熱釋電紅外傳感器應(yīng)用與車流量檢測系統(tǒng)_圖文

1、PR OCESS AUT OM AT I O N I NSTRU M ENTAT I O N Vol 131No 13M arch 2010修改稿收到日期:2009-08-14。第一作者王捷,男,1962年生,1984年畢業(yè)于天津大學(xué)自動化儀表專業(yè),講師;主要從事自動化儀表方面的研究。熱釋電紅外傳感器應(yīng)用與車流量檢測系統(tǒng)App lica ti o n o f Pyr o e l e c tri c I nfra re d Sen so r and M o n ito ring Sys tem fo r Fl o w Ra te o f Ve h ic le s王捷1艾紅2(北方工業(yè)大學(xué)自動化及

2、現(xiàn)場總線北京市重點實驗室1,北京100144;北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院2,北京100192摘要:在道路交通管理過程中,車流量是決定控制策略的關(guān)鍵因素之一。利用熱釋電紅外傳感器,設(shè)計了車流量自動計數(shù)檢測系統(tǒng)。該紅外檢測系統(tǒng)采用紅外傳感器作為探頭來檢測外界是否有車輛通過,紅外傳感器輸出的微弱電信號經(jīng)運算放大器放大以及比較器電路濾除干擾后,由單片機進行脈沖序列的分析,從而完成對車流量的檢測。整個系統(tǒng)成本低,在未來應(yīng)用中將有很大的發(fā)展空間。關(guān)鍵詞:檢測放大電路熱釋電紅外傳感器車流量計數(shù)中圖分類號:TP274.5文獻標(biāo)志碼:AAbstract:In traffic control,the flow r

3、ate of vehicles is one of the critical fact ors to decide the control strategy .By using pyr oelectric infrared sens ors,the aut omatic counting and detecting system f or fl ow rate of vehicles has been designed .In this detecting system,the pyroelectric infra 2red sens ors are used to detect if any

4、 vehicle is passing,the weak signal out put of the sensor is amp lified through the operati on amp lifier;and in 2terference is filtered out by the comparer .Finally,the pulse sequence analysis is conducted in single chi p computer,thus the flow rate of vehi 2cles is detected .The whole system is in

5、 low cost,s o it possesses large devel op ing s pace in future .Keywords:Detection Amp lifying circuit Pyroelectric Infrared sensor Flow rate of vehicles Count0引言在城市管理和維護過程中,交通道路的建設(shè)尤為重要,合理的安排道路可以保證人們?nèi)粘９ぷ魃畹男枰?。在市區(qū)道路車流管理過程中,車流量是分析道路情況的重要指標(biāo),因此,車流量檢測的研究也越來越重要。車流量檢測的方法一般采用在路面埋設(shè)地感線圈和紅外檢測兩種方式。由于紅外檢測方式具有工程量

6、小的優(yōu)點,因此,本文采用了紅外檢測方式對車流量進行檢測,即利用熱釋電傳感器為核心元件,配以相應(yīng)的測量電路和單片機,實現(xiàn)車流量的自動檢測、判別、計數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?熱釋電紅外傳感器的性能1.1熱釋電效應(yīng)原理當(dāng)一些晶體受熱時,在晶體兩端會產(chǎn)生數(shù)量相等而極性相反的電荷,這種由熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象被稱為熱釋電效應(yīng)。當(dāng)溫度變化時,晶體結(jié)構(gòu)中的正負電荷重心發(fā)生相對移位,晶體表面產(chǎn)生電荷耗盡,電荷耗盡的狀況正比于極化程度。熱釋電傳感器利用的是熱釋電效應(yīng),它是一種溫度敏感傳感器。當(dāng)傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有T 的變化時,熱釋電效應(yīng)會在兩個電極上產(chǎn)生電荷Q ,并在兩電極之間產(chǎn)生一個微弱電壓V1。由于熱釋電元件

7、的輸出阻抗極高,因此,傳感器中有一個場效應(yīng)管進行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷Q 會與空氣中的離子所結(jié)合而消失。當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變,即T =0時,傳感器無輸出;當(dāng)檢測區(qū)間的溫度分布發(fā)生變化產(chǎn)生T 時,則有信號輸出;當(dāng)檢測區(qū)間的溫度分布保持穩(wěn)定時,傳感器沒有輸出。因此,傳感器能夠根據(jù)溫度場的變化檢測物體的移動狀態(tài)。傳感器主要由外殼、濾光片、熱釋電元件、場效應(yīng)管等組成。其中,濾光片設(shè)置在窗口處,組成紅外線通過的窗口,即濾去無用的紅外線,讓有用的紅外線進入窗口;場效應(yīng)管起到阻抗變換的作用;熱釋電元件將紅外信號的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?.2熱釋電紅外傳感器的性能任何發(fā)熱物體都會產(chǎn)生紅外線,而凡是溫度

