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基于單片機的交通燈控制系統
摘要：本文根據AT89C51單片機的特點及交通燈在實際控制中的特點，提出了一種用單片機自動控制交通燈以及時間顯示的方法，同時給出了軟硬件設計的方法。設計的過程包括硬件電路設計和程序設計兩大步驟，對在單片機應用中可能遇到的重要設計問題都有涉足。本系統采用單片機作為核心控制器，通過紅外檢測系統來測量東西方向和南北方向的車流量大小，經過簡單的算法得出紅綠燈時間。然后分別用紅、黃、綠燈的不同組合來指揮兩個方向的通車與禁行，用LED數碼管作為倒計時指示，實時地控制當前交通燈時間使LED顯示器進行倒計時工作并與狀態燈保持同步，在保持交通安全的同時最大限度地提高交通能順暢交替運行，從而實現十字路口的智能交通控制。
關鍵詞：單片機；交通燈；紅外檢測；智能控制
Abstract: This paper according to characteristics of the AT89C51 single-chip microcomputer and the characteristics of the traffic lights in the actual control of the proposed a single-chip microcomputer automatic control traffic lights and time display method, and gives the hardware and software design method. Design process, including hardware circuit design and software design two major steps, on the important design issues that may be encountered in the application of SCM involved. This system uses the monolithic integrated circuit as the core controller, through the infrared detection system to measure the east-west and north-south direction the volume of traffic, the red and green light time was obtained through simple algorithm. Then respectively, with red, yellow and green light for different combinations of to command two The opening of the direction and the forbidden line, with LED digital tube as a countdown to the instructions, real-time control the traffic lights time led display countdown work and maintain the synchronization with the state of light, while maintaining the traffic safety and maximize the increase traffic to alternate running smoothly, so as to realize the crossroads of the intelligent traffic control.
Key words: single chip microcomputer; traffic lights; infrared detection; intelligent control
1 緒論
1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅、藍兩色的機械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行，這是世界上最早的交通信號燈。1918年，又出現了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。信號燈的出現，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯合國《道路交通和道路標志信號協定》對各種信號燈的含義作了規定：綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉彎和右轉彎，除非另一種標志禁止某一種轉向。左右轉彎車輛都必須讓合法地正在路口內行駛的車輛和過人行橫道的行人優先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線。
