高速公路多車(chē)道車(chē)輛智能計數系統的設計

近年來(lái)，高速公路的建設步伐很快，對高速公路進(jìn)行科學(xué)管理勢在必行，如對車(chē)輛的流量統計和分析，可以實(shí)現高速公路載荷的有效控制與管理。

目前，高速公路上對車(chē)輛的計數方法有的是使用環(huán)形感應線(xiàn)圈檢測器，檢測系統檢測送出的信號脈沖電平比較高，很容易放大和濾波，但是信號很容易受到電磁干擾，而且這種系統比較龐大，制造成本高，也有采用紅外熱釋電傳感器的單車(chē)道車(chē)輛計數器，計數器用中規模ic構成，具有結構簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但僅僅適用于單車(chē)道且計數的數據不能長(cháng)期保存，也無(wú)法與大型機之間實(shí)現通信[1]。為此設計了一種基于單片機的紅外熱釋電傳感的多車(chē)道車(chē)輛計數。

1 系統組成

本系統由信號拾取、信號處理、單片機計數系統等部分組成。多車(chē)道車(chē)輛計數系統原理框圖如圖1所示，考慮實(shí)際情況和為方便討論，這里取4車(chē)道。

紅外熱釋電傳感器設置高速公路各車(chē)道正上方的監測點(diǎn)，當車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，它將車(chē)中人體輻射的紅外光變換成電信號，由信號處理電路進(jìn)行放大、濾波、門(mén)限比較，輸出脈沖信號，經(jīng)光電隔離耦合可將4路脈沖信號并行輸入到單片機，通過(guò)單片機計數系統進(jìn)行計數和顯示，并由鍵盤(pán)設定計數值，當計數達到設定值或計滿(mǎn)時(shí)發(fā)出聲光報警信號，通過(guò)人工干預，手動(dòng)可以解除計數器報警和完成計數清零。此外，本系統具有通信功能，能與上位機進(jìn)行實(shí)時(shí)數據交換。

2.電路設計

2.1 信號處理電路

信號處理電路如圖2所示。

信號處理電路包括信號拾取、放大及雙限比較3部分，根據車(chē)輛計數的特點(diǎn)，選用被動(dòng)式p2288型熱釋電用紅外傳感器作為探頭[2]，將車(chē)輛信息轉換成電信號，該傳感器若加菲涅爾透鏡，對活動(dòng)人體的探測距離可達10m以上，且通過(guò)對電路的靈敏度進(jìn)行調節，使其對人的靈敏度距離僅為1.5m左右時(shí)，對20m遠處快速通過(guò)的車(chē)輛檢測十分靈敏可靠。

當車(chē)輛進(jìn)入探測器的有效探測距離時(shí)，熱釋電紅外傳感器引腳2輸出一個(gè)微弱的交變紅外輻射信號直接送到ic1a放大器的同相輸入端，由其放大2500倍后再從引腳1輸出，通過(guò)c8耦合到ic1b進(jìn)行進(jìn)一步的放大。

由運放ic2a和ic2b構成窗口式的雙限比較器，用兩個(gè)二極管in4148組成或門(mén)選擇有效電平輸出，當ic1b的引腳7電壓u7幅度ua和ub之間時(shí)，ic2的輸出為低電位（up=uol）；當u7不在門(mén)限電位范圍之間時(shí)（u7>ub或u7

放大電路輸出的信號中，不僅有被傳感器檢測到的有用信號，而且還包括了許多干擾信號，為了將被檢測信號從眾多的干擾信號中分離出來(lái)，比較器ua與ub間接入電位器r11用力調節窗口電壓δu，使δu在0-1.71v之間變化，以達到調節電路靈敏度的目的，窗口電壓δu=ub-ua，可用來(lái)判斷輸入信號電位是否位于指定門(mén)限電位之間，車(chē)道上每經(jīng)過(guò)一輛車(chē)，p點(diǎn)就輸出一個(gè)脈沖。

ic1選用低噪聲低漂移高速運算放大器，r2-r8盡可能選用誤差小、噪聲小的金屬氧化膜電阻器，c4、c8、c9選用漏電小的無(wú)極性電容器或鉭電容器。

電源電路可采用交直流自動(dòng)切換供電的方式，以保證電網(wǎng)停電時(shí)計數系統仍然能繼續正常工作。

2.2 光電隔離耦合電路

光電隔離耦合電路的作用是將上述電路輸出的up脈沖信號轉換成符合單片機要求的計數脈沖，且輸出的脈沖個(gè)數等于被檢測的行駛車(chē)輛個(gè)數[3]。

2.3 單片機計數系統電路

計數顯示電路可完成對上述脈沖信號的計數和顯示。圖3是由單片機構成的計數系統框圖。

計數系統以mcs-51系列單片機的8031為核心，8013單片機的外圍擴展了程序存儲器27c256和數據存儲器wm0016drh，此外，用8255擴展了i/o口，同時(shí)具有時(shí)鐘單元、掉電保護、看門(mén)狗單元、通信單元以及l(fā)ed（發(fā)光二極管）顯示器、鍵盤(pán)等。

1）8031單片機及存儲器

8031內含4kb eeprom程序存儲器，具有功耗低、抗干擾能力強的特點(diǎn)，可安置于監測現場(chǎng)，數據存儲器wm0016drh是一種多功能非易失性sram，特點(diǎn)如下：高速高抗干擾自保持，不怕掉電，上下電百萬(wàn)次數據無(wú)丟失，斷電保護10年有效，既可高速連續讀寫(xiě)，也可任意地址單字節操作，無(wú)需拼湊頁(yè)面，隨機讀寫(xiě)不需等待，立即有效，輸入輸出ttl/cmos兼容，上電復位輸出，掉電保護，內置看門(mén)狗，電源監測，不用外加電路和電池，且引腳與標準sram兼容。

