高速公路多车道车辆智能计数系统的设计

2008-12-27 12:17:59来源: 电子工程师

 

  引言  

  近年来,高速公路的建设步伐很快,对高速公路进行科学管理势在必行,如对车辆的流量统计和分析,可以实现高速公路载荷的有效控制与管理。

  目前,高速公路上对车辆的计数方法有的是使用环形感应线圈检测器,检测系统检测送出的信号脉冲电平比较高,很容易放大和滤波,但是信号很容易受到电磁干扰,而且这种系统比较庞大,制造成本高,也有采用红外热释电传感器的单车道车辆计数器,计数器用中规模IC构成,具有结构简单等特点,但仅仅适用于单车道且计数的数据不能长期保存,也无法与大型机之间实现通信[1]。为此设计了一种基于单片机的红外热释电传感的多车道车辆计数。

  1 系统组成

  本系统由信号拾取、信号处理、单片机计数系统等部分组成。多车道车辆计数系统原理框图如图1所示,考虑实际情况和为方便讨论,这里取4车道。

系统原理框图

  红外热释电传感器设置高速公路各车道正上方的监测点,当车辆经过时,它将车中人体辐射的红外光变换成电信号,由信号处理电路进行放大、滤波、门限比较,输出脉冲信号,经光电隔离耦合可将4路脉冲信号并行输入到单片机,通过单片机计数系统进行计数和显示,并由键盘设定计数值,当计数达到设定值或计满时发出声光报警信号,通过人工干预,手动可以解除计数器报警和完成计数清零。此外,本系统具有通信功能,能与上位机进行实时数据交换。

  2.电路设计

  2.1 信号处理电路

  信号处理电路如图2所示。

信号处理电路

  信号处理电路包括信号拾取、放大及双限比较3部分,根据车辆计数的特点,选用被动式P2288型热释电用红外传感器作为探头[2],将车辆信息转换成电信号,该传感器若加菲涅尔透镜,对活动人体的探测距离可达10m以上,且通过对电路的灵敏度进行调节,使其对人的灵敏度距离仅为1.5m左右时,对20m远处快速通过的车辆检测十分灵敏可靠。

  当车辆进入探测器的有效探测距离时,热释电红外传感器引脚2输出一个微弱的交变红外辐射信号直接送到IC1a放大器的同相输入端,由其放大2500倍后再从引脚1输出,通过C8耦合到IC1b进行进一步的放大。

  由运放IC2a和IC2b构成窗口式的双限比较器,用两个二极管IN4148组成或门选择有效电平输出,当IC1b的引脚7电压U7幅度Ua和Ub之间时,IC2的输出为低电位(Up=Uol);当U7不在门限电位范围之间时(U7>UB或U7 )放大电路输出的信号中,不仅有被传感器检测到的有用信号,而且还包括了许多干扰信号,为了将被检测信号从众多的干扰信号中分离出来,比较器UA与UB间接入电位器R11用力调节窗口电压ΔU,使ΔU在0-1.71V之间变化,以达到调节电路灵敏度的目的,窗口电压ΔU=UB-UA,可用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间,车道上每经过一辆车,P点就输出一个脉冲。

  IC1选用低噪声低漂移高速运算放大器,R2-R8尽可能选用误差小、噪声小的金属氧化膜电阻器,C4、C8、C9选用漏电小的无极性电容器或钽电容器。

  电源电路可采用交直流自动切换供电的方式,以保证电网停电时计数系统仍然能继续正常工作。

  2.2 光电隔离耦合电路

  光电隔离耦合电路的作用是将上述电路输出的UP脉冲信号转换成符合单片机要求的计数脉冲,且输出的脉冲个数等于被检测的行驶车辆个数[3]。

  2.3 单片机计数系统电路

  计数显示电路可完成对上述脉冲信号的计数和显示。图3是由单片机构成的计数系统框图。

单片机构成的计数系统框图

  计数系统以MCS-51系列单片机的8031为核心,8013单片机的外围扩展了程序存储器27C256和数据存储器WM0016DRH,此外,用8255扩展了I/O口,同时具有时钟单元、掉电保护、看门狗单元、通信单元以及LED(发光二极管)显示器、键盘等。

  1)8031单片机及存储器

  8031内含4kb EEPROM程序存储器,具有功耗低、抗干扰能力强的特点,可安置于监测现场,数据存储器WM0016DRH是一种多功能非易失性SRAM,特点如下:高速高抗干扰自保持,不怕掉电,上下电百万次数据无丢失,断电保护10年有效,既可高速连续读写,也可任意地址单字节操作,无需拼凑页面,随机读写不需等待,立即有效,输入输出TTL/CMOS兼容,上电复位输出,掉电保护,内置看门狗,电源监测,不用外加电路和电池,且引脚与标准SRAM兼容。

