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『伍』 檢測技術與自動化裝置的介紹
檢測技術與自動化裝置，專業代碼：081102，是將自動化、電子、計算機、控制工程版、信息權處理、機械等多種學科、多種技術融合為一體並綜合運用的復合技術，廣泛應用於交通、電力、冶金、化工、建材等各領域自動化裝備及生產自動化過程。檢測技術與自動化裝置的研究與應用，不僅具有重要的理論意義，符合當前及今後相當長時期內我國科技發展的戰略，而且緊密結合國民經濟的實際情況，對促進企業技術進步、傳統工業技術改造和鐵路技術裝備的現代化有著重要的意義。
『陸』 基於單片機的交通信號燈的設計 求詳細···拜謝！
引言
近年來隨著科技的飛速發展，單片機的應用正在不斷地走向深入，同時帶動傳統控制檢測日新月益更新。在實時檢測和自動控制的單片機應用系統中，單片機往往是作為一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，還應根據具體硬體結構，以及針對具體應用對象特點的軟體結合，加以完善。由於單片機面向的是控制性應用領域，且單片機的性能不斷完善，品種大量增加，在功能、功耗、體積、價格等方面能滿足各種復雜的或簡單的應用場合需求，單片機應用深入到各行業和消費類的電子產品中，因此本產品也以單片機作為核心。
交通信號燈的出現，使交通得以有效管制，對於疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。隨著中國加入WTO，我們不但要在經濟、文化、科技等各方面與國際接軌，在交通控制方面也應與國際接軌。俗話說「要想富，先修路」，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路還是無法保障暢通安全。作為交通控制的重要組成部份的交通信號燈也應國際化。因此，本人選擇製作交通燈作為課題加以研究。又用AT89S52單片機實現與PC機之間的通訊時，必須使用電平轉換介面晶元（本系統採用MAX232晶元），因為單片機輸出的是TTL電平，必須經過電平轉換才能和PC機的一致大多數的電腦設備都具有RS-232C介面，盡管它的性能指標並非很好。在廣泛的市場支持下依然常勝不衰。就使用而言，RS-232也確實有其優勢：僅需3根線便可在兩個數字設備之間全雙工的傳送數據。不過，RS-232C的控制要比使用並行通訊的列印機介面更難於控制。RS-232C使用了遠較並行口更多的寄存器。這些寄存器用來實現串列數據的傳送及RS-232C設備之間的握手與流量控制。本文將分別描述PC機及單片機MCS-52的串列通訊的原理及具體的實現模擬交通信號燈的軟體設計。
設計內容及要求
交通信號燈模擬控制系統設計利用單片機的定時器定時，令十字路口的紅綠燈交替點亮和熄滅，用P0口做輸出口，控制十二個發光二極體燃滅，模擬交通燈管理。在一個交通十字路口有一條主幹道（東西方向），一條從幹道（南北方向），主幹道的通行時間比從幹道通行時間長，四個路口安裝紅，黃，藍，燈各一盞；（由於南北方向或東西方向的交通信號燈狀態一致，故簡化成6個二極體，以節約成本）。
（1）以單片機為核心兼容一部分擴展槽。
(2)設計一個十字路口的交通燈控制電路，要求南北方向（主幹道）車道和東西方向（支幹道）車道兩條交叉道路上的車輛交替運行。
（3）在綠燈轉為紅燈時，要求黃燈先亮，才能變換運行車道。
（4）黃燈亮時，要求每秒閃亮一次。
（5）選做內容：顯示交通信號燈亮的時間。
電路工作原理及分析
單片機交通信號燈系統的概述
本次設計的單片機交通信號燈系統是由AT89S52單片機為核心組成的最小系統加6個發光二極體組成。所謂的單片機最小系統或者稱為最小應用系統,是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統. 對51系列單片機來說,最小系統一般應該包括:單片機、晶振電路、復位電路等。
應用89S51（52）單片機設計並製作一個單片機最小系統，達到如下基本要求：
（1） 具有上電復位和手動復位功能。
（2） 使用單片機片內程序存儲器。
（3） 具有一定的可擴展性，單片機I/O口可方便地與其他電路板連接。
為了節約成本，這次系統沒有加入8255晶元而6個發光二極體直接與P0口相連，雖然信號衰減很厲害。
單片機最小系統
一般來說，單片機的最小系統包括電源（地）,單片機,晶振（一般使用11.0592M或者12M），復位電路。有了以上三塊內容，單片機就能夠工作了。另外要注意的一點是，EA（31腳）也要接高電平，告訴單片機不使用片外存儲器，這樣單片機系統才會老老實實地執行你燒寫進去的程序。下面簡介主要的幾個功能模塊。
圖3.2.1 單片機最小系統圖
圖3.2.2 串口接線圖
單片機內部結構
單片機是把微型計算機的主要組成部分CPU、存儲器、輸入／輸出介面等集成在一塊超大規模集成電路晶元上。下圖為典型的單片機內結構圖。
它是由CPU系統、程序存儲器、數據存儲器、各種I/O埠、基本功能單元(定時器/計數器等)組成。
(1) CPU系統
CPU系統包括有CPU、時鍾系統、復位、匯流排(BUS，即信號的公共通道)控制邏輯。
1 CPU
單片機中的CPU與微型計算機中的CPU有所不同，它的特點是，面向控制、面向嵌入系統、面向單晶元化。
