同相位上车辆放行时间相同，车辆多的一方容易出现车辆堆积，从而造成下一路口的交通阻塞；（2）当某相位上无车时，恰好是该相位上的车辆通行时间，则在这段时间内，就出现了交通指挥盲点；（3）当一路口车流量很大时，不能够自动延长十字路口的绿灯时间，导致在一个周期内此路口的车辆不能完全通过。1.2选题的现实意义 20世纪30年代初，美国最早开始用车辆感应式信号控制器，之后是英国，当时使用的车辆检测器是气动橡皮管检测器。车辆感应控制器的特点是它能根据检测器测量的交通流量来调整绿灯时间的长短，使绿灯时间更有效地被利用，减少车辆在交叉口的时间延误，比定时控制方式有更大的灵活性。车辆感应控制的这一特点刺激了车辆检测器技术的快速发展。继气动橡皮管式检测器出现之后，雷达、超声波、光电、地磁、电磁、微波、红外以及环形线圈等检测器相继问世。当今在城市道路交通自动控制、交通监测和交通数据采集系统中，应用最广的是环形线圈车辆检测器。超声波检测器主要在日本等少数国家得到广泛应用。可以说，在近百年的发展中，道路交通信号控制系统经历了手动到自动，从固定配时到灵活配时，从无感应控制到有感应控制，从单点控制到干线控制，从区域控制到网络控制的长远过程。交通控制研究的发展，旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于道路建设的暂时不足和交通工具的快速增长，就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪，另外，针对整个交通线路车辆的多少实时调整和转移多条线路的分流也十分必要。1.3 交通的解决方法为了更好的解决上述问题，本控制器利用红外线传感器检测车流量状态，常利用光电开关技术成熟，高速响应，可输出丰富的车辆数据信息，能可靠检测各种特殊车辆。抗干扰性强，不受恶劣气象条件或物体颜色的影响，安装简便。用单片机AT89C51对十字路口车流量进行统计，并执行相应的处理程序，来实现智能交通灯控制系统，达到了根据车流量大小实时控制路口的通行情况。该交通灯控制器的设计具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便等优点，具有广泛的应用前景。采用AT89C51单片机作为主控制器。AT89C51具有两个16位定时器/计数器，5个中断源，便于对车流量进行定时中断检测。32根I/O线，使其具有足够的I/O口驱动数码管及交通灯。外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K，便于系统扩展。其T0，T1口可以对外部脉冲进行实时计数操作，故可以方便实现车流量检测信号的输入。采用数码管与点阵LED相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出，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灯分别显示时间及状态信号。第二章 交通灯控制器的设计元件2.1单片机的发展单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。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。单片机经过1、2、3三代发展，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。2.2 AT89C51 单片机简介 可编程可擦除只读AT89C51单片机是一种带4K字节闪烁编程可擦除只读存储器（FPEROM Falash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低压，高性能的CMOS 8微处理器，单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非议式存储器制造及时制造与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多种功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中。AT89C51单片机包含有中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在分别加以说明： (1)中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。(2)数据存储器(RAM)AT89C51内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。(3)程序存储器(ROM)：AT89C51共有4KB掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。