  2)计数及显示

  多车道车流量数对应的脉冲通过光电隔离耦合并行输入至8031单片机的P1口,通过软件控制和键盘设定计数值并用LED加以显示,可自动循环显示或定点显示两种方式,且两者相互间可任意切换[4]。

  当热释电传感器安装位置固定后,输入脉冲的脉宽和占空比均取决于高速公路上车辆的车速和车距(脉宽对应车辆传感器有效监视方位内的时间,车速和车距有限定),占空比q小于50%,为了准确拾取车流量信息,通过软件可实现单片机对每一路并行输入数据的读取周期小于脉宽,且将每路各自相邻的两读取周期读取的数据进行运算(暂存前一个周期读取的数据),若两数据为01,则自动计1,否则计0。其中0为前一个周期的读取数据,此时脉冲为低电平,1为后一个周期的读取数据,此时脉冲为高电平,从而避免了对脉冲的漏计和重复计数,再把4路的读数每一周期进行一次加运算,累加后的和就是总的车流量。

  将8031单片机内的定时器/计数器设定为工作方式1,构成16位二进制计数器[5],采用动态扫描方式直接驱动5位十进制计数器[5]。采用动态扫描方式直接驱动5位十进制LED显示,最大计数值达到65536,可记录4车辆的车流量并显示一个月内的日流量,累计4车道一个月内的日流量总和,计数器内数据保护时间可达一个月之久。当计数器达到设定值时,声光报警,可存储数据,并手动复位。

  3)时钟单元

  采用DS12C887实时时钟芯片,具有显示具体时间信息的功能,若设计调整和设置按键,可方便地对时间进行调整和设置,从而为车流量的统计提供准确的时间数据。

  4)串行通信单元

  由于单片机系统的数据存储能力和数据处理能力有限,以及现场实时性要求较高,故单片机现场只能暂时存储采集到的数据和对数据进行简单处理,至于大量的数据存储和后续复杂的数据处理可交给上位机完成,由于大型机具有RS-232标准串行口,所以通过8031单片机TTL电平全双工串行口,附加RS-232电平转换电路MAX3232可与上位机实现数据通信。

  3 软件设计

  计数系统的程序主要包括系统自检程序、系统初始化程序、键盘扫描程序、按键处理程序、显示程序以及数据采集处理程序等,图4所示为主程序流程。

主程序流程

  4 安装与调试

  本系统能否安全可靠地工作,与传感器安放、探测灵敏度和门限比较器的域值密切相关,同时还要有较好的抗干扰措施。

  为防止车辆之外的闲杂人员引起的误检,可同时采用两种措施,传感器安放于公路各车道之正上方,且各车道互不干扰,仔细调节探测灵敏度,使之在人体移动速度之外和在车辆通过速度之内起作用。

  值得注意的是,门限比较器的域值取法很重要,它直接影响计数器的可靠性,域值太高,则灵敏度低,虽然对外界的干扰信号有所抑制,对信号的响应能力减弱,甚至不能响应,域值太低,则灵敏度高,对外界的干扰抑制能力减弱,外界干扰信号的输入有可能产生误计数,仔细调节电位器R11可以实现对20m处快速行驶的车辆检测灵敏可靠。

  本系统设计采用了以下硬件抗干扰技术[5]:

    a)系统主控部件及检测电路的供电均采用交直流二级稳压,以提高电源的稳定性;

    b)检测电路中设计的无源滤波环节可抑制低频、高频电磁干扰的串入;

    c)通过门限“窗口”作用,对环境变化引起的越限行为进行有效的抑制;

    d)严格的屏蔽和接地技术,信号线均采用金属屏蔽线,以消除空间的电磁

噪声;

    e)意防止雷、雨环境因素的影响,同时采用了软件抗干扰技术以进一步提高系统的可靠性。

  5 结束语

  根据实际应用的需要,本系统采用了相关领域的新技术和新器件,具有多种功能,实现了智能化的监测,通过对本系统的研制和测试,该系统具有结构简单、性能可靠、灵敏度高、智能化等特点,研究结果表面:本系统对于高速公路上20m远处快速通过的车辆可以准确计数、显示,并存储和处理,为高速公路的科学管理提供原始数据。   

关键字:检测  信号  计数器  传感器

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2008/1227/article_1304.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
检测
信号
计数器
传感器

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 

About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

站点相关: 视频监控 智能卡 防盗报警 智能管理 处理器 传感器 其他技术 综合资讯 安防论坛

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved