基于地感線圈的車(chē)輛檢測(cè)

1、第一章 系統(tǒng)摘要智能交通系統(tǒng)利用尖端的電子信息技術(shù)，構(gòu)成人員、車(chē)輛和公路三位一體的新型公路交通系統(tǒng)。它將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)處理技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通信傳輸技術(shù)、 自動(dòng)控制技術(shù)、人工智能及電子技術(shù)等有效地綜合運(yùn)用于交通運(yùn)輸管理體系中，建立一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的準(zhǔn)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的交通運(yùn)輸管理體系。本文著重研究了智能交通系統(tǒng)中的道路交通檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于環(huán)形線圈的車(chē)輛檢測(cè)器。采用雙環(huán)形線圈檢測(cè)技術(shù)，對(duì)車(chē)輛通過(guò)線圈時(shí)檢測(cè)電路所產(chǎn)生的振蕩頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而完成車(chē)流量監(jiān)測(cè)。本文介紹了一種基于單片機(jī)的環(huán)形線圈車(chē)輛檢測(cè)器系統(tǒng)，并分析了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。該系統(tǒng)的硬件主體以 AT89C51為控制核心。實(shí)

2、現(xiàn)了路面動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)的采集，采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映了車(chē)輛的通過(guò)或存在狀況。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易，能較精確地檢測(cè)出車(chē)輛的存在，可應(yīng)用于交通檢測(cè)和道路監(jiān)控領(lǐng)域。最后給出了該檢測(cè)器詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)方案。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：智能交通系統(tǒng)；環(huán)形線圈；交通流檢測(cè)；AT89C51 系統(tǒng)概述隨著世界城市化的進(jìn)展和汽車(chē)的普及，不論是在發(fā)展中國(guó)家還是在發(fā)達(dá)家，交通擁擠加劇、交通事故頻繁、交通環(huán)境惡化等問(wèn)題日益嚴(yán)重。一般來(lái)說(shuō)，解決交通擁擠的直接辦法是建設(shè)更多的道路交通設(shè)施，提高路網(wǎng)的通行能力，但無(wú)論是哪個(gè)國(guó)家，其城市內(nèi)部可供修建道路的空間有限，而且建設(shè)資金的籌措也是面臨的一個(gè)難題。同時(shí)，由于交通系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)

3、，因而，單獨(dú)從減少車(chē)輛或者增加道路設(shè)施方面考慮是無(wú)法根本解決問(wèn)題的1。此外，能源和環(huán)境問(wèn)題也日益為人們所認(rèn)識(shí)，能源的大量消耗，環(huán)境的嚴(yán)重污染，使人類(lèi)的財(cái)富和健康受到極大的損失。在這種背景下，從系統(tǒng)的觀念出發(fā)，把車(chē)輛和道路綜合起來(lái)考慮，著眼于充分利用現(xiàn)有的道路交通設(shè)施，著重提高道路車(chē)輛的運(yùn)行效率，從而運(yùn)用各種高新技術(shù)系統(tǒng)解決交通問(wèn)題的思想就應(yīng)運(yùn)而生。隨著車(chē)輛的增多和交通的飛速發(fā)展，在道路交通管理與控制中對(duì)交通信息的需求越來(lái)越多。實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)道路車(chē)輛的交通流信息并預(yù)測(cè)未來(lái)道路交通狀況，進(jìn)而將預(yù)測(cè)信息提供給交通控制中心，這樣，就能夠有效地誘導(dǎo)交通避免交通阻塞，減少出行時(shí)間和交通事故的發(fā)生。并且，交

4、通數(shù)據(jù)檢測(cè)在交通控制系統(tǒng)中也是十分重要的，精確和可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)是在交通控制中進(jìn)行合理的信號(hào)配時(shí)優(yōu)化的基礎(chǔ)：而實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)交通流預(yù)測(cè)，即有效地利用實(shí)時(shí)的交通數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)的交通狀況，是實(shí)現(xiàn)有效的交通控制和交通誘導(dǎo)的關(guān)鍵所在。 第二章 感應(yīng)線圈的交通檢測(cè)分析1.2.2.1. 車(chē)輛檢測(cè)器的埋地方法車(chē)輛檢測(cè)器的埋地方法如圖下圖所示，前一個(gè)緊挨停車(chē)線，后一個(gè)埋設(shè)在距停車(chē)線 5-10cm 處，一般考慮埋設(shè)在預(yù)計(jì)可正常停車(chē)數(shù)量所占位置的 l-2倍處，檢測(cè)駛?cè)朐撥?chē)道的車(chē)量數(shù)；二者之差，既是該車(chē)道還存在的車(chē)輛數(shù)，也是等待通行的車(chē)輛數(shù) 電感線圈安裝示意圖 地感線圈埋設(shè)首先要用切路機(jī)在路面上切出槽來(lái)，在四個(gè)角上進(jìn)行