(4)定时/计数器(ROM)：AT89C51有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。(5)并行输入输出(I/O)口：AT89C51共有4组8位I/O口(P0、P1、P2和P3)，用于对外部数据的传输。(6)全双工串行口：AT89C51内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。(7)中断系统：AT89C51具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。(8)时钟电路：AT89C51内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲DE 时序，但AT89C51单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。AT89C51单片机的引脚说明：MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。引脚说明：Pin9：RESET/Vpd复位信号复用脚，当89C51通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，及89C51的初始态。89C51的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，如图2.2.2。此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电期间，此脚可接备用电源，以保证其内部RAM的数据不丢失5。图2.2.2两种复位电路Pin30：AE/当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳Pin29：当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。Pin31：EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，89C51内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031，EA端必须接地。在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压6。2.3 光电开关2.3.1 光电开关的工作原理光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。其工作原理如图2.3.1所示：图2.3.1光电开关工作原理图发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。.2.3.2 光电开关的分类光电开关按照检测方式可分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。对射式的检测不透明物体方式有扩散、狭角、细束、槽型、光纤等方式，扩散的特点是检测距离较远，也可检测半透明的物体的密度透过率；狭角的特点是光束发散角小，抗邻组干扰能力强；细束的特点擅长检出细微的孔径、线形和条状物；槽型的特点是光轴固定不需调节，工作位置精度高；光线的特点适宜空间狭小、电磁干扰大、温差大、徐防爆的危险环境。反射式的检测透明物体和不透明物体方式有限距、狭角、标志、扩散、光纤。限距的特点工作距离限定在光束焦点附近，可避免背景影响；狭角的特点是同限距限，并可透检透明物后面的物体；标志的特点是颜色标记和孔隙、液滴、气泡检出、测电表、水表转速；扩散的特点是检测距离远，可检出所有物体，通用性强；光纤的特点是适宜空间狭小、电磁干扰大、温差大、需防爆危险环境；镜面反射式检测透明和不透明物体的特点是反射距离远，适宜远距检出，还可检出透明、半透明物体。光电开关按结构可分为放大器分离型、放大器内藏型和电源内藏型三种。放大器分离型是将放大器与传感器分离，并采用专用集成电路和混合安装工艺制成，由于传感器具有超小型和多品种的特点，而放大器的功能较多。因此，该类型采用端子台连接方式，并可交、直流电源通用。具有接通和断开两种延时功能，兼有接点和电平两种输出方式。放大器内藏型是将放大器与传感器一体化，采用专用的集成电路和表面安装工艺制成，使用直流电源工作。其响应速度快，有0.1ms和1ms两种，能检测狭小和高速运动的物体。兼有电压和电流两种输出方式，能防止相互干扰，在系统安装中十分方便。电源内藏型是将放大器、传感器与电源装置一体化，采用专用集成电路和表面安装工艺制成，它一般使用交流电源，适用于在生产现场取代接触式行程开关。可直接用于强电控制电路，也可自行设置自诊断稳定工作区指示灯，输出备有SSR固态继电器或继电器常开、常闭接点，可防止相互干扰。2.3.3光电开关的应用随着我国工业自动化技术的迅速发展，光电开关自动化元件将被普遍采用。