1.1研究意義
隨著社會經濟快速發展，汽車數量的急劇增加，給城市交通帶來了極大的壓力。特別是在上下班高峰期，巨大的車流量使得道路擁擠，造成了不必要的時間浪費與經濟損失。由此可見，交通擁塞已成為一個國際性的問題。因此，設計可靠、安全、便捷的智能交通燈控制系統有極大的現實必要性。而社會上正在使用的交通控制系統主要有兩個缺陷:1、車道放行車輛時，時間設定相同且固定，十字路口經常出現主車道車輛多，放行時間短，車流無法在規定時間內通過，而副車道車輛少，放行時間明顯過長;2、未考慮急車強通（例如，消防車執行緊急任務時，兩車道都應等待消防車通過)。由于交通信號燈控制系統缺乏有效的應急措施，導致十字路口交通受阻，造成不必要的經濟損失[18]。
本系統利用AT89C51單片機[1]，實現了根據區域車流量、紅外檢測或者人為操作進行十字路口交通信號燈智能控制[2]，并在軟硬件方面采取一些改進措施，實現了根據十字路口車流、紅外檢測量進行交通信號燈智能控制，并且在緊急情況下，可以使用緊急按鍵使兩路口都為紅燈，讓緊急車輛通過后再恢復正常通車，這樣，交通信號燈現場控制靈活、有效，從一定程度上解決了交通路口堵塞、車輛停車等待時間不合理等問題，并可通過人為控制來解決緊急車輛強通問題。該系統具有結構簡單、可靠性高、成本低、實時性好、安裝維護方便等優點，并且具有良好的擴展完善特點，有廣泛的應用前景。
1.2交通燈研究現狀
1.2.1 國內城市交通現狀
汽車進入家庭步伐的加快和城市汽車數量的增多, 城市道路交通問題顯得越來越重要。我們在馬路上經常會看到這種現象: 一旦整個路口的交通信號燈出現故障, 若沒有交警的及時疏導, 該路口就會塞得一塌糊涂。原交通信號控制大都采用繼電器實現, 存在著功能少、可靠性差、維護量大等缺點,越來越不能適應城市道路交通高速發展的要求。另外, 根據人車流量的多少, 可能隨時增加路口的交通信號, 比如增加轉彎或人行道交通信號, 原有系統的制約性就更明顯了。交通問題在現在乃至將來的一段時間內仍是制約國內各大中城市發展的主要問題之一。
以北京為例，“開車沒有騎車快，坐車沒有走路快”，這種現象在北京交通高峰時段已是見怪不怪。當年，奧委會在《申辦城市手冊》中談到交通問題時指出：“成功舉辦奧運會的關鍵因素是要有一個有效的交通系統”，而“北京正面臨著經濟發展和城市快速擴展而產生的交通需求挑戰”，從而可見一個有效的先進的交通系統的重要性。
目前各城市都在不斷改善交通設施，改進各十字路口交通燈控制方式，都得到了很好的效果。
1.2.2 國際先進成果
智能控制交通系統是目前研究的方向，也已經取得不少成果，在少數幾個先進國家已采用智能方式來控制交通信號，其中主要運用GPS全球定位系統等。出于便捷和效果的綜合考慮，可以制作傳感器探測車輛數量來控制交通燈的時長。具體如下:在入路口的各個方向附近的地下按要求埋設感應線圈，當汽車經過時就會產生渦流損耗，環狀絕緣電線的電感開始減少，即可檢測出汽車的通過，并將這一信號轉換為標準脈沖信號作為單片機的控制輸入，并用單片機的計數器計數，按一定控制規律自動調節紅綠燈的時長。比較傳統的定時交通燈控制與智能交通燈控制，可知后者的最大優點在于減緩滯流現象，也不會出現空道占時的情形，提高了公路交通通行率。目前，基于單片機的智能交通系統在國內外還處于研究發展階段，但已取得了很大的研究成果，得到了豐富的理論知識。
1.3 研究內容
綜合研究和分析國內外交通燈的研究技術以及方向，總結各類檢測車流量技術的特點和應用前景，利用現有的檢測技術和控制技術設計一種基于51單片機的交通燈智能控制的裝置。本次畢業設計設計一個主動式紅外對射式傳感器和單片機在交通系統中的應用設計，基本研究內容有以下幾點：
1）學習并熟悉單片機的基本結構、引腳功能說明等硬件方面的知識。
2）在傳感器上，主要使用的是紅外傳感器，在這方面我們要了解傳感器的工作原理，傳感器是該系統的檢測部分的核心之一，它關系到其它各個部分的運行和操作。
3）學會利用多種語言編寫單片機的程序，特別是高級語言的使用會極大地降低編寫程序的復雜性。
4）在電路方面，我們要了解電路的作用，電路的工作原理，電路的設計原理，加深我們對電路知識的學習。
5）要熟悉系統設計思路，組織電路的設計，了解整個電路的聯系，將其組成一個整體，實現最終的設計思路。
2 總體方案設計
本文是采用了以AT89C51單片機為核心的控制方案。方案中通過遮光式的紅外傳感器來檢測東西方向和南北方向的車流量大小，再經過一定的簡單算法算出各方向上的紅綠燈時間并在數碼管顯示器上顯示倒計時，同時通過路口上的紅綠燈的點亮與熄滅控制車輛的通行與停止。另外，方案中還設計一個緊急車輛通行按鍵，每當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，并發出警報禁止普通車輛的通行，先讓緊急車輛通過。東西、南北兩干道交于一個十字路口，各干道有一組紅、黃、綠三色的指示燈，指揮車輛安全通行。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行。黃燈亮提示人們注意紅、綠燈的狀態即將切換，且黃燈燃亮時間為東西、南北兩干道的公共停車時間，指示燈燃亮的方案如表2-1。