2 時鍾系統
時鍾系統用於產生單片機工作所需的時鍾信號。它必須滿足CPU及單片機內各單元電路對時鍾的要求。時鍾振盪器的工作頻率一般在1.2～12MHz。
3 復位電路
復位電路應滿足上電復位、信號控制復位的要求。
4 匯流排控制邏輯
匯流排控制邏輯應滿足CPU對內部匯流排和外部匯流排的控制要求。
(2) 程序存儲器
程序存儲器是一種只讀存儲器ROM(Read Only Memory)，用它來固化單片機的應用程序和一些表格常數。單片機生產廠家按單片機內部程序存儲器的不同結構，形成單片機的不同結構類型，計有：
1 Mask ROM型
由半導體生產廠家提供掩膜(生產集成電路的一種工藝)狀態的程序存儲器。使用這類單片機時，用戶將調試奸的程序交給半導體生產廠家，在單片機掩膜工藝階段將程序代碼和數據掩膜到程序存儲器中。這種存儲器可靠性高、成本低，但程序只能一次生成不能修改，適合定型產品批量生產。
2 EPROM型
這是一種紫外線可擦程序存儲器，使用這種存儲器的單片機晶元上面開有一個透明窗口，可通過紫外線照射(一般照射5分鍾左右)可擦除片內所有信息，使其內容全為「1」。這類存儲器，用戶自己就可以使用寫入器S(市場上有產品銷售)把程序方便地寫入存儲器。若需修改時，可用紫外線檫除後再重寫。這種存儲器用戶使用方便，適合產品研製過程或試制過程使用。但這種存儲器價錢較高，而且必須使用專用的寫入器，修改時也較麻煩(需紫外線擦除且只能全部擦除)。
3 ROM less型
這是一種片內沒有程序存儲器的結構形式，必須在單片機片外擴展一定容量的EPROM器件。因此，這類單片機必須有並行擴展匯流排。
4 OTP ROM型
這是一種用戶可一次性編程寫入程序的程序存儲器，寫入程序時，用戶需用專門的寫入裝置。這種單片機價錢便宜，適合定型的小批量產品，但寫入的程序不能修改。
5 Flash ROM(MTP ROM)型
這是一種用戶可多次編程寫入的存儲器。程序存儲器閃速存儲器(FlashMemory)。這種存儲器只需輸入一定條件的電信號，可擦除位元組或整片信息，因此修改數據非常方便。
前三種程序存儲器的單片機是早期的產品，目前EPROM、ROM Less型已較少使用。
（3） 數據存儲器RAM
RAM是一種可讀寫的存儲器，也叫隨機存儲器。單片機內部的RAM除了作為工作寄存器、位標志和堆棧區以外的單元都可以作為數據緩沖器使用，存放輸入的數據或運算的結果。
由於單片機主要是面向測控系統，所以單片機內部的數據存儲器容量較小，通常不多於256位元組，而且都使用靜態隨機存儲器SRAM(Static Random Access Memory)。
（4） 各種I/O埠
I/O埠是計算機的輸入、輸出介面(T是輸入，O是輸出之意)。單片機中的I/O埠都是晶元的輔入/輸出引腳。這些I/O埠，可分為以下幾種類型：
1 匯流排輸入／輸出埠
2 用戶I／O埠。由用戶用於外部電路的輸入／輸出控制。
3 單片機內部功能的輸入／輸出埠。例如，定時器／計數器的計數輔入、外部中斷源輔入等。
為減少單片機引腳數量，一般I／O口都有復式功能。例如不使用外部匯流排時，匯流排埠可出讓給用戶做輔入／輔出埠用。
從I／O口的結構上還可以分為並行I／O口，即多位數據一起輸出或輸入，這種形式傳送數據速度快但使用的引腳多。另—種I／O口稱為串列I/O口，即傳送數據是順序輸出或輸入，這種形式可大大減少I/O口的引腳數，但傳送數據較慢。
(5) 基本功能單元
基本功能單元是為滿足單片機測控功能而設置的一些電路，是用來完善和擴大計算機功能的一些基本電路，如定時器／計數器，中斷系統等。定時器/計數器在實際應用中作用非常大，如精確的定時，或者對外部事件進行計數等。
圖3.2.3 單片機內部結構圖
晶振電路
晶振電路:89S52等CMOS型單片機內部有一個可控的反相放大器,引腳XTAL1、XTAL2為反相放大器的輸入端和輸出端，在XTAL1,XTAL2上外接晶振（或陶瓷諧振器）和電容便成振盪器。下圖為89S52的時鍾電路框圖。典型的晶振取11.0592MHz(因為可以准確地得到9600波特率和19200波特率,用於有串口通訊的場合)/12MHz(產生精確的uS級時歇,方便定時操作)
電容C1,C2的典型值為30pF±10pF（晶振）或40pF±10pF（陶瓷諧振器）。振盪器頻率主要取決於晶振（或陶瓷諧振器）的頻率，但必須小於器件所允許的最高頻率。振盪器的工作受PCON·1控制，復位以後PCON·1=1振盪器工作，可由軟體置「0」PCON·1，使振盪器停止振盪，從而使整個單片機停止工作，以達到節電目的。CMOS型單片機也可以從外部輸入時鍾。
圖3.2.4 時鍾電路圖
復位電路
計算機在啟動運行時都需要復位，使CPU和其他部件都置為一個確定的初始狀態，並從這個狀態開始工作。
（1） 復位電路原理：由電容串聯電阻構成,由圖並結合"電容電壓不能突變"的性質,可以知道,當系統一上電,RST腳將會出現高電平,並且,這個高電平持續的時間由電路的RC值來決定.典型的51單片機當RST腳的高電平持續兩個機器周期以上就將復位,所以,適當組合RC的取值就可以保證可靠的復位.一般教科書推薦C 取10u,R取8.2K.當然也有其他取法的,原則就是要讓RC組合可以在RST腳上產生不少於2個機周期的高電平.
