[摘要]單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是信息電子專業(yè)的重要內(nèi)容，在教學(xué)科研中占有重要的地位。汽車流量檢測(cè)計(jì)是交通管理系統(tǒng)的重要組成部分，本文針對(duì)學(xué)生對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)而設(shè)計(jì)的基于MCS-51單片機(jī)汽車流量檢測(cè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)。通過(guò)RPR359F光電檢測(cè)器檢測(cè)汽車，在MCS-51單片機(jī)中計(jì)下檢測(cè)的數(shù)量，并把所檢測(cè)的流量在LED上顯示。在車流量超過(guò)一定限制時(shí)報(bào)警，以提示工作人員做相應(yīng)處理。

[關(guān)鍵詞]單片機(jī) 光電探測(cè)器 LED顯示

一、引言

單片機(jī)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)，特別是電氣專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有十分重要的地位。單片機(jī)集成了CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、前置放大器、看門(mén)狗、并行和串行口、A／D、D／A轉(zhuǎn)換器等電路器件，隨著單片機(jī)片內(nèi)集成的電路越來(lái)越全面，功能越來(lái)越強(qiáng)，客觀上為流量自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)的發(fā)展提供良好的條件。為了加深學(xué)生對(duì)汽車流量檢測(cè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，以及對(duì)MCS-51系列單片機(jī)學(xué)習(xí)掌握，本文設(shè)計(jì)了以MCS-51系列單片機(jī)為核心，通過(guò)光電傳感器與MCS-51接口平臺(tái)模擬，能準(zhǔn)確檢測(cè)出汽車流量的大小并以LED數(shù)碼管進(jìn)行結(jié)果顯示，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可幫助學(xué)生深化對(duì)單片機(jī)原理和傳感器檢測(cè)技術(shù)的了解，鞏固單片機(jī)的應(yīng)用。

二、實(shí)驗(yàn)原理

汽車流量檢測(cè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置是在電子技術(shù)、單片機(jī)理論和技術(shù)、傳感器理論和技術(shù)以及光電技術(shù)等基礎(chǔ)上，應(yīng)用電子器件和專用集成電路進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，該裝置即能作為汽車流量檢測(cè)計(jì)，也可以作為其它的數(shù)量檢測(cè)裝置。

汽車流量檢測(cè)裝置由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)主要用于完成對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)（汽車流量）的采集工作，并將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換以后送入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，軟件系統(tǒng)主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析、顯示等工作。

三、光電測(cè)量原理

準(zhǔn)確采集車輛信號(hào)是計(jì)數(shù)汽車流量的前提，必須保證不漏檢，采集信號(hào)裝置不要與車輛接觸而摩擦，為此采用非接觸紅外檢測(cè)技術(shù)。使測(cè)量器件與車輛保持一點(diǎn)距離。

傳感器處于接口位置，成為感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口，車流量信息要通過(guò)傳感器獲取并轉(zhuǎn)換為容易傳輸與處理的電信號(hào)。其作用與地位都特別重要。

本設(shè)計(jì)通過(guò)Rohm RPR359F元器件獲取汽車流量信息，Rohm RPR359F為反射式光電探測(cè)器，可以通過(guò)簡(jiǎn)單線路直接應(yīng)用，使用非常方便，比較適合汽車流量檢測(cè)，Rohm RPR359F發(fā)射端是一個(gè)GaAs紅外線發(fā)射二極管，接收端為高精度硅平面光電晶體管，其有一塑料透鏡，可提高精度。另外，由于其中封裝了可見(jiàn)光濾除器，所以雜光對(duì)系統(tǒng)幾乎沒(méi)有影響。如圖1。發(fā)光二極管通過(guò)恒定電路IF=20mA，發(fā)出的光經(jīng)目標(biāo)物體反射至接收端，然后接通光電三極管，產(chǎn)生電路Ic，Ic經(jīng)過(guò)電阻產(chǎn)生Vo，即可測(cè)出是否有汽車流過(guò)。當(dāng)無(wú)車輛通過(guò)時(shí)接收管接收不到光而不導(dǎo)通，輸出Vo為零。當(dāng)有車輛流過(guò)的瞬間，車輛反射二極管發(fā)射的光，接收管接收到反射過(guò)來(lái)的光后可使光電三極管導(dǎo)通，輸出為1。單片機(jī)可據(jù)此判斷有無(wú)車輛的通過(guò)。