8、高于絕對零度的物體都是紅外輻射源。環(huán)境與自身的溫度變化由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了不向外輸出信號,而傳感器的低頻響應(yīng)和特定的紅外波長響應(yīng)決定了傳感器只對外界的紅外輻射敏感并引起本身的溫度變化,即只對相關(guān)物體的運動敏感。因此,傳感器可以抵抗可見光及其中大27熱釋電紅外傳感器應(yīng)用與車流量檢測系統(tǒng)王捷,等自動化儀表第31卷第3期2010年3月部分紅外線的干擾2。熱釋電紅外傳感器以非接觸形式檢測來自外界物體放射出的微弱紅外線能量,并轉(zhuǎn)化成電信號輸出。它既有主動式又有被動式。被動式熱釋電紅外傳感器本身不產(chǎn)生任何類型的輻射,功耗小且價格低廉。但是熱釋電傳感器也有缺點,如信號幅度小,易受各種熱源、光源以及射頻輻射的干

9、擾。為了提高物體輻射的紅外線在大氣中的對比度,傳感器的光譜帶要與大氣窗口相吻合,通常在熱釋電傳感器前加裝一塊光學(xué)干涉濾光片。濾光片能使帶寬內(nèi)的紅外輻射有效通過并抑制帶寬外的紅外輻射,排除了近紅外輻射對熱釋電傳感器的干擾。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射,是由于物體內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動及振動而產(chǎn)生的。這類振動是由物體受熱而引起的。在常溫下,所有物體都是紅外輻射源,如火焰、汽車、動植物等都是紅外輻射源。但發(fā)射的紅外波長不同,紅外線和所有電磁波一樣,具有反射、折射、干涉和吸收等特性;且溫度愈低的物體,其輻射的紅外線波長愈長。2菲涅爾透鏡的應(yīng)用使用熱釋電紅外傳感器時,其表面必須罩上一塊菲涅爾透鏡。所謂的菲涅爾透鏡

10、就是一種特殊設(shè)計的、由塑料制成的光學(xué)透鏡組,是根據(jù)菲涅耳原理制成的。它把紅外光線分成可見區(qū)和盲區(qū),具有聚焦的功能;其與熱釋電元件配合,可以提高傳感器的靈敏度,擴大監(jiān)視范圍。菲涅耳透鏡有折射式形式,它的聚焦作用是增加靈敏度,使進入檢測區(qū)的移動物體能以溫度變化的形式影響紅外傳感器,這樣紅外傳感器就能產(chǎn)生變化的電信號。當(dāng)傳感器加上菲涅爾透鏡后,其檢測距離大約可以增加到原來的五倍。菲涅耳透鏡的工作原理是當(dāng)移動物體發(fā)射的紅外線進入透鏡的監(jiān)視范圍時,透鏡會產(chǎn)生一個交替的“盲區(qū)”和“高敏感區(qū)”,從而使傳感器晶片的兩個反向串聯(lián)的熱釋電元件輪流感受到運動物體,此時,物體的紅外輻射以光脈沖的形式不斷改變熱釋電元件

11、的溫度,使它輸出一串脈沖信號。如果物體靜止不動地位于熱釋電元件前,紅外元件將會無輸出3。3車流量檢測放大電路在本設(shè)計中,采用新型熱釋電紅外傳感器探測外界信息,并將其轉(zhuǎn)換成微弱的電信號輸出4,再經(jīng)運算放大器放大及比較器濾去干擾后,所得信號被送入單片機以啟動計數(shù)器計數(shù),最后通過液晶顯示器顯示。檢測放大電路的原理圖如圖1 所示。圖1檢測放大電路原理圖Fig .1Princi p le of the detecting and a mp lifying circuits圖1中:PT 為高靈敏度熱釋電紅外傳感器,放大器選用LM324集成運算放大器。當(dāng)檢測區(qū)間有車輛通過時,PT 輸出相應(yīng)的電壓脈沖信號,經(jīng)

12、U 1D 放大、電容C 5隔直后,由U 1C 進行第二級放大,輸出信號進入窗口電壓比較器。電位器RW 2決定了一個窗口電壓區(qū)間,低于該電壓區(qū)間,則或門U 3A 輸出為低電平;高于該電壓區(qū)間,則或門U 3A 輸出為高電平。或門的輸出與單片機T 0端和I N T0端同時相連接。R 2和C 1構(gòu)成阻容濾波,其他濾波電路根據(jù)測試情況進行調(diào)整。RW 1是對放大倍數(shù)進行調(diào)整。當(dāng)U 1C 的輸出在V 1(U 1B -和V 2(U 1A +之間時,比較器1(U 1B 和比較器2(U 1A 均輸出低電壓,或門U 3A 輸出為低電平;當(dāng)U 1C 的輸出高于V 1(U 1B -時,比較器1(U 1B 輸出高電平,或