应用领域也在不断扩展，采用集成电路技术和SMT表面安装工艺而制造的新一代光电开关器件，具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能。这种新颖的光电开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关，它所使用的冷光源有红外光、红色光、绿色光和蓝色光等，可非接触、无损伤地检测和控制各种固体。新型的光电开关具有体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强等优点。目前，这种新型的光电开关已被用作物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、以及安全防护等诸多领域。在本设计中，采用对射式红外线光电开关HJS18-M14DNK检测车流量。HJS18-M14DNK工作电压为直流10-30V，检测距离为10m，响应时间小于3ms,能在-2555的温度条件下正常工作。当有车辆通过光电开关之间时，输出端将输出一个开关信号，送入单片机，单片机执行相应程序自动对输入信号进行计数，从而完成对车流量的统计。2.4 ULN2003概述 ULN2003是概述具有高耐压、大电流，内部由七个硅NPN达林顿管组成的驱动芯片。它的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以与高负载电流并行运行7。2.4.1 ULN20003的内部结构ULN2003的内部结构如方框图2.4.1所示： 图2.4.1ULN2003的内部结构ULN2003经常应用于显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、电磁阀驱动伺服电机、步进电机驱动等电路中。2.4.2七段数码管数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。分段式数码管由分布在同一平面上若干段发光的笔画组成，如半导体显示器。其基本结构是PN结，即用发光二极管（LED）组成字型来来显示数字。这种数码管的每个线段都是一个发光二极管，因此也称LED数码管或LED七段显示器。共阳数码管如图2.4.2所示在应用时应将公共极COM接到+5V电源上，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管如图2.4.3所示是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮了7。将多只LED的阴极连接在一起即为共阴式，而将多只LED的阳极连接在一起即为共阳式。以共阴式为例，如把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，那么该段就会立即发光。当然LED的电流通常较小，一般均需要在回路中接上线电阻。假如我们将"B"和"C"段接上正电源，其它端接地或悬空，那么"B"和"C"段发光，此时，数码管显示将显示数字“1”。而将"A"、"B"、"D"、"E"和"G"段都接上正电源，其它引脚悬空，此时数码管将显示“2”。其它字符的显示原理类同。图2.4.2共阳数码管图2.4.3共阴数码管 2.5 电源电路设计2.5.1 三端稳压器简介三端稳压器，主要有两种：一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器；另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳太器。其基本原理相同，均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能稳定，价格低廉等优点，因而得到广泛应用。三端稳压器的通用产品有78系列（正电源）和79系列（负电源），输出电压由具体型号中的后面两个数字代表，有5V，6V，8V，9V，12V，15V，18V，24V等档次。输出电流以78（或79）后面加字母来区分。L表示0.1，AM表示0.5A，无字母表示1.5A，如78L05表示5V，0.1A。 2.5.2 电源电路图本设计需要提供两种稳定电压，为了提高系统的稳定性采用双电源分别对其提供稳定电压。故选择MC7805稳压器提供单片机+5V电压，MC7812稳压器提供光电开关+12V电压。其应用电路如图2.5.2a所示，图2.5.2b所示：图2.5.2a MC7805稳压器提供光电开关+5V电压电路图2.5.2b MC7812稳压器提供光电开关+12V电压电路第三章 交通灯控制器的设计3.1 控制器的设计原理及框图在十字路口交通灯控制器中大多数采用定时器控制即不管车辆的具体情况红、黄、绿灯的时间是一个固定值，有的城市路口制器做得比较好的话，则进一步根据不同时间段分成几个不同的固定值。