表2-1 指示燈的燃亮方案表
（T1-3）s 3s （T2-3）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2-1說明：
（1）當東西方向為紅燈，此道車輛禁止通行；南北道為綠燈，此道車輛通過。時間為（T1-3）秒。
（2）黃燈閃爍3秒，警示車輛紅、綠燈的狀態即將切換。
（3）當東西方向為綠燈，此道車輛通行；南北方向為紅燈，南北道車輛禁止通過。時間為（T2-3）秒。
（4）這樣如上表的時間和紅、綠、黃出現的順序依次出現這樣車輛就能安全暢通的通行。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（例如救護車等）通過。
注：時間T1和T2均由紅外傳感器檢測電路測的。另外，在交通燈的燃亮指示表中，東西（南北）方向綠燈的點亮時間為（T1-3）（南北方向綠燈為（T2-3）），這是因為循環時間段T1（T2）包括綠燈和黃燈的時間，扣除的3秒鐘為黃燈的點亮時間，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亮時間（南北方向的綠燈點亮時間）。
3 硬件設計
本系統利用AT89C51單片機作為系統的核心控制部件，利用其定時器/計數器作為紅外傳感器的接收端，通過高低電平的變化來統計通過檢測區域的車流量，然后通過軟件計時來控制接在P0端口的紅綠燈的點亮與熄滅狀態，并在8段數碼管（接在P1和P2端口）上顯示倒計時。系統的電路圖主要由電源電路、遮光式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。系統的基本原理框圖如圖3-1所示：
圖3-1 系統的基本原理框圖
下面從各個電路分別加以說明，首先介紹一下單片機。
3.1 單片機概述
單片機[3]也被稱為微控制器（Microcontroller），是因為它最早被用在工業控制領域。單片機由芯片內僅有CPU的專用處理器發展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。INTEL的Z80[16]是最早按照這種思想設計出的處理器，從此以后，單片機和專用處理器的發展便分道揚鑣。
早期的單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在8031上發展出了MCS51系列單片機系統。基于這一系統的單片機系統直到現在還在廣泛使用。隨著工業控制領域要求的提高，開始出現了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應用。90年代后隨著消費電子產品大發展，單片機技術得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而傳統的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數百倍。目前，高端的32位單片機主頻已經超過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[1]的型號也只有10美元。當代單片機系統已經不再只在裸機環境下開發和使用，大量專用的嵌入式操作系統被廣泛應用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統。
單片機比專用處理器更適合應用于嵌入式系統[17]，因此它得到了最多的應用。事實上單片機是世界上數量最多的計算機�，F代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產品中都會集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標等電腦配件中都配有1-2部單片機。而個人電腦中也會有為數不少的單片機在工作。汽車上一般配備40多部單片機，復雜的工業控制系統上甚至可能有數百臺單片機在同時工作！單片機的數量不僅遠超過PC機和其他計算的總和，甚至比人類的數量還要多。
單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。
本文中使用的AT89C51單片機是MCS-51系列單片機的典型產品，我們以這一代表性的機型進行系統的講解。8951單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數據存儲器(RAM)、定時/計數器、并行接口、串行接口和中斷系統等幾大單元及數據總線、地址總線和控制總線等三大總線，現在我們分別加以說明：
·中央處理器:
中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數據寬度的處理器，能處理8位二進制數據或代碼，CPU負責控制、指揮和調度整個單元系統協調的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。