13、門U 3A 輸出為高電平;U 1C 的輸出低于V 2(U 1A +時,比較器2(U 1A 輸出高電平,或門U 3A 輸出為高電平,即U 1B 和U 1A 的輸出經(jīng)邏輯或輸出脈沖信號到單片機。變阻器RW 2用于設(shè)定窗口的閥值電平,RW 1和RW 2可調(diào)節(jié)檢測放大電路的靈敏度,使得低于車輛紅外特征的干擾信號被濾除5。37熱釋電紅外傳感器應(yīng)用與車流量檢測系統(tǒng)王捷,等4車流量檢測系統(tǒng)車流量檢測系統(tǒng)由熱釋電紅外傳感器檢測電路、放大電路、單片機AT89C51、MAX813L 組成的看門狗電路、串行E 2PROM 存儲器電路和液晶顯示器電路等組成。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對應(yīng)車道的車流量顯示6。車流量檢測系統(tǒng)的方案設(shè)

14、計如圖2 所示。圖2車流量檢測系統(tǒng)框圖Fig .2B l ock diagra m of the detecti on syste mfor fl ow rate of vehicles熱釋電紅外傳感器安裝于道路上方適當(dāng)?shù)母叨任恢谩．?dāng)有車輛通過時,傳感器輸出的微弱信號被送到檢測放大電路,經(jīng)放大整形后輸出脈沖信號,最終形成矩形脈沖送入單片機進行計數(shù),再通過液晶顯示器顯示。設(shè)計電路包含濾波電路、二級放大電路,以及窗口比較電路,其中單片機選用AT89C51。單片機T 1工作在定時中斷方式,其主要用于分析在一定時間內(nèi)T 0引腳產(chǎn)生的脈沖序列,并進行相應(yīng)判斷,從而得到準(zhǔn)確的車流量結(jié)果。車流量檢測裝置通過

15、道路測試,記錄的輸出波形如圖3所示。圖中信息表明了車輛通過時的紅外特征,且通過判別分組內(nèi)的高低電平和組與組之間的間隔,可以得到車流量信息 。圖3輸出波形圖Fig .3Out put wavef or m s5車流量檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計基于單片機進行軟件設(shè)計時,采用C51系列芯片進行程序編寫,以達到顯示車流量的功能。與匯編語言相比,C 語言具有可讀性強、可以進行函數(shù)調(diào)用等特點。設(shè)計中所有的軟件程序均使用C 語言編寫。主函數(shù)中調(diào)用了顯示和車輛計數(shù)兩個子函數(shù)。顯示程序的編寫共分為兩頁,第一頁顯示歡迎界面,第二頁實時顯示車流量數(shù)值。液晶屏幕一屏顯示四行,每行能顯示八個漢字或16個字符,漢字由兩個字節(jié)碼組成

16、,顯示程序采用數(shù)組方式調(diào)用漢字字符,從而實現(xiàn)車流量的正確顯示7。液晶顯示采用串行接口方式,因此,在編寫程序時,時序很復(fù)雜,需要嚴(yán)格按照時序來完成。如果將一個八位數(shù)據(jù)送入液晶顯示器,則首先須定義一個變量mybit2作為需要傳送數(shù)據(jù)的第7位,每傳送一個位數(shù)據(jù),就使用x =x <<1左移指令,使得下一位又變?yōu)榈?位,循環(huán)八次可以將一個字節(jié)的八位數(shù)據(jù)寫入到液晶顯示器中。車流量檢測系統(tǒng)基本軟件流程如圖4 所示。圖4車流量檢測系統(tǒng)軟件流程圖Fig .4Soft w are fl owchart of the detecti on syste m在不同條件下,如冬季和夏季,采集波形的數(shù)據(jù)和設(shè)計的

17、電路參數(shù)可能會作修改。因此,在今后的研究中,需要采集更多的信息進行分析和整理;同時,通過實驗測試,并收集不同天氣和路況的車輛類型實驗數(shù)據(jù),對電路和判斷程序進行調(diào)整,使車輛檢測系統(tǒng)能在多種情況下工作,以適應(yīng)不同的工作環(huán)境和狀況下的車輛信息。為防止車輛之外人員引起的誤檢,可將傳感器安放于道路的正上方,并根據(jù)人的移動和車輛移動的差別,忽略行人所引起的脈沖信號。6結(jié)束語在城市及道路的交通管理系統(tǒng)中,為了均衡路網(wǎng)的流量,保持交通的順暢,需要根據(jù)車流量來調(diào)整信號燈、控制紅綠燈的狀態(tài),及時發(fā)布路況的情況并給予指示。交通流量檢測系統(tǒng)是一種對車流量進行統(tǒng)計與記錄的系統(tǒng),利用它可以實現(xiàn)對道路交通的控制管理。本文的