（2） 復位電路:89S52等CMOS51系列單片機的復位引腳RST是史密特觸發輸入腳，內部有一個拉低電阻（電阻值為80K～300K）。當振盪器起振以後，在RST引腳上輸入2個機器周期以上的高電平，器件便進入復位狀態，此時ALE、PSEN、 P0、P1、P2、P3輸出高電平，RST上輸入返回低電平後，便退出復位狀態開始工作。利用RST這個特性便可以設計復位電路。下面給出幾種復位方式。
1 上電自動復位電路
89C52等CMOS型52單片機，只要在RST端接一個電容至Vcc,便可實現上電自動復位，在加電瞬間，電容通過內部電阻通電，在RST端出現充電正脈沖，只要正脈沖寬度足夠寬，就能使89C52有效復位。RST在加電時應保持的高電平時間包括Vcc上升時間和振盪器起振時間，振盪器起振時間和頻率有關，若Vcc的上升時間為10ms，振盪器的頻率取12MHZ，則復位電容C的典型值為1μF。
2 人工開關復位
有些應用系統除上電自動復位以外，還需人工復位，將一個按鈕開關並聯於上電自動復位電路，在系統運行是，按一下開關，就在RST端出現一段時間高電平，是器件復位。
3 外部Watchdog電路復位
89C52等單片機內部沒有定時監視器（Watchdog Timer），可以用單穩態電路在外部設計一個Watchdog。系統正常工作時，定是輸出脈沖，使單穩態輸出低電平，若系統軟體出現故障時，未及時輸出脈沖，單穩態電路翻轉輸出高電平，於是復位器件。
表3.3.1 復位後部分內部寄存器狀態圖
圖3.3.1 兩種復位電路圖
主要晶元的技術參數
晶元
（1） AT89S52晶元的特性及功能描述
1 與 MCS-51單片機產品兼容
2 28K位元組在系統可編程 Flash存儲器
3 1000次擦寫周期
4 全靜態操作：0Hz～33Hz
5 三級加密程序存儲器
6 32個可編程 I/O口線
7 三個 16位定時器/計數器
8 八個中斷源
9 全雙工 UART串列通道
10 低功耗空閑和掉電模式
11 掉電後中斷可喚醒
12 看門狗定時器
13 雙數據指針
14 掉電標識符
AT89S52是一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K在系統可編程 Flash存儲器。使用 Atmel公司高密度非易失性存儲器技術製造，與工業 80C51產品指令和引腳完全兼容。片上 Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適於常規編程器。在單晶元上，擁有靈巧的 8位 CPU和在系統可編程 Flash，使得 AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標准功能：8k位元組 Flash，256位元組 RAM， 32位 I/O口線，看門狗定時器，2個數據指針，三個 16位定時器/計數器，一個 6向量 2級中斷結構，全雙工串列口，片內晶振及時鍾電路。另外，AT89S52可降至 0Hz靜態邏輯操作，支持 2種軟體可選擇節電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許 RAM、定時器 /計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振盪器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬體復位為止。
圖4.1.1 AT89S52晶元管腳圖
（2） AT89S52晶元的引腳功能：
89S52的封裝形式有PDIP-40、PQFP/TQFP-44、PLCC/LCC-44等，其中PDIP-40的引腳排列和邏輯符號如圖7所示。AT89S52晶元用40Pin封裝的雙列直接DIP結構，它具有如下特點：40個引腳，8k Bytes Flash片內程序存儲器，256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優先順序2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數器,2個全雙工串列通信口，看門狗（WDT）電路，片內時鍾振盪器。在40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振盪器的時鍾線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復用，一根復位引腳，一根EA/Vpp引腳，一根 引腳，一根ALE/ 引腳。現在我們對這些引腳的功能加以說明：
VCC : 電源
GND:地
