流量监测交通灯传感器大作业

传感器技术与检测

流

量

检

测

交

通

灯

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一．研究的主要内容

本课题研究的内容有如下几个方面：

（1）基于车流量的智能交通灯控制系统的工作原理。

（2）基于车流量的智能交通灯控制系统的硬件设计。

（3）车流量检测原理及其硬件电路设计。

（4）基于车流量的智能交通灯控制系统的程序设计。

二．研究方案

１．系统总体方案

２．车流量检测方案

利用红外线车辆检测器。红外线车辆检测器是利用被检测物对光束的遮挡或反射，通过同步回路检测物体有无。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。如当汽车通过光扫描区域时，部分或全部光束被遮挡，从而实现对车辆数据的综合检测。红外线车辆扫描系统提供了车辆轮廓扫描的解决方案，并提供车辆分离信号，同时还能够检测挂钩是否存在及其位置，由于光学产品的高速响应，当车速低于100公里/小时，系统可对车辆间距0.3米车辆实现可靠的分离检测并抓取车辆轮廓数据，当车速低于200公里/小时，对车辆间距0.6米的车辆实现可靠的分离检测并抓取轮廓数据，系统可自动分类超过100种车型，车辆自动分类的准确率超过99％。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。

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。

显示部分: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息。

三．单元电路设计

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。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。其工作原理图如下：

图1.光

电开关

工作原

理简图

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。

1.光电开关的分类

光电开关按检测方式可分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。对射式检测距离远，可检测半透明物体的密度（透光度）。反射式的工作距离被限定在光束的交点附近，以避免背景影响。镜面反射式的反射距离较远，适宜作远距离检测，也可检测透明或半透明物体。下表给出了光电开关的检测分类方式及特点说明。

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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.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、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机以及安全防护等诸多领域。

四．程序设计

１．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。

２．主程序流程图

当车流量小于15的时候执行状态3，车流量小于25大于15的时候执行状态2，车流量大于25的时候执行状态1，其工作流程图如图2所示

图2:

３. 中断程序流程图（图3）：

图3

五．汇编程序设计（见附录Ⅲ）

六．系统工作原理

光电开关将检测到的车流量脉冲信号送入单片机的T1口，T1对输入脉冲计数，同时单片机T0口对其定时，在设置的一段时间内（如1分钟），通过单片机定时器T0的溢出中断，将计数值送回，单片机通过执行相应的程序，从而控制交通状态灯切换及数码管的倒计时时间显示。单片机根据车流量变化具体工作状态如下：

①当定时时间，执行定时中断T0，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，都将扫描该变量的值。当CAR_NUMBERS大于25辆/分，执行状态Ⅰ：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。

②当系统刚开始工作或者CAR_NUMBERS大于或等于15辆/分，小于或等于25辆/分，将执行状态Ⅱ：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。

③当CAR_NUMBERS小于15辆/分，执行状态Ⅲ：东西方向绿灯，南北方向红灯，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[4]。

（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)

七．系统仿真

1.系统仿真：（利用Protues仿真软件进行仿真这里不做具体说明。）