·數據存儲器(RAM):
8951內部有128個8位用戶數據存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數據，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數據，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數據，運算的中間結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，原始數據或表格。
·定時/計數器(ROM)：
8951有兩個16位的可編程定時/計數器，以實現定時或計數產生中斷用于控制程序轉向。
·并行輸入輸出(I/O)口：
8951共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數據的傳輸。
·全雙工串行口：
8951內置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數據傳送，該串行口既可以用作異步通信收發器，也可以當同步移位器使用。
·中斷系統：
8951具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優先級別選擇。
·時鐘電路：
8951內置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產生整個單片機運行的脈沖時序，但8951單片機需外置振蕩電容。
AT89C51單片機的外形結構為40條引腳雙列直插式封裝，下面是單片機的引腳圖，以及簡單的管腳說明[4]：
圖3-2 單片機的引腳圖
VCC（40腳）：供電電壓。
GND（20腳）：接地。
XTAL1（19腳）：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。
XTAL2（18腳）：來自反向振蕩器的輸出。
振蕩器特性:
XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。
RST（9腳）：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。
ALE/PROG（30腳）：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。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。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。
/PSEN（29腳）：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。
/EA/VPP（31腳）：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。
P0口（32-39腳）：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。
P1口（1-8腳）：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。
P2口（21-28腳）：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。
P3口（10-17腳）：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。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。
P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
P3口管腳 備選功能
P3.0（10腳）：RXD（串行輸入口）
P3.1（11腳）：TXD（串行輸出口）
P3.2（12腳）：/INT0（外部中斷0）
P3.3（13腳）：/INT1（外部中斷1）
P3.4（14腳）：T0（記時器0外部輸入）
P3.5（15腳）：T1（記時器1外部輸入）
P3.6（16腳）：/WR（外部數據存儲器寫選通）
P3.7（17腳）：/RD（外部數據存儲器讀選通）
P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。
3.2 電源電路
電源采用輸出為正5V直流電壓的穩壓電源電路[7]。IC采用集成穩壓器7805三端穩壓器。它是一種標準化、系列化的通用線性穩壓電源集成電路，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，成為目前穩壓電源中應用最為廣泛的一種單片式集成穩壓器件。當輸出電流較大時，7805應配上散熱板。C3為輸入端濾波電容，C5為輸出端濾波電容。如圖3-3所示：
圖3-3 電源電路