四、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的硬件裝置主要由電源模塊，單片機(jī)控制模塊、光電檢測(cè)模塊、顯示模塊等幾部分組成。

1.AT89C51微處理器

此處使用的汽車流量檢測(cè)計(jì)，是以ATMEL公司的MCS-51兼容單片機(jī)AT89C51微處理器作為程序的主控芯片，此外再加上電源模塊、外圍晶振、復(fù)位電路等電路而組成。AT89C51是一種片內(nèi)含有4KB閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(EPROM)的具有低功耗、高性能卓越特點(diǎn)的8位CMOS微控制器。該器件采用ATMEL公司高密度、非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)保存時(shí)間為10年 。除此之外，它還有較寬的工作電壓范圍（2.7V到6V）。在外接振蕩器的條件下，其工作頻率在0Hz至16MHz 的范圍內(nèi)可調(diào)。程序存儲(chǔ)器具有3級(jí)加密保護(hù) ，有128*32條可編程I/O線 ，片內(nèi)集成兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，中斷結(jié)構(gòu)具有5個(gè)中斷源和2個(gè)優(yōu)先級(jí)，通訊方面有可編程全雙工串行通道，另外還有在空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲(chǔ)內(nèi)容的功能。

正是由于以上優(yōu)點(diǎn)，雖然半導(dǎo)體技術(shù)不斷發(fā)展，新型控制芯片也不斷涌入，但是AT89C51在工業(yè)中的地位仍然是無(wú)法撼動(dòng)，應(yīng)用依然廣泛，特別在測(cè)試系統(tǒng)中更是如此。

2.信號(hào)調(diào)理電路

為了做到準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定的傳遞車輛信號(hào)，除了剛才的參數(shù)的選擇外，還要對(duì)檢測(cè)端檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行放大處理后，使信號(hào)符合電平標(biāo)準(zhǔn)并濾除掉高頻雜波信號(hào)后，才可輸入至單片機(jī)。

在信號(hào)調(diào)理電路中其主要部分在于前置放大電路的設(shè)計(jì)以及噪聲處理。放大電路的作用主要是將傳感器傳送來(lái)的信號(hào)放大到合適的幅值，以使電信號(hào)強(qiáng)度有利于后面的信號(hào)濾波和A/D采樣。放大器自身也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部熱噪聲，為了減少內(nèi)部熱噪聲的影響，提高放大器輸出端的信噪比，在信號(hào)調(diào)理電路里要用帶溫度補(bǔ)償?shù)姆糯箅娐罚谶@里采用無(wú)噪聲偏置放大電路。同時(shí)，為了提高運(yùn)算放大器的運(yùn)算精度，必須提高它的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，通常為了提高開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)可以采用多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)的形式。然而，高的放大倍數(shù)的多級(jí)放大又十分容易產(chǎn)生自激震蕩，所以還要加入消除自激震蕩的校正網(wǎng)絡(luò)。除了上面介紹的放大器自身的內(nèi)部熱噪聲以外，實(shí)際光電檢測(cè)電路中存在各種外部擾動(dòng)和內(nèi)部噪聲。外部擾動(dòng)包括隨機(jī)波動(dòng)和附加的光調(diào)制。此外，光路傳輸介質(zhì)背景起伏雜散光的入射以及檢測(cè)電路所受到的電磁干擾也是常見(jiàn)的外部擾動(dòng)。這些擾動(dòng)可以通過(guò)穩(wěn)定輻射光源、去除雜散光、選擇偏振片和在它的輸入端接低通濾波器等方法來(lái)抑制。而內(nèi)部噪聲主要是產(chǎn)生于檢測(cè)電路內(nèi)部的一些半導(dǎo)體器件之類的，比如溫度的變化就會(huì)對(duì)光電檢測(cè)器的暗電流產(chǎn)生影響，從而使傳感器輸出電壓產(chǎn)生波動(dòng)。這些噪聲主要是以熱噪聲的形式出現(xiàn)，常用的方法是通過(guò)并聯(lián)耦合電容來(lái)消除這些噪聲。