5、45°倒角處理，防止尖角破壞線圈電纜，切槽寬度般為 04-08cm，深度 3-5cm，同時(shí)還要為線圈引線切一條通到路邊的槽將雙絞好的輸出引線通過(guò)引出線槽引出5。地感線圈埋設(shè)是在車(chē)道路面鋪設(shè)完成后或鋪設(shè)路面的同時(shí)進(jìn)行的，在線圈埋好以后，為了加強(qiáng)保護(hù)，用瀝青或軟性樹(shù)脂將切槽封上。線圈安裝時(shí)，應(yīng)該盡量避免焊接點(diǎn)，萬(wàn)不得已則必須良好接觸并做好絕緣；為避免電磁干擾，饋線使用屏蔽電纜，屏蔽電纜的屏蔽線在信號(hào)轉(zhuǎn)換器端良好接地；使用雙絞線，防止兩個(gè)相鄰線圈的饋線或與電源 220v之間的相互干擾。 2.2 感應(yīng)線圈檢測(cè)器的電磁感應(yīng)工作原理上圖電路中：Rb1 =Ru=62 kll；Ro=l kQ；R。=

6、22 kn；Ce=Cb=10uf；c1 =Cz=0.1 pF；L為電感線圈，此時(shí)晶體管VT1 為共射放大組態(tài)工作在放大狀態(tài)。 系統(tǒng)正常狀態(tài)下即無(wú)車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)。傳感振蕩電路的輸出信號(hào)U0(t)為頻率保持不變的正弦波。當(dāng)有車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，U0(t)的頻率變大，即f = fc ，其頻率差為f = f fc ，范圍在幾百赫茲到幾千赫茲。由公式 （1）知，f 與電路中電感 L、電容c1 ，c2 有關(guān)(c1 ，c2 為固定值)，所以f 為L(zhǎng)的單值函數(shù)，當(dāng)L發(fā)生變化時(shí)，該振蕩電路的振蕩頻率也發(fā)生反方向變化。把地線圈作為 L，直接連接到電路中通過(guò)檢測(cè)電路振蕩頻率的變化來(lái)反映L的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物體的探測(cè)。 設(shè)正常狀

7、態(tài)下即無(wú)車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)的輸出信號(hào)頻率為而有車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)的振蕩頻率為f0，則易獲知f大f0，由于不易通過(guò)固定公式直接計(jì)算，而只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)法大概估算，而且實(shí)際應(yīng)用中無(wú)需知道具體數(shù)值，只需估計(jì)fc=f - f0 的范圍即可。2.3 閾值的選取在判別車(chē)輛時(shí)，需要利用閾值來(lái)判斷車(chē)輛的到達(dá)，通過(guò)設(shè)定特殊的閾值，將受到車(chē)輛干擾后的磁場(chǎng)與無(wú)車(chē)輛干擾情況下的磁場(chǎng)分割開(kāi)來(lái)。主要表現(xiàn)在當(dāng)所獲 得磁場(chǎng)波形數(shù)據(jù)波動(dòng)超過(guò)一定閾值時(shí)，就確定為有車(chē)輛到達(dá)，否則將波動(dòng)判別為干擾。如果閾值選取的太大，當(dāng)有小型車(chē)快速通過(guò)檢測(cè)器時(shí)，波動(dòng)幅度太小，而無(wú)法達(dá)到閾值，就會(huì)檢測(cè)不到車(chē)輛。如果閾值選取太小的話，因?yàn)闄z測(cè)器收到周?chē)艌?chǎng)的干擾，會(huì)有小的波動(dòng)