本系統采用220V交流電電源，經過5V適配器濾波后，在固定式三端穩壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個并不十分穩定的直流電壓(該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發生變化)。此直流電壓經過LM7805的穩壓和電容的濾波便在穩壓電源的輸出端產生了精度高、穩定度好的直流輸出電壓。
3.3 檢測電路
檢測電路是本系統能夠實現智能控制紅綠燈時間的關鍵。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：
3.3.1 紅外傳感器的發展
傳感器被定義為能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。
紅外傳感器[5]是利用物體產生紅外輻射的特性，實現自動檢測的傳感器。在物理學中，我們就已經知道可見光、不可見光、紅外光及無線電等都是電磁波，它們之間的差別只是波長（或頻率）的不同而已。
紅外技術發展到現在，已經為大家所熟知，這種技術已經在現代科技、國防和工農業等領域獲得了廣泛的應用。紅外傳感系統是利用紅外線為介質的測量系統，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，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤；（3）熱成像系統，可產生整個目標紅外輻射的分布圖像；（4）紅外測距和通信系統；（5）混合系統，是指以上各類系統中的兩個或者多個的組合。
紅外傳感器根據探測機理可分成為：光子探測器（基于光電效應）和熱探測器（基于熱效應）。
3.3.2常用的紅外傳感器
（1）紅外探測器
紅外系統的核心是紅外探測器，按照探測的機理不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。
熱探測器是利用輻射熱效應，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進而使探測器中依賴于溫度的性能發生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數情況下是通過熱點變化來探測輻射的。當元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當的變換后測量相應的電量變化。
（2）紅外測溫產品：
HEITRONICS擁有40多年非接觸紅外測溫經驗，50多種紅外測溫儀和非接觸紅外測溫系統可滿足不同行業用戶的特殊需求，提供最優非接觸紅外測溫解決方案。在高性能和高品質的紅外測溫產品市場，來自德國的HEITRONICS以其在尖端領域應用中良好的品質記錄，被廣泛公認為是世界一流的紅外測溫產品供應者而受到信任。
HEITRONICS系列產品已廣泛應用于冶金，玻璃，造紙，紡織，橡膠，木材，制陶，塑料涂層，瀝青建筑，電子，食品，石化，水泥等工業制造、科學研究和實驗領域。
（3）壓電傳感器
壓電傳感器是一種典型的有源傳感器，它是以某些電介質的壓電效應為基礎，在外力作用下，電介質表面產生電荷，從而實現外力與電荷量間的轉換，達到非電量的電測目的。
壓電傳感器的應用：可分為單向力，雙向力和三向力傳感器。壓電傳感器的物理基礎是壓電效應，壓電敏感元件感受力的作用而產生電壓或電荷輸出，即根據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。由此可見，壓電傳感器可以直接用于測力，或測與力有關的壓力、位移、振動加速度等。
（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原理的磁電感應式傳感器，一類是基于半導體材料磁敏效應的磁敏傳感器。
磁敏管的應用：不但具有很高的磁靈敏度，同時能識別磁場極性：而且體積小，功耗低，因而具有廣泛的應用前景。
（5）光電傳感器
光電傳感器是一種將光信號轉換成電信號的裝置，它具有結構簡單，性能可靠，精度高，反應快等優點，在現代測量和自動控制系統中，應用非常廣泛，是一種很有發展前途的新型傳感器。
（6）人體熱釋電紅外傳感器介紹和應用
在電子防盜、人體探測器領域中，被動式熱釋電紅外探測器的應用非常廣泛，因其價格低廉、技術性能穩定而受到廣大用戶和專業人士的歡迎。
（7）無線紅外傳感器
無線紅外傳感器又稱無線紅外探測器是根據人體紅外光譜而工作，當人體在其接受范圍內活動時，探測器輸出報警信號，廣泛用于銀行、倉庫和家庭等場所的安全防范。
綜上所述，每一種傳感器都有他的用處和廣泛的應用前景。經過比較，在本文系統中最適合采用的是光電傳感器，下面再簡單地介紹下。
3.3.3 主動式紅外傳感器簡介
光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的。光電傳感器在一般情況下，有三部分構成，它們分為：發送器、接收器和檢測電路。發送器對準目標發射光束，發射的光束一般來源于半導體光源，發光二極管(LED)、激光二極管及紅外發射二極管。光束不間斷地發射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。