P0口：P0口是一個 8位漏極開路的雙向 I/O口。作為輸出口，每位能驅動 8個 TTL邏輯電平。對 P0埠寫「1」時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數據存儲器時，P0口也被作為低 8位地址/數據復用。在這種模式下， P0具有內部上拉電阻。在 flash編程時，P0口也用來接收指令位元組；在程序校驗時，輸出指令位元組。程序校驗時，需要外部上拉電阻。
P1口：P1口是一個具有內部上拉電阻的 8位雙向 I/O口，p1輸出緩沖器能驅動 4個 TTL邏輯電平。對 P1埠寫「1」時，內部上拉電阻把埠拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由於內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和 P1.2分別作定時器/計數器 2的外部計數輸入（P1.0/T2）和時器/計數器 2的觸發輸入（P1.1/T2EX），具體如下表所示。在 flash編程和校驗時，P1口接收低 8位地址位元組。
P2口：P2口是一個具有內部上拉電阻的 8位雙向 I/O口，P2輸出緩沖器能驅動 4個 TTL邏輯電平。對 P2埠寫「1」時，內部上拉電阻把埠拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由於內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用 16位地址讀取外部數據存儲器（例如執行 MOVX @DPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種應用中，P2口使用很強的內部上拉發送 1。在使用 8位地址（如 MOVX @RI）訪問外部數據存儲器時，P2口輸出 P2鎖存器的內容。在 flash編程和校驗時，P2口也接收高 8位地址位元組和一些控制信號。
P3口：P3口是一個具有內部上拉電阻的 8位雙向 I/O口，p2輸出緩沖器能驅動 4個 TTL邏輯電平。對 P3埠寫「1」時，內部上拉電阻把埠拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由於內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 P3口亦作為 AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在 flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。
表4.1.1 P1口第二功能表
表4.1.2 P3口的第二功能表
（3） AT89S52單片機內部結構
單片機的結構有兩種類型，一種是程序存儲器和數據存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard)結構，另一種是採用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數據存儲器合二為一的結構，即普林斯頓Princeton)結構。INTEL的MCS-51系列單片機採用的是哈佛結構的形式，而後續產品16位的MCS-96系列單片機則採用普林斯頓結構。
AT89S52單片機包含中央處理器、程序存儲器(FLASH)、數據存儲器(RAM)、定時/計數器、並行介面、串列介面和中斷系統等幾大單元及數據匯流排、地址匯流排和控制匯流排等三大匯流排，現在我們分別加以說明：
1 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。
2 數據存儲器(RAM)：
AT89S52內部有256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，專用寄存器只能用於存放控制指令數據，用戶只能訪問，而不能用於存放用戶數據，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數據。
3 程序存儲器(ROM)：
AT89S52共有8k個8位掩膜ROM，用於存放用戶程序。
4 定時/計數器(ROM)：
AT89S52有3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於控製程序轉向。
5 並行輸入輸出(I/O)口：
AT89S52共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用於對外部數據的傳輸。
6 全雙工串列口：
AT89S52內置一個全雙工串列通信口，用於與其它設備間的串列數據傳送，該串列口既可以用作非同步通信收發器，也可以當同步移位器使用。
7 中斷系統：
AT89S52具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、3個定時/計數器中斷和一個串列中斷，可滿足不同的控制要求，並具有2級的優先順序別選擇。