8、，閾值太小，干擾大于波動(dòng)后，算法將干擾判別為車(chē)輛，也會(huì)影響檢測(cè)器的精度。而且當(dāng)車(chē)輛過(guò)去后，偶爾有基準(zhǔn)值漂移的問(wèn)題，可能會(huì)與原始基準(zhǔn)值有所偏差，因此在選取基準(zhǔn)值的時(shí)候，也好考慮基準(zhǔn)值漂移的問(wèn)題。因此，閾值的選取直接影響相關(guān)檢測(cè)算法的準(zhǔn)確率。2.42.4 線圈檢測(cè)的方法介紹線圈檢測(cè)的方法介紹雙線圈檢測(cè)是在路面下一前一后鋪設(shè)兩個(gè)線圈，且兩個(gè)線圈的放置有一定的距離，其示意圖如下圖所示： 環(huán)形線圈檢測(cè)器示意圖 假設(shè)前線圈的的長(zhǎng)度為Sa，后線圈的長(zhǎng)度為Sb，兩個(gè)線圈之間的的距離為Sb ，(在示意圖上對(duì)應(yīng)的值為Sa=Sb=2m ,Sm=3m )，當(dāng)車(chē)輛到達(dá)前線圈的時(shí)間為T(mén)a，車(chē)輛到達(dá)后線圈的時(shí)間為T(mén)b，檢測(cè)

9、器的計(jì)數(shù)周期為T(mén)，Ni位低i 車(chē)道檢測(cè)器的計(jì)數(shù)值，則 i 車(chē)道在該周期內(nèi)的交通流量為：因?yàn)榫€圈通過(guò)檢測(cè)電路連接到CUP上，當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)前線圈時(shí)，就會(huì)改變諧振電路的頻率，以此就可以檢測(cè)出車(chē)輛的存在；要檢測(cè)車(chē)輛的速度，只要測(cè)出汽車(chē)從開(kāi)始通過(guò)前線圈到到達(dá)后線圈的前后時(shí)間T = T T ，就可以測(cè)出通過(guò)的速度： 如果再測(cè)出車(chē)輛離開(kāi)后線圈的時(shí)間 Tc，車(chē)輛從進(jìn)入線圈到完全離去的時(shí)間為T(mén)2=Tc-Ta。，假設(shè)車(chē)的長(zhǎng)度為 L，那么根據(jù)公式：從而就可以得到車(chē)輛型號(hào)的大小。 第三章 感應(yīng)線圈交通流檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.2. 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 在本系統(tǒng)中，選用AtmeI的8位單片機(jī) AT89C2051作為環(huán)形

10、線圈檢測(cè)器的硬件控制核心，其片內(nèi)含有 2K 字節(jié)的 Flash 程序存儲(chǔ)器，128 字節(jié)的片內(nèi) RAM，2路定時(shí)器 計(jì)數(shù)器。豐富的片內(nèi)結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)滿足車(chē)輛檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，保證了系統(tǒng)的可靠性，其總體結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：2.3. 鎖相環(huán)工作原理鎖相環(huán)主要由相位比較器、壓控振蕩器、低通濾波器 3部分組成，它的基本構(gòu)成如下圖： 鎖相環(huán)原理圖當(dāng)輸入信號(hào)與壓控振蕩器的輸入信號(hào)頻率不同時(shí)，相位比較器比較著兩個(gè)信號(hào)的振蕩相位，輸出它們的相位差，經(jīng)低通濾波器加到壓控振蕩器上，使壓控振蕩器的頻率跟著變化，其輸入信號(hào)的頻率接近，最后等于輸入信號(hào)的頻標(biāo)值，當(dāng)兩者的輸出便不再變化。壓控振蕩器的輸出 Uo 接至相位

11、比較器的其中一個(gè)輸入端，施加于相位比較器另一個(gè)輸入端的外部輸入信號(hào) Ui與來(lái)自壓控振蕩器的輸出信號(hào) Uo相比較，比較結(jié)果產(chǎn)生的誤差輸出電壓 Ud 正比于 Ui 和 Uo 兩個(gè)信號(hào)的相位差，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻分量后，得到一個(gè)平均值電壓Ud。這個(gè)平均值電壓 Ud朝著減小 VCO輸出頻率和輸入頻率之差的方向變化，直至VCO輸出頻率和輸入信號(hào)頻率獲得一致。這時(shí)兩個(gè)信號(hào)的頻率相同，兩相位差保持恒定 （即同步）稱(chēng)作相位鎖定。 2.4. 信號(hào)輸入電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的信號(hào)輸入電流時(shí)產(chǎn)生正弦波的振蕩器電路，容三點(diǎn)式振蕩器是因?yàn)殡娙莸娜齻€(gè)端子和器件的三個(gè)電極相連接而得名，也稱(chēng)為考畢茲振蕩器，如下圖 所示：振蕩