3.顯示電路

車流量的大小和超過(guò)限制時(shí)的報(bào)警可通過(guò)6個(gè)LED顯示。顯示模塊是通過(guò)共陰極LED驅(qū)動(dòng)芯片和外圍電路組成。所顯示的數(shù)據(jù)由單片機(jī)和串行方式送給7219，然后7219可根據(jù)收到的數(shù)據(jù)來(lái)控制6個(gè)數(shù)碼管顯示。7219還將鍵盤(pán)參數(shù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后通過(guò)串行通訊方式發(fā)給單片機(jī)，按鍵除了復(fù)位以外，還有在設(shè)定超量報(bào)警的上限值時(shí)所需要輸入的各個(gè)位。

五、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本軟件的主要任務(wù)是檢測(cè)車輛信號(hào)，在一定的時(shí)間段內(nèi)記下所有的車輛的數(shù)目，然后換算單位為輛/分鐘，把換算后的數(shù)值在LED中顯示。

車輛信號(hào)為一個(gè)隨機(jī)量，可通過(guò)計(jì)數(shù)器和外部中斷兩種方式準(zhǔn)確地捕捉此信號(hào)，然而由于定時(shí)器資源量的限制，本系統(tǒng)通過(guò)外部中斷方式INT0捕捉此信號(hào)。而車輛數(shù)目存放在從R0~R2這四個(gè)寄存器里。為確保計(jì)數(shù)的車輛的數(shù)目，采用定時(shí)10s內(nèi)采集車輛的數(shù)目，然后換算成單位輛/分鐘。而定時(shí)器最大計(jì)數(shù)為128ms，為解決此問(wèn)題，可采用如下措施，把定時(shí)器設(shè)定為最大值，當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，進(jìn)入定時(shí)中斷，在此中斷程序中使R3加一，然后是輸入定時(shí)器初值0，使其繼續(xù)計(jì)數(shù)，直到R3為160時(shí)，經(jīng)計(jì)算，此時(shí)大約為10s。這樣可得到10s時(shí)間，此時(shí)查看R0~R2中的數(shù)，然后經(jīng)過(guò)換算后存儲(chǔ)，以待顯示程序顯示。

為了避免在車輛信號(hào)采集中可能出現(xiàn)的誤判漏判，軟件中采取了一些相應(yīng)的措施，例如車輛在經(jīng)過(guò)時(shí)，車頭和車尾可能使光電檢測(cè)器產(chǎn)生信號(hào)變化，使單片機(jī)產(chǎn)生兩次中斷，錯(cuò)判為兩輛車輛，從而產(chǎn)生偏差。為了消除這個(gè)偏差，在軟件的設(shè)計(jì)中加入了判斷是否同一車輛信號(hào)，這樣就消除了車輛頭尾的空隙造成的誤差。

在模塊和按鍵的軟件設(shè)計(jì)中，通過(guò)定時(shí)器1中斷，動(dòng)態(tài)的向數(shù)碼管發(fā)送數(shù)據(jù)，顯示汽車流量和報(bào)警提示，當(dāng)有按鍵時(shí)7219產(chǎn)生中斷給INT1，然后在INT1中斷服務(wù)程序里，掃描接收此時(shí)的鍵值。主程序的軟件框圖如上圖所示。

先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，如初始化7219，設(shè)定定時(shí)器初值，寄存器的初始化等，然后開(kāi)啟中斷，此時(shí)定時(shí)器和外部中斷都開(kāi)始運(yùn)行，LED全部清零后系統(tǒng)可進(jìn)入等待狀態(tài)，等待中斷的產(chǎn)生即可。

六、結(jié)語(yǔ)

本文介紹了利用AT89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)汽車流量檢測(cè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方法，該方法簡(jiǎn)單，合理，測(cè)定汽車流量比較準(zhǔn)確。并且它比較適合同學(xué)們?cè)谠囼?yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，有利于同學(xué)們對(duì)單片機(jī)的認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)，并且認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)定時(shí)器、中斷和LED顯示在工業(yè)中的應(yīng)用，同學(xué)們可通過(guò)此次設(shè)計(jì)學(xué)會(huì)光電傳感器的應(yīng)用。也給同學(xué)們提供了汽車流量檢測(cè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)思路。為將來(lái)從事此方面設(shè)計(jì)的同學(xué)提供思路。

到目前為止，交通流量檢測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化，基本上都是處于實(shí)驗(yàn)階段，這也正說(shuō)明了其處理的難度。這也說(shuō)明這項(xiàng)技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，應(yīng)此，開(kāi)展這方面的教學(xué)研究工作具有十分重要的意義。

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(作者單位：浙江理工大學(xué)信息與電子學(xué)院）