8 時鍾電路：
AT89S52內置最高頻率達24MHz的時鍾電路，用於產生整個單片機運行的脈沖時序，但AT89S52單片機需外置振盪電容。
圖4.1.1 AT89S52晶元內部結構圖
晶元
max232是一種把電腦的串列口rs232信號電平（-10 ，+10v）轉換為單片機所用到的TTL信號點平（0 ，+5）的晶元，下面我來介紹一下max232引腳圖以及max232和電腦串口的連接電路，RS232引腳定義。看下面的圖。
圖4.2.1 max232的引腳圖
圖4.2.2 max232的接線圖
表4.2.1 RS232引腳定義表
引腳
定義
符號
1
載波檢測
DCD
2
接收數據
RXD
3
發送數據
TXD
4
數據終端准備好
DTR
5
信號地
SG
6
數據准備好
DSR
7
請求發送
RTS
8
清除發送
CTS
9
振鈴提示
RI
表4.2.2 max232的一些測試參數
組裝及調試
劃分出相互獨立的電路模塊，便於分別安裝調試。每安裝好一個模塊，就上電測試一下。
（1）硬體調試：
硬體調試是利用DVCC實驗與開發系統、基本測試儀器（萬用表、示波器等），檢查用戶系統硬體中存在的故障。其中硬體調試可分為靜態調試與動態調試兩步進行。
靜態調試是在用戶系統未工作時的一種硬體檢測。
第一步：目測。檢查外部的各種元件或者是電路是否有斷點。
第二步用萬用表測試。先用萬用表復核目測中有疑問的連接點，再檢測各種電源線與地線之間是否有短路現象。
第三步加電檢測。給板加電，檢測所有插座或是器件的電源端是否符合要求的值
第四步是聯機檢查。因為只有用單片機開發系統才能完成對用戶系統的調試。
動態調試是在用戶系統工作的情況下發現和排除用戶系統硬體中存在的器件內部故障、器件連接邏輯錯誤等的一種硬體檢查。動態調試的一般方法是由近及遠、由分到合。由分到合是指首先按邏輯功能將用戶系統硬體電路分為若干塊，當調試電路時，與該元件無關的 器件全部從用戶系統中去掉，這樣可以將故障范圍限定在某個局部的電路上。當各塊電路無故障後，將各電路逐塊加入系統中，在對各塊電路功能及各電路間可能存在的相互聯系進行調試。由分到合的調試既告完成。由近及遠是將信號流經的各器件按照距離單片機的邏輯距離進行由近及遠的分層，然後分層調試。調試時，仍採用去掉無關元件的方法，逐層調試下去，就會定位故障元件了。
（2）軟體調試：
軟體調試是通過對程序的匯編、連接、執行來發現程序中存在的語法錯誤與邏輯錯誤並加以排除糾正的過程。用軟體WAVE6000進行調試。
設計總結
這次課程設計碰到了不少困難，也走了不少彎路。因此想給參考者講述自己的一些經驗：
（1）在設計電路圖時除了要擇優電路之外，還應當考慮經濟性。因為課程設計的目的是為了提高我們的動手能力，所以應把經濟作為第一考慮要素。
（2）用protel 99SE製作原理圖時一定要清楚管腳標號的順序，這是為讓封裝做得更好而做的准備。當然最好的是自己建立一個元件庫，這樣做可使自己做的原理圖可讀性更好，可移植性也更好。另外要注意的是一定要有控制元件工作的電源（一般都是5v左右）。還有就是網路標號一定要保證正確。總之一定要按部就班，不可跳步驟，這會對接下來的工作繁瑣度有很大的影響。
（3）在做PCB板圖時，針對這個電路最好先自動布局看清大概，然後手工布局。要手工布線。這是因為電路元件較少，人工布局排線更好。單層布線最好先手工布線後自動布線。為保證後期製作電路板的質量，要注意焊孔的類型及尺寸。針對現有技術及考慮到發熱量等各方面，電線寬度最好要大於15mil。
（4）電路板的製作過程沒什麼感想，就按步驟來就可以了。在焊接過程中一定要保證焊接質量，這對以後的調試有重大影響。同時焊接質量好壞對儀器的精度有一定的影響。在焊接過程中一定要注意管腳標號。注意不要焊得太久，以免燒壞元器件。
通過這次對單片機交通信號燈的設計與製作，使我了解了設計一個嵌入式產品的大概流程，在這次設計中讓我學到了不少東西。本系統是以單片機AT89S52晶元為核心部件，實現了能根據實際車流量通過AT89S52晶元設置紅、綠燈燃亮時間的功能。此次在軟體上是花費時間最多的，我們上網找資料，上圖書館，盡可能的了解有關於交通燈這方面的知識。通過這次計算機課程設計，使我得到了一次用理論知識、實踐技能和解決問題全面系統的鍛煉。使我在單片機的基本原理、單片機應用系統開發過程，以及在常用編程設計思路技巧（特別是匯編語言）的掌握方面都能向前邁了一大步。在實際接線中有著各種各樣的條件制約著，因此結果並不重要，我們要重視過程，我們懂得了過程，學到了方法就是我們最大的收獲。在設計時應考慮諸多因素與實際的差異，從諸多方法中選擇最優的就可以了。
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[3] 靳達編.單片機應用系統開發實例導航. 北京：人民郵電出版社，2003年