本文采用的是一種對射型光電傳感器，即主動紅外探測器。主動紅外探測器由紅外發射機、紅外接收機和報警控制器組成。分別置于收、發端的光學系統一般采用的是光學透鏡，起到將紅外光束聚焦成較細的平行光束的作用，以使紅外光的能量能夠集中傳送。紅外光在人眼看不見的光譜范圍，有人經過這條無形的封鎖線，必然全部或部分遮擋紅外光束。接收端輸出的電信號的強度會因此產生變化，從而啟動報警控制器發出報警信號。主動式紅外探測器遇到小動物、樹葉、沙塵、雨、雪、霧遮擋則不應報警，人或相當體積的物品遮擋將發生報警。由于光束較窄，收發端安裝要牢固可靠，不應受地面震動影響，而發生位移引起誤報，光學系統要保持清潔，注意維護保養。因此主動式探測器所探測的是點到點，而不是一個面的范圍。其特點是探測可靠性非常高。但若對一個空間進行布防，則需有多個主動式探測器，價格昂貴。主動式探測器常用于博物館中單體貴重文物展品的布防以及工廠倉庫的門窗封鎖、購物中心的通道封鎖、停車場的出口封鎖、家居的陽臺封鎖等等。
主動式紅外探測器有單光束、雙光束、四光束之分。以發射機與接收機設置的位置不同分為對向型安裝方式和反射式按裝方式，反射型安裝方式的接收機不是直接接收發射機發出的紅外光束，而是接收由反射鏡或適當的反射物（如石灰墻、門板表面光滑的油漆層）反射回的紅外光束。當反射面的位置與方向發生變化或紅外發射光束和反射光束之一被阻擋而使接收機無法接收到紅外反射光束時發出報警信號。
對于用于檢測車流量的傳感器[6]，本系統采用主動式紅外對射傳感器，它相對于傳統的被動式熱釋紅外傳感器有以下優點：
1.主動式對射紅外傳感器安裝于十字路口上，采用多光束綜合判斷，當有車輛通過遮擋時，才被觸發，極大的降低了傳感器的誤報（例如飛鳥等）；
2.天氣的變化對被動式熱釋紅外傳感器產生的影響很大，而主動式對射紅外傳感器大大地降低了這方面的影響。
3.3.4 檢測電路
從上面的介紹可知，我們利用紅外傳感器[5]的紅外線發射和接收方向性較強的特點，在車輛經過的路面上安裝密度適當的幾排紅外線發射接收電路，組成紅外線矩陣，在沒有遮擋的情況下紅外線接收電路產生高電平信號，反之產生低電平信號。因此，根據車駛入、通過、駛出測試區時等狀態引起的矩陣內各點高低電平的復雜變化，通過硬件電路的設計和軟件算法的處理，最終統計出經過該測量區域內雙向并排經過的車輛的總流量。紅外傳感器的檢測示意圖如圖3-4所示：
圖3-4 紅外傳感器檢測示意圖
3.3 緊急按鍵K1電路
當有緊急車輛通過時，操作員可以按下緊急按鍵K1，K1接在單片機的P3.1端口上，這樣就產生了一個高電平。而單片機通過軟件程序檢測到P3.1口為高電平后，再通過軟件調用一段子程序，使東西和南北方向都為紅燈，并接通蜂鳴器警告普通車輛禁止通行，先讓緊急車輛通過。待緊急車輛通過后，交通控制系統會恢復中斷前的現場。其電路原理圖如圖3-5所示：
圖3-5 緊急按鍵K1電路原理圖
3.4 紅綠燈顯示電路
交通燈最基本的功能是顏色燈的顯示, 每個路口均需紅、黃、綠燈各一盞,東、西道上的兩組同色燈蟬聯在一起，南、北道的兩組同色也彼此互聯。這6盞燈分別接在單片機的P0.0-P0.5口,如圖3-6所示。D1、D2、D3分別代表的是東西方向的綠、黃、紅燈；N1、N2、N3分別代表的是南北方向的綠、黃、紅燈。當東西方向為綠燈時，P0.0口輸出低電平，綠燈D1點亮；對應地，P0.6口也輸出低電平，南北方向的紅燈N3點亮。當東西方向為紅燈時，P0.2口輸出低電平，紅燈D3點亮；對應地，P0.3口也輸出低電平，南北方向的綠燈N1點亮。而當東西方向和南北方向均為黃燈時，黃燈會以2HZ的頻率閃爍（通過軟件來實現的），提醒車輛的駕駛員注意紅綠燈的轉換。具體的指示燈的燃亮時間表見表2-1,下面是紅綠燈與單片機的接線圖：
圖3-6 東西、南北方向紅綠燈與單片機接線圖
3.5 倒計時顯示電路
這里首先簡單介紹一下7段LED數碼管[8]。LED數碼管由七段發光線段組成，每條線段可以是一個（或幾個）發光二極管。其結構如圖3-7所示。
在圖3-7中，只要使不同段的發光二極管發光，即可改變所顯示的數字和字母。例如，在圖3-7中，a、b、g、e、d各段的二極管發光，即可顯示“2”；而a、f、g、e、d共5個發光二極管亮則可顯示英文大寫字母E。LED七段數碼管根據其內部LED的連接方法不同，有共陰極和共陽極兩種接法，如圖3-8所示。
圖3-7 七段數碼管結構圖 圖3-8 LED數碼管的兩種接法
各種數字與七段代碼的關系如表3-1所示。
表3-1 段碼表
數字 代碼（十六進制）
共陰極 共陽極
0 3F C0
1 06 F9
2 5B A4
3 4F B0
4 66 99
5 6D 92
6 7D 82
7 07 F8
8 7F 80
9 6F 90
