高速公路多车道车辆智能计数系统的设计

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
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。 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。 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。 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。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/measure/200703/8834.html
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