[4] 鄭初華編.匯編語言、微機原理及介面技術.北京：電子工業出版社，2008年
轉眼間，二周的時間快過去了！通過這兩周的計算機課程設計實踐，使我很榮幸和大家一起共度難關。最後的成果是比較令人滿意的。這次實驗設計也隨著這份報告將畫上一個圓滿的句號。顯然能夠完成這次任務是大家共同努力的功勞，因此，在此我要感謝大家的支持及協作。首先我要感謝的是我的總指導——吳偉老師，他們的幫助對這次設計的成功是不言而喻的，尤其是給我講解一些有實際操作性的經驗。這使我夠勝任這一任務。其次要感謝的是我周圍的同學，是他們幫我解決了一些工作中的困難和解答了我遇到的一些疑惑，也感謝他們給我提出的一些建議。當然我也要感謝我所在團隊的全體人員，雖然全隊是分配任務的，但是他們還是熱心的幫了我不少忙，所以我要感謝我們全體隊員的通力合作。另外我還要感謝學校及廠家。感謝學校能給我們提供一個動手平台，感謝學校給我提供一些元器件、設備和場地。感謝廠家是因為他們提供的一些實際參數使我能合理地規劃PCB板圖等。最後我想對他們說的是：「感謝你們提供幫助！衷心感謝你們！謝謝！」
『柒』 自適應交通控制系統是如何工作的
改善城市交通的管理工作，主要依靠各種不同的自動化指揮調度系統，對線路上的車輛進行指揮、調度和管理。計算機技術是建立城市交通自動化指揮、調度系統的基礎。1979年，英國成功地開發出「自適應交通控制系統」，通過星羅棋布的檢測裝置，形成一個同中心電子計算機聯結的信息網路，隨時收集控制范圍內各條道路和各個交叉路口的交通信息。中心電子計算機則根據收集到的各種交通信息，連續不斷地對現行控制方案進行調整，保證自動控制范圍內的交通處於最佳運行狀態。
目前，現代化交通管理與控制技術正在蓬勃發展，而且種類繁多。在控制范圍方面，有單點控制、線性控制和區域控制。單點控制是信號化交叉路口交通控制的最基本形式，它只考慮一個交叉路口而不考慮鄰近交叉路口的交通流情況。線性控制是將一條主幹道的一連串交叉路口作為控制對象，它要考慮這一連串交叉路口的交通流狀況，並對其進行協調控制。區域控制是將整個城市或城市中某個區域的所有信號化交叉路口作為控制對象，對該范圍內所有的交叉路口的交通流進行協調控制。巴黎將900個路口分成24個控制區，在設分區控制室的基礎上，建有一個中央控制室。德國慕尼黑市，將840個路口分成5個分區和一個中央控制室進行管理。
『捌』 急！急！急！數學建模的兩個題，有重分獎勵！！！！
通過將車流量的增大或減小轉化為路長權重的變化。將交通流量的動態問題轉化為靜態問題，用解決最短路問題的Dijkstra 方法，給出交通流量實時最優控制的可行性模型及其有效演算法。
關鍵詞：交通流, 實時最優控制, 道路加權, Dijkstra 方法
隨著國民經濟的持續、高速發展，各種機動車尤其是私家車擁有量急劇增加帶來了交通運輸業的空前繁榮。但是，大多數城市的交通已從過去的局部擁擠演變成為當今的大范圍全面緊張，如我國的一個大城市，當處於早晚交通高峰時，交叉路口處的阻車長度長達1000多米，有的阻車車隊從一個交叉路口延伸到另一個交叉路口，這時一輛車為通過一個交叉路口，往往需要半個小時以上，還不如步行快，這給城市交通帶來了難以承受的負荷。擁擠不僅帶來時間的浪費，還導致公交系統運行的無規則性，如公交汽車不能按時到站等，使人們對自己的旅行時間無法估計，耽誤工作和計劃等。這種緊張狀況日趨嚴重，已成為大城市突出的社會問題之一，也成為國民經濟進一步發展的「瓶頸」問題。因此，必須面對現實，解決城市的交通擁擠，堵塞問題。
那麼城市交通擁擠、堵塞原因何在呢？分析如下：
（一）、現行交通信號控制方法中交通信號與交通流量不適應。目前，各城市交叉路口使用最為廣泛的是單點定周期控制方式。這種控制方式存在的問題有以下幾個方面：
1. 對交通流的隨機變化無適應能力。由於是定周期方法，因此一旦周期時間和綠信比選定之後，一般就不再經常改動。而交通網路中車流、人流的變化是隨機的、經常的，各個周期中交叉路口同一方向上通過的流量可能差異很大。不同的流量對綠燈時間有著不同的要求。所以此種控制方式給出的信號常常不能與客觀實際車流的隨機變化相適應。我們常常遇到這樣的情況：有車輛等待通過的方向信號是紅燈，而與此同時無車輛方向的信號卻是綠燈，白白浪費了現有路口通行能力。為了克服這一缺點，人們考慮運用概率、統計的方法，在收集了大量交通數據的基礎上，對周期時間和綠信比進行離線優化選擇，使選出的周期時間和綠信比在概率意義下的合理性有很大提高。但是，這又帶來了下面的問題。
2. 需要經常調節控制規律。首先是因為城市土地結構變化很快而帶來的車流量變化很快。以往的數據很快便失去了實用價值。因此優化方案不在最優甚至不合理，需要重新進行數據收集，最優方案選擇等工作。這一點對發展中城市更為明顯。其次是同一路口 、同一方面在每星期中各天的流量是不同的，每天中高峰、平峰、低峰時交通也是不一樣的，這些都要求按預先算好的時刻表、日期表調換周期時間和綠信比，局限性很大。並且交通流量的隨機性越大，其缺點與明顯。