上面簡單介紹了七段數碼管的顯示原理。倒計時顯示系統的主要功能是對紅、黃、綠燈的延時時間進行倒計時，給車輛駕駛員以提示。這里使用共陰極的7段數碼管作為顯示設備，各個路口上兩個數碼管，一個顯示十位，一個顯示個位。本文中時間的倒計時是通過軟件來實行的，將在軟件部分進行具體的說明。下面是7段數碼管與單片機的接線圖：
圖3-9 7段數碼管與單片機接線圖
3.6振蕩電路
AT89C51的XTAL1和XTAL2引腳分別為單極片內反相放大器的輸入/輸出端，其頻率范圍為1.2~12MHz。XTAL2又是內部時鐘發生器的輸入端，這個內部反相器可與外部元件組成如圖3-10所示的皮爾斯（Pierce）振蕩器。當采用石英晶體振蕩器時，C=（30±10）pF；當采用陶瓷諧振振蕩器時，C=（40±10）pF[1]。
在任何情況下，振蕩器始終驅動內部時鐘發生器向主機提供時鐘信號。因為時鐘發生器的輸入是個二分頻觸發器，所以對外部振蕩信號的脈寬無特殊要求，但必須保證高低電平的最小寬度。
圖3-10 單片機振蕩電路
3.7復位電路
本文中的單片機采用了外接的復位電路，并且采用了一種上電復位和手動復位的組合[9]，復位電路圖如圖3-11所示。單獨上電復位的電路時，并沒有圖3-11中與電容并聯的開關，當Vcc上升時間不超過1ms，振蕩器啟動時間不超過10ms，則在Vcc接通電源時，這個自動上電復位電路保證在上電開機時對8951單片機進行正確的復位。當電源接通時，電源Vcc向電容充電，電流流入RST引腳。開始時，由于電容器上的電壓不能突變，所以RST引腳上的電壓升至等于Vcc電源電壓，因為RST上的電壓是Vcc和電容器上電壓之差，所以隨著充電過程，電容器上電壓不斷上升，RST引腳上的電壓就不斷下降。電容器容量越大，充電時間常數越大，即電容器上電壓上升越慢，則RST引腳上的電壓就下降越慢，必須使RST引腳上的電壓保持在斯密特觸發器的觸發門檻電壓以上足夠長的時間，以滿足復位操作的要求。所需的這個時間應為振蕩器的起振時間再加上兩個機器周期以上，因而所選的電容應足夠大。如果Vcc上升時間不超過1ms，振蕩器的起振時間不超過10ms，則選取10uf的電容就可提供可靠的復位。
手動復位可在上電復位基礎上并接一個復位開關（如圖3-11），這樣既保證上電復位，又可手動復位。
單片機復位后，內部特殊功能寄存器復位后的狀態為確定值。復位后，PC=00H，這表明程序從0000H地址單元開始執行。PSW=00H，表明選寄存器0組為工作寄存器組。P0至P3=FFH，表明已向各端口寫入1。此時，各端口既可用于輸入又可用于輸出。IE=0**00000B，表明各個中斷均被關斷。編程時如果記住一些特殊功能寄存器復位后的狀態，對于減少應用程序中的初始化是十分必要的。
圖3-11 單片機復位電路
4 系統軟件設計
上面主要講述了系統的硬件設計部分，但一個系統必須有軟件（即程序）來控制計算機運行。目前，對大多數MCS-51單片機的應用系統的編程語言主要有PLM、匯編和c語言[10]。其中匯編和c語言比較常用。匯編語言的機器代碼生成效率很高但可讀性并不強，復雜一點的程序就更難讀懂，而c語言在大多數情況下，其機器代碼生成效率和匯編語言相當，但可讀性和可移植性卻遠遠超過匯編語言，而且c語言還可以嵌入匯編語言來解決高時效性的代碼編寫問題。因此，c語言是單片機開發、應用的重要趨勢。目前，c語言已經成為在單片機基礎上應用最為廣泛的計算機語言之一。將c語言向單片機移植始于20世紀80年代的中后期。這些年，經過各公司（Keil/Franklin、Archmeades、IAR、BSO/Tasking等公司）堅持不懈的努力，終于在20世紀90年代，單片機c語言編程開始日趨成熟�，F在c語言已經成為專業化的單片機編程高級語言。過去長期困擾人們的所謂“高級語言產生代碼太長，運行速度太慢，因此不適合單片機使用”的缺點已被克服。
現在MCS-51單片機上c語言的代碼長度，已經做到了只有匯編語言的1.2-1.5倍。4K字節以上的程序，c語言的優勢更能得到發揮。關于執行速度的問題，只要有好的仿真器幫助，找出關鍵代碼，進一步用人工優化，就能很簡單地達到十分完美的程序。從開發速度、軟件質量、結構嚴謹、程序堅固等方面比較，c語言的優勢更多。
c語言有很多鮮明的特點，比較適于編寫系統軟件和大型的應用軟件。下面結合MCS-51介紹單片機c語言的優越性。
(1) 不懂得單片機的指令集，也能夠編寫完美的單片機程序。
(2) 直接訪問物理地址，可以進行位操作。
(3) 同函數的數據實行覆蓋，有效利用片上有限的RAM空間。
(4) 語言提供復雜的數據類型（數組、結構、聯合、枚舉、指針等），極大地增強了程序處理能力和靈活性。
(5) 提供專門針對MCS-51單片機的data、idata、pdata、xdata、code等存儲類型，自動為變量合理地分配地址。
(6) 提供small、compact、large等編譯模式，以適應片上存儲器的大小。
(7) 提供常用的標準函數庫，以供用戶直接使用。
(8) c語言作為高級語言對機器沒有依賴性，可以在各種不同的機器和操作系統上應用，而不必改寫源代碼（所謂的移植性好），生成目標代碼的效率高。
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