12、電路圖模塊2.5. 復(fù)位電路設(shè)計(jì)對(duì)本課題所設(shè)計(jì)的基于雙線圈的檢測(cè)系統(tǒng)所采用的結(jié)束檢測(cè)的方式基本相同，即在啟動(dòng)檢測(cè)，并確認(rèn)車(chē)輛到達(dá)之后，通過(guò)判斷線圈(基于雙線圈的檢測(cè)系統(tǒng)則判斷第二個(gè)線圈)頻率與基頻 (基于雙線圈的檢測(cè)系統(tǒng)則為第二個(gè)線圈的基頻)的差值是否小于一定閾值來(lái)判斷車(chē)輛是否駛離開(kāi)線圈，如果滿足，則結(jié)束這一輪檢測(cè)，并自動(dòng)復(fù)位。復(fù)位電路圖如下圖所示： 復(fù)位電路圖模塊2.6. 整形電路設(shè)計(jì)采用電壓比較器把震蕩電路產(chǎn)生的正弦波整形于接近方波信號(hào)，然后送入89C51進(jìn)行處理，其電路圖如下所示： 整形電路圖模塊2.7. 顯示電路設(shè)計(jì)下圖是五位共陰極 LED動(dòng)態(tài)顯示接口電路。圖中，P0空輸出段選碼，P2

13、口輸出位選碼，位選碼占用輸出口的線數(shù)決定于顯示器位數(shù)。圖中的反向驅(qū)動(dòng)器的作用：89C51的P2口正邏輯輸出的位控與共陰極 LED要求的低電平點(diǎn)亮正好相反， 即當(dāng)P1口位控制線輸出高電平，點(diǎn)亮一位 LED。 顯示電路圖模塊2.8. 總硬件電路第四章 感應(yīng)線圈交通流檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1.2.3.4.4.1. 設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的幾點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的幾點(diǎn) ( 1 ) 振蕩電路是由電感和電容組成的，在每次檢測(cè)完畢后，由于振蕩頻率的變化，在電容上可能有多余的電荷存在，經(jīng)過(guò)若干次檢測(cè)后，積累的電荷將擊穿電容，使設(shè)備不能正常工作。所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)該考慮振蕩電路的保護(hù)電路。 ( 2 ) 上述設(shè)計(jì)思想只是就一個(gè)檢測(cè)

14、器連接一個(gè)地感線的情形。而在實(shí)際應(yīng)用中，一般檢測(cè)器要連接 24 個(gè)地感線圈，可以同時(shí)檢測(cè)多個(gè)車(chē)道。這些線圈分別埋在相鄰車(chē)道下。因此，振蕩電路起振后，線圈之間可能會(huì)引入干擾，另外， 電感或電容元件老化也會(huì)引起工作誤差。( 3 ) 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，各種干擾和有車(chē)通過(guò)時(shí)都會(huì)引起振蕩電路中心頻率的偏移 。為了保證系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)楦蓴_而發(fā)生誤操作，據(jù)干擾和有車(chē)時(shí)所引起中心頻率偏移的程度不同，預(yù)先設(shè)定一個(gè)閥值，作為判斷有車(chē)無(wú)車(chē)的界限，當(dāng)中心頻率f偏移大于該閥值時(shí)，為有車(chē)通過(guò)，反之認(rèn)為無(wú)車(chē)通過(guò) 。4.2. 程序流程圖程序流程圖 程序流程圖1.2.3.4.4.1.4.2.4.3. 展望對(duì)于道路交通檢測(cè)系統(tǒng)的研究仍在繼續(xù)，雖然經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)方 案是可行的，但需要更加進(jìn)一步地提高，由于本人的能力有限，本文所做的工作 還需要更加一步地提高，在此基礎(chǔ)上，還可做如下改善： 1、由于同一檢測(cè)模塊需對(duì)兩路 4 個(gè)線圈進(jìn)行檢測(cè)，如何更好的避免不同線圈間藕合效應(yīng)是需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，目前的方法是給四路振蕩器設(shè)置不同的振蕩頻率，若能使系統(tǒng)對(duì)通道逐個(gè)掃描將可以更好的解決這個(gè)問(wèn)題，為不同外界環(huán)境下選擇最合適的檢測(cè)頻率提供更大