3. 沒有考慮各交叉路口的聯系。「單點」即指各路口各自進行控制，不管鄰近路口的信號燈翻轉規律如何。這種各個路口互不配合、互不協調的控制方式人為地給交通流的流動設置了許多阻力。
（二）、信息流通條件極差，無法對乘客和車輛進行誘導和管理。這個問題在交通網路運行暢通的情況下並不明顯，但當交通堵塞、交通事故等緊急事件發生時就顯得非常突出。然而這些緊急事件卻常有發生。每當這時，公共汽車調度站無法知道路上的情況，從而無法對公共汽車的線路、發車頻次作恰當調整；其他車輛的司機也得不到信息無法選擇較為暢通的線路；在公共汽車站等車的乘客也無法做出決策，是繼續等車或是換乘其他車次或是步行等。實際上在許多情況下，只要進行恰當的誘導，道路的擁擠狀況就會大大緩解或保證暢通。例如：1984年洛杉磯奧運會期間，由於採用了大量的動態路標顯示板，誘導車輛選擇恰當的路線，因而，盡管車輛較平時增多很多，但網路中交通流的運行狀況卻比平時還好。
（三）、停車場的能力不夠，位置也不當。這是多年延續下來的舊病，只修路不修停車場。比如，成都火車站東西二環路，那裡的批發市場很多，但是，無合理的停車場，大多數司機將車直接停放在街道上，這樣嚴重影響了道路的通行能力。應該將停車場向專門化，地下化發展，在賓館，商場，機關大樓，居民大樓的地下設置社會化的停車場是解決城市交通擁擠，堵塞的一條行之有效的辦法。
交通運輸是一個復雜的大系統，這個系統必須在嚴格科學的制度下運行，它不是一個自適應系統，任何違反規章制度的行為都可能導致大系統的局部、甚至「整體」的癱瘓。
交通擁擠和堵塞對策從總體上可分為三大類：
（1） 加強道路建設，以提高交通網路的交通容量；
（2） 加強交通運用與管理以充分發揮現有道路設施的作用，使得交通網路的使用效率最大；
（3） 全面實施交通需求管理以使交通需求在時間、空間上均勻化，交通結構合理化。由於交通基礎設施建設工期長，耗資大，在當前資金有限的條件下，解決特定的城市交通問題時，必須事先進行對策的效果分析。
如前所述，要想比較有效的解決城市的交通擁擠，堵塞問題不能單純的只依靠增加道路面積和長度，而要不斷的完善路網系統，調整路網結構和加強交通管理的現代化，以及對單個車輛的控制及引導。首先就交通流量的靜態情形是一種理想狀態，既假設在一個城市街區內車流速度一定，對單個車輛的控制及引導進行研究分析，給出調控標准。
交通道路網的拓撲性質可以用圖論的基本原理來分析。圖由「弧」和「頂點」兩部分組成，交通道路網的拓撲模型可以抽象認為是由節點（交叉路口）以及弧（道路）組成的有向圖。邊的方向就是車流的方向。由於道路和交叉路口都有很多屬性，這樣就可以把始發地和目的地之間的區域交通網抽象成了多屬性賦權有向圖。
假設：
1. 所有道路一樣寬；
2. 每一條道路都不需停車等待；
3. 車流速度恆定；
4. 道路長已知。
5. 從 點到 點所用時間僅與路長有關。
不考慮意外事故對交通的影響。車子所在地設為 點，目的地設為 點。於是車子所要走的路線就可以用P來表述。
： , 兩點間距離
v：車流速度
t：從始發地 到目的地 的時間
：P中所有弧長之和
表示道路狀況的權重
表示車流速度改變而賦給道路的權重
表示
模型建立
由於假設車速恆定，由 可知，要求從始發地 到目的地 用時最短就可以轉化為求道路最短。此時問題可以用以下數學模型描述:
（ * ）
我們將城市道路網描述為一賦權有向圖D=(V,U)對每一條有向邊 ∈U都存在一l 與這對應，其表示道路兩結點間的距離，稱之為有向邊 的權。
＝
模型的求解
在賦權有向圖中，我們選定某個起點 ，終點 .採用迪克特拉（E.W.Dijkstra）演算法。Dijkstra方法的基本思想是從 出發，逐步地向外探尋最短路。執行過程中，與每一個點對應，記錄下一個數（稱為這個點的標號），它或者表示從 到該點的最短路的權（稱為P標號）、或者是從 到該點的最短路的權的上界（稱為T標號），方法的每一步是去修改T標號，並且把某一個具T標號的點改變為具P標號的點，從而使D中具P標號的頂點數多一個，這樣，至多經過p-1步，就可以求出從 到各點的最短路。
對靜態的交通加權最短路問題進行了數學建模，但是實際狀態中，還有許多因素影響交通運行時間，譬如道路寬度不盡相同，會使車輛流率不同（車流量的大小用車流率表示，車流率是道路上某點單位時間內到達或離開的車輛數，簡稱流率）；時段高峰期，會造成某一路段在某一時段交通擁擠甚至阻塞，從而使得車流速度降低等，也就是只從靜態考慮了實際問題。這一些個因素沒有考慮進去，按照理想模型來分析，會導致估計結果粗糙從而失真，不能有效地對單個車輛進行引導控制。於是我們在前面假設的基礎上再進行模型的修改：當流量處於動態變化時，把道路寬度，交通阻塞等因素考慮進去。這樣一來定點路段上的車行最短時間的問題上比靜態情形復雜很多，我們採用因素轉化法，將多因素變數轉化為單因素變數來建立優化模型。