2）計數及顯示

多車(chē)道車(chē)流量數對應的脈沖通過(guò)光電隔離耦合并行輸入至8031單片機的p1口，通過(guò)軟件控制和鍵盤(pán)設定計數值并用led加以顯示，可自動(dòng)循環(huán)顯示或定點(diǎn)顯示兩種方式，且兩者相互間可任意切換[4]。

當熱釋電傳感器安裝位置固定后，輸入脈沖的脈寬和占空比均取決于高速公路上車(chē)輛的車(chē)速和車(chē)距（脈寬對應車(chē)輛傳感器有效監視方位內的時(shí)間，車(chē)速和車(chē)距有限定），占空比q小于50%，為了準確拾取車(chē)流量信息，通過(guò)軟件可實(shí)現單片機對每一路并行輸入數據的讀取周期小于脈寬，且將每路各自相鄰的兩讀取周期讀取的數據進(jìn)行運算（暫存前一個(gè)周期讀取的數據），若兩數據為01，則自動(dòng)計1，否則計0。其中0為前一個(gè)周期的讀取數據，此時(shí)脈沖為低電平，1為后一個(gè)周期的讀取數據，此時(shí)脈沖為高電平，從而避免了對脈沖的漏計和重復計數，再把4路的讀數每一周期進(jìn)行一次加運算，累加后的和就是總的車(chē)流量。

將8031單片機內的定時(shí)器/計數器設定為工作方式1，構成16位二進(jìn)制計數器[5]，采用動(dòng)態(tài)掃描方式直接驅動(dòng)5位十進(jìn)制計數器[5]。采用動(dòng)態(tài)掃描方式直接驅動(dòng)5位十進(jìn)制led顯示，最大計數值達到65536，可記錄4車(chē)輛的車(chē)流量并顯示一個(gè)月內的日流量，累計4車(chē)道一個(gè)月內的日流量總和，計數器內數據保護時(shí)間可達一個(gè)月之久。當計數器達到設定值時(shí)，聲光報警，可存儲數據，并手動(dòng)復位。

3）時(shí)鐘單元

采用ds12c887實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，具有顯示具體時(shí)間信息的功能，若設計調整和設置按鍵，可方便地對時(shí)間進(jìn)行調整和設置，從而為車(chē)流量的統計提供準確的時(shí)間數據。

4）串行通信單元

由于單片機系統的數據存儲能力和數據處理能力有限，以及現場(chǎng)實(shí)時(shí)性要求較高，故單片機現場(chǎng)只能暫時(shí)存儲采集到的數據和對數據進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，至于大量的數據存儲和后續復雜的數據處理可交給上位機完成，由于大型機具有rs-232標準串行口，所以通過(guò)8031單片機ttl電平全雙工串行口，附加rs-232電平轉換電路max3232可與上位機實(shí)現數據通信。

3 軟件設計

計數系統的程序主要包括系統自檢程序、系統初始化程序、鍵盤(pán)掃描程序、按鍵處理程序、顯示程序以及數據采集處理程序等，圖4所示為主程序流程。

4 安裝與調試

本系統能否安全可靠地工作，與傳感器安放、探測靈敏度和門(mén)限比較器的域值密切相關(guān)，同時(shí)還要有較好的抗干擾措施。

為防止車(chē)輛之外的閑雜人員引起的誤檢，可同時(shí)采用兩種措施，傳感器安放于公路各車(chē)道之正上方，且各車(chē)道互不干擾，仔細調節探測靈敏度，使之在人體移動(dòng)速度之外和在車(chē)輛通過(guò)速度之內起作用。

值得注意的是，門(mén)限比較器的域值取法很重要，它直接影響計數器的可靠性，域值太高，則靈敏度低，雖然對外界的干擾信號有所抑制，對信號的響應能力減弱，甚至不能響應，域值太低，則靈敏度高，對外界的干擾抑制能力減弱，外界干擾信號的輸入有可能產(chǎn)生誤計數，仔細調節電位器r11可以實(shí)現對20m處快速行駛的車(chē)輛檢測靈敏可靠。

本系統設計采用了以下硬件抗干擾技術(shù)[5]：

a）系統主控部件及檢測電路的供電均采用交直流二級穩壓，以提高電源的穩定性；

b）檢測電路中設計的無(wú)源濾波環(huán)節可抑制低頻、高頻電磁干擾的串入；

c）通過(guò)門(mén)限“窗口”作用，對環(huán)境變化引起的越限行為進(jìn)行有效的抑制；

d）嚴格的屏蔽和接地技術(shù)，信號線(xiàn)均采用金屬屏蔽線(xiàn)，以消除空間的電磁噪聲；

e）意防止雷、雨環(huán)境因素的影響，同時(shí)采用了軟件抗干擾技術(shù)以進(jìn)一步提高系統的可靠性。

5 結束語(yǔ)

根據實(shí)際應用的需要，本系統采用了相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)和新器件，具有多種功能，實(shí)現了智能化的監測，通過(guò)對本系統的研制和測試，該系統具有結構簡(jiǎn)單、性能可靠、靈敏度高、智能化等特點(diǎn)，研究結果表面：本系統對于高速公路上20m遠處快速通過(guò)的車(chē)輛可以準確計數、顯示，并存儲和處理，為高速公路的科學(xué)管理提供原始數據。