例如，8:0018:00为一个固定值，18:008:00为另一个固定值这就在一定程度上增加了车辆的通行量，减少了车辆的等待时间，但还是不能从根本上解决问题，仍然容易造成交通拥挤。例如，东西方向车流量大，南北方向车流量小，但由于红绿灯时间固定，使得即使南北方向没有车流量通过，东西方向必须等待已设置的时间，等绿灯亮才能放行，这使得道路的利用率降低，针对这一状况则提出一种能根据不同方向的车流量情况，自适应的改变交通灯控制器来控制红绿灯时间长短的方法，即当东西方向车流量大而南北方向较少时能够延长东西方向的绿灯时间，缩短南北方向的绿灯时间反之亦然，这样可以大幅度的减少车辆的拥挤，提高道路的利用率。在设计中，车流量信号的提取至关重要，在这里采用单片机技术用三个普通的光电开关来实现单方向的计数。控制器的数据处理部分，采用的是规模可编程的逻辑芯片实现如图3.1所示：红、黄、绿红、黄、绿清零光-电信号主控制器单片机特殊状态光-电信号光-电信号译码定时清零信号驱动光-电信号显示图3.1自适应交通灯控制原理图3.2 控制器的设计方案3.2.1设计要求通常车流量较大是在一个十字路口，分为南北向和东西向，为了确保车辆安全迅速的通行，在交叉口的每个人行口处设置了红、黄、绿3色信号灯如图3.2.1所示：十字路口的交通图说明如下:黑色表示交通灯亮，白色表示交通灯灭。对信号灯的要求如下：图3.2.1交通状态 (1)当某一方向上的车流量较大时有流量控制信号提供则有以下三种状态。状态: 当定时时间，执行定时中断T0时，单片机将T1的计数值送给车流量检测变量CAR_NUMBEERS，单片机每执行一次程序，都将会扫描该变量的值。当CAR_NUMBERS大于25辆/分，执行状态：东西方向绿灯，南北方向红灯，倒计时40秒，然后东西黄灯5秒，南北保持红灯5秒，紧接着东西红灯，南北方向绿灯，倒计时25秒后，南北亮黄灯5秒，东西保持红灯状态5秒后，重新扫描。状态: 当系统刚开始工作或者CAR_NUMBERS大于15辆/分或小于25辆/分，将执行状态：东西方向绿灯，南北方向红灯，倒计时30秒，然后东西黄灯5秒，南北保持红灯5秒，紧接着东西红灯，南北方向绿灯，倒计时25秒后，南北亮黄灯5秒，东西保持红灯状态5秒后，重新扫描状态：CAR_NUMBERS当小于15辆/分东西方向绿灯，南北方向的红灯，则倒计时50秒，然后东西黄灯5秒，南北保持红灯5秒，紧接着东西红灯，南北绿灯，倒计时45秒后，南北亮黄灯5秒，东西保持红灯5秒后，重新扫描8。 能实现总体清零功能。 能实现特殊功能显示，进入特殊状态时(如119救火车，或120救护车通过时)，则东西南北方向都是红灯状态。(2)相关参数说明：交通量counts：是指在选定的时间段内，通过道路某一地点、某一断面或某一条车道的车辆实体数。交通量是一个随机数，不同时间、不同地点的交通量都是变化的，交通量随时间和空间变化的现象，称之为交通量的时空分布特性。通常取某一时间段内的平均值作为该时间段内的交通量。参考时间t：为了更准确地表示某个路口的车流量，选择一个适合的时间段作为参考值，即参考时间。车流量CAR_NUMBERS：指单位时间内通过某一地点、某一断面或某一条车道的车辆实体数。具体关系如下：CAR_NUMBERS = counts/t (辆/分)3.2.2车流量信号提取单元电路设计根据以上的设计要求，自适应交通灯控制器中，统计车流量的部分是一个关键，这部分的设计需要考虑的因素很多，但最主要的是要能够进行单方面计数，而且统计误差率小。针对这样的要求。实际方案如下：本设计中采用的是三个普通的光电开关价格比较便宜，利用AT89C51系列单片机的两个外部中断INT0，INT1它们可以方便地实现单方向计数，AT89C51单片机有五个中断，两个外部中断，三个内部中断这里只利用它的两个有用的外部中断口。由单片机AT89C51实现的车流量计数的电路原理框图如图3.2.2所示：图3.2.2电路原理框图3.3.工作原理 汽车由南向北行驶，首先经过光电开关，则产生INT0中断，在INT0中断打开计数开关和INT1中断开关。经过光电开关2时，则产生INT1中断，在INT1中断中，判断P1.1是否为高电平，若是，则计数器加1。经过光电开关3时，同样的会产生INT1中断，在中断程序中，判断P1.0是否为高电平，若是，则可关闭INT1中断开关和计数器开关，防止反向计数，反之由北向南行驶的汽车则不产生计数，光电开关信号均通过一个非门连接到P1口上，主要是可以消除干扰造成的错误动作，实践证明效果很好。3.4控制器的组成 自适应交通灯控制器包括锁存器模块，计数器模块，控制器模块，置数模块，显示模块，振荡部分模块，译码驱动模块模块共7个模块。通过这七大模块的共同作用，组成了根据车流量自行调节的交通灯控制器，该控制器的应用前景非常好，它操作简单，并且元件都非常实惠，所以它将会取代现在的交通灯控制器。自适应交通灯控制器电路原理框图如图3.4所示：其中核心部分是主控制器。