首先我們可以利用自動的交通檢測裝置來測量交通網路中各個不同部分的交通流狀態，再通過一些電訊設備將這些檢測到的信息送到控制中心或電台等，這樣就可以知道某一時刻的各個路段的交通狀況，從而為我們對司機的行車進行引導提供了信息。
由於加入了影響因素，車流速度隨著高峰期擁堵而在一個時間段有所改變。由 知，求用時最短的方案必然有所改變。但是我們可以將車速改變轉化為路長改變，即對道路加權改為隨時間變化的函數，如速度增大則道路權為正小數，速度減小則把權設為正整數，使得要求用時最短仍能轉變成求道路最短。
剛才考慮了車流速度改變的情況，現在來看看交通狀況改變，譬如發生交通意外而使道路癱瘓不能行車，或是時段高峰期使得交通擁擠等。這時我們仍可以在一個時間段對道路加權來使問題轉變成靜態模型，即求道路最短模型。道路的權重可以通過經驗給出。當道路不能暢通無阻時，我們設其權重為大於1的正整數，反之設為1。
仍同初始交通加權最短路問題一樣，可將始發地和目的地之間的區域交通網抽象成多屬性賦權有向圖。
由自動的交通檢測裝置反饋來的數據信息，我們可以給一條道路賦予一定的權重，根據情況程度決定具體權重。
當道路因各種原因使得車流速度受到影響時，我們可以把權重 取值范圍設定為〔1，∞），其中 =∞ 表示道路嚴重阻塞，車輛不能通行； =1 表示車流速度不受影響，可以自由行駛。車流速度改變後，我們可以把權重 的取值范圍設定為（0，∞），當 時，表示車流速度增大； 時，表示車流速度減小； =1時，則表示與初始速度相比沒有改變。
由以上所述，我們可以把模型建立為
（ ** ）
雖然每一時刻道路狀況，車流速度不盡相同，但是經過轉換，形成以上模型，就只是參數變化而已，如此一來仍然可以用初始最短路問題的模型求解，這樣就大大簡化了問題。
在下述Dijkstra方法具體求解步驟中，用P,T分別表示某個點的P標號、T標號， 表示第i步時，具P標號點的集合。為了在求出從 到各點的距離的同時，也求出從 到各點的最短路，給每個點 以一個 值，演算法終止時，如果 ，表示在從 到 的最短路上， 的前一個點是 ；如果 ，則表示D中不含從 到 的路； 表示 = 。其中M表示無窮大的數。
模型檢驗與實用性研究
前面給出了一般性的優化模型，現在我們舉個例子對模型進行計算。
如圖所示，這是一個單行線交通網，車輛以速度v行駛，每弧旁的數字表示兩點間相對距離。現在某計程車要從 出發，通過這個交通網到 去，求所用時間最短的路線。
圖5-1
由 可知，若速度等因素沒有改變時，根據模型（ * ），用Dijkstra演算法直接求解，得從 到 的最短路是 。
假設，此時速度或道路狀況改變，則根據模型（ ** ）我們可以得：
不妨設此時車已開向 ，並且車速變為2v（ =0.5）， 到 的路上由於上班高峰期造成了阻塞( =5)， 到 的道路由於不是主幹道車流較之前減少暢通率提高 ( =0.6)，其他道路狀況沒有改變( =1)。此時根據模型（ ** ）：
可求得從 到 用時間最短路線為
實用性研究
優化後的模型，對於實際交通流量控制有著較好的導控作用。在運用此模型時，可通過三個設備獲取數據，實現可行性。第一個是車輛設備，二是路邊設備，三是控制中心。
車輛設備包括：
⑴ 接收由駕駛員輸入數據的操作鍵盤；
⑵ 從路旁通訊設備接收數據和向該設備發送數據的收發部件；
⑶ 能提供從路旁通訊設備接收到的數據的現實控制板；
⑷ 接收來自路邊或中心廣播設備傳送來的信息的介面。
路邊設備包括：
⑴ 記錄從中心處理設備傳來的數據的路邊通訊設備，以及通過嵌入路面的環形線圈和車輛天線與單個車輛進行雙向通訊。
⑵ 直接用電纜線來連接中心控制與路邊廣播設備，再進行車輛通訊。⑶ 自動的交通檢測裝置，可測量車輛速度以及檢測道路狀況。
這樣，司機把一個他所希望的終點站代碼輸入到安裝在車內的鍵盤，一旦車輛接近確定的地點時，車上的微型計算機通過車輛天線和一個嵌入路面的迴路線圈向路邊微機設備傳送存貯的代碼數據，此微機再將代碼數據反饋回控制中心，控制中心利用本文優化模型及給出的演算法進行求解，得出合理的行駛路線，經由路邊設備反饋給車上的微型計算機，司機通過顯示器可以獲取最短路線。
由於交通不是單個車輛的，而是眾多車輛參與在內的運行，因此交通狀況時刻可能改變，這將影響單個車輛行駛路線的改變。本文的導控考慮到此種情況，將導控分時間段進行：
表5-1
低谷期
5:00-
7:30 高峰期
7:30-
9:00 中間期
9:00-
12:00 高峰期
12:00-
13:00 中間期
13:00-
17:30- 高峰期
17:30-
19:00 低谷期
19:00-
23:00
在低谷期內的反饋周期為30分鍾，中間期為15分鍾，而高峰期則為5分鍾一次，因為高峰期道路狀況改變快，因此反饋給司機的數據間隔也不能太長。這樣就使得本文的模型更具可行性。