18、創(chuàng)新點是在交通流量檢測系統(tǒng)設(shè)計中,采用熱釋電紅外傳感器實現(xiàn)對通過車輛的無接觸測量,并實地進行了測量?；跓後岆娂t外傳感器的車流量檢測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地檢測車流量,設(shè)計合理,較好地實現(xiàn)了車流量的顯示。(下轉(zhuǎn)第78頁熱釋電紅外傳感器應(yīng)用與車流量檢測系統(tǒng)王捷,等QS QL I TE"創(chuàng)建一個新的QSql D atabase對象,指定使用QS QL I TE數(shù)據(jù)庫驅(qū)動來訪問數(shù)據(jù)庫db.set D atabase Na me("./test.db"對創(chuàng)建的QSql D atabase對象設(shè)定database name db.open(;打開數(shù)據(jù)庫連接數(shù)據(jù)庫連接建立成功后,就可以

19、通過以下語句:QSql Q uery query;query.exec(“相應(yīng)的S QL語句”;例如query.exec ("SE LECT3FROM data"執(zhí)行底層數(shù)據(jù)庫所支持的SELECT、I N SERT、DE2 LETE等S QL語句,從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的查詢、插入與刪除等操作。對鈉離子濃度測量信息的遠程監(jiān)控采用Client/ Server網(wǎng)絡(luò)模式,并采用TCP協(xié)議實現(xiàn)服務(wù)器端和客戶端的網(wǎng)絡(luò)通信,以保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的快速、可靠、準(zhǔn)確傳輸。Qt提供了QTcpSocket類和QTcpServer類用于編寫TCP客戶端和服務(wù)器應(yīng)用程序。QTcpSocket類采用異步工作方式

20、,提供了TCP協(xié)議的通信接口;QTcpServer 類在服務(wù)器端處理外來的TCP客戶端連接8。在編寫基于Q t的服務(wù)器端應(yīng)用程序時,首先要在頭文件中建立套接字相關(guān)對象,即:QTcpServer tcpServer;負責(zé)監(jiān)聽并處理外來的連接請求QTcpSocket3tcpServer Connecti on;封裝一條TCP連接然后在界面初始化后,在啟動服務(wù)器端調(diào)用QTcpServer的is L istening(函數(shù),以和listen(函數(shù)判斷當(dāng)前服務(wù)器是否已處在監(jiān)聽狀態(tài),以及在本地端口建立監(jiān)聽是否成功。當(dāng)客戶端連接請求到來時,QTcpServer 類會自動發(fā)出ne wConnection(信號

21、,從而觸發(fā)accep t2 Connecti on(槽函數(shù)。在accep tConnection(槽函數(shù)中, QTcpServer類可以通過nextPending Connection(函數(shù)獲取一個新的已建立連接的套接字,并將其返回值保存在tcpServerConnecti on私有變量中。當(dāng)建立的連接有新的可供讀取的數(shù)據(jù)時,QTcpSocket類會發(fā)出read2 Read(信號,從而觸發(fā)Receive(函數(shù)。該函數(shù)使用QTextStream或QDataStream數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)類來完成數(shù)據(jù)的接收與存儲9。如果連接或數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生錯誤,QTcpSocket類會發(fā)出err or(信號觸發(fā)錯誤處理

22、函數(shù)dis p layErr or(來顯示出錯信息并關(guān)閉連接。當(dāng)數(shù)據(jù)全部接收完閉時,通過tcpServer Connection->close (操作關(guān)閉連接。4結(jié)束語本文結(jié)合嵌入式I nternet、嵌入式數(shù)據(jù)庫、HM I等技術(shù),設(shè)計了一個基于嵌入式L inux技術(shù)的鈉表智能監(jiān)控終端系統(tǒng)。系統(tǒng)以32位高性能嵌入式微處理器和嵌入式實時操作系統(tǒng)為核心,具有功耗低、精度高、實時性好、可靠性高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點,彌補了傳統(tǒng)鈉表的缺陷,實現(xiàn)了儀表的智能化與網(wǎng)絡(luò)化,可廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測、火電廠、冶金電鍍等行業(yè)中,具有極強的推廣價值和廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻1承慰才,崔曉鳳,柴穎.新穎在線痕量鈉離子分析儀的研制J.工業(yè)水處理,2007,27(9:70-72.2潘竹生,童維勤,周正.基于嵌入式L inux的起升設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)J.計算機應(yīng)用與軟件,2008,25(10:67-