振荡红、黄、绿 主控制器锁存器计数器消零译码显示置数器图3.3控制器电路原理框图3.4.1锁存器模块为自适应在系统中，需要对车流量输出信号二位接收，并作出判断，送给主控制器，因此控制器与车流量统计器之间有一个通信问题。考虑到车流量统计器放在里十字路口前200米的地方，因此，在每次红灯开始亮时，读取车流量输出信号二位表示四种车流量情况，输出四种不同时间，为下一次绿灯时间长短提供数据，因此，需将统计流量信号锁存，同时给车流量统计器一个清零信号，是流量统计器重新计数，并输出。锁存器模块实际上是两个D触发器统计车流量锁存器电路框图如图3.4.1所示：D1Q1INT1CLK至主控制器D2CLKQ2INT2来自主控制器图3.4.1统计车流量锁存器电路框图3.4.2置数模块、计数模块、译码模块 由于设计的交通灯控制器要进行多种定时取决于车流量信号，所以本交通灯控制器采用的是一个置数模板有主控制模块输出信号控制定时时间的选择。 定时计数器采用倒序计时的方式，由主控模块输出信号控制定时的开始，定时时间结束时输出定时时间结束信号到主控模块，通过主控模块控制各种交通灯的开或闭。计数模块中为是编程方便，设计中采用了绿灯时间+红灯时间+黄灯时间=固定值方法，编程简单，实际运行时只要确定绿灯时间，则其他时间也就确定，这样就减少了程序开销，当然总的固定时间也可以设置调整。 译码模块把计数器输出地信号CLOW4,0、CHIGH4,0分别进行译码输出译码信号CLOW6,0、CHIHG6,0分别与数码管相连，有数码管显示当前计数值。3.4.3控制器模块 依据设计要求，主控制器的输入信号S特殊状态，T计时时间信号D1、D2来自流量统计锁存器输出CLK,CLR主控制器输出AR红灯AG绿灯AY黄灯另一方向上则BR、BG、BY、LD控制计数器的启动 cout1,0控制置数模块选择绿灯、红灯的待置数据，黄灯固定为三秒，CR为车流量清零信号，DS为锁存器信号，此模块用VHDL语言进行设计，结构体中包含三个进程描述逻辑。第一个进程描述时序逻辑，第二与第三进程描述包含三个进程描述组合逻辑。第一和第二实现状态转换，第三个进程由状态的输出其额定输出信号值，为交通灯控制器主控模块设计逻辑框图如图3.4.3所示：ARCLKAGCLRAYDSBRD1锁存器BGD2BYCRLDSCountTCounterCountCLKCHIGN3,0LDCLOW3,0CRD17,0CHIGN6,0Sn6,0Dn3,0SIN1,0 Q7,0Sl6,0Dl3,0CLOW6,0DECODEAETDATA图3.4.3交通灯控制器主控模块逻辑框图第四章 程序设计4.1 软件设计流程图由于使用了三个光电开关的信号按1、2、3时，则计数器加1，否则不应计数，在程序设计中充分利用单片机INT0、INT1可控制特征，打开或关闭中断开关，则可实现单方相计数，而P1口上的信号一方面可实现抗干扰，另一方面能够实现正确计数，减少误计率图4.1为软件设计流程图。INT1INT0主程序NN初始化P1.2=1?P1.2=1?NYYP1.2=1?计数器加1置INT1=1打开计数器开关置INT0=1置INT1=0置EA=1Y置INT1=0关闭计数开关返回主程序返回主程序返回主程序返回主程序图4.1 软件设计流程图4.2 软件可靠性设计在单片机软件程序的设计中，采用一些措施来提高单片机系统工作的可靠性。软件抗干扰研究的内容主要有：一、消除模拟输入信号的嗓声（如数字滤波技术）；二、程序运行混乱时使程序重入正轨的方法。这里针对后者提出几种有效的软件抗干扰方法。 （1）指令冗余技术 单片机CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数。当PC受干扰出现错误，程序便脱离正常轨道“乱飞”，当乱飞到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出错。若“飞”到了三字节指令，出错机率更大。 在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写称为指令冗余。通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。这样即使乱飞程序飞到操作数上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。 此外，对系统流向起重要作用的指令如RET、 RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入两条NOP，也可将乱飞程序纳入正轨，确保这些重要指令的执行。 （2）软件陷阱技术 当乱飞程序进入非程序区，冗余指令便无法起作用。通过设置软件陷阱，拦截乱飞程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。软件陷阱是指用来将捕获的乱飞程序引向复位入口地址0000H的指令。 在用户程序区各模块之间的空余单元也可填入陷阱指令。当使用的中断因干扰而开放时，在对应的中断服务程序中设置软件