1 引言
彎路轉彎處經(jīng)常出現(xiàn)一段盲區(qū)，司機看不到彎路對面是否有車輛通過，因而引發(fā)大量的交通事故，因此，消除盲區(qū)造成的交通事故顯得尤為重要。為此，設計了基于C8051F310的山路轉彎預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)當檢測到彎路對面有車時可及時通過交通警示燈提前警示司機注意避讓。因此，準確判斷是否有車輛經(jīng)過是該系統(tǒng)設計的關鍵。
2 系統(tǒng)設計
2．1 系統(tǒng)設計方案
該系統(tǒng)設計的主要目的是警示司機在行駛時注意安全，預防事故。在山路轉彎處兩邊分別放置該系統(tǒng)，每邊系統(tǒng)控制一警示燈。當一方系統(tǒng)檢測到車輛時，通過RF通訊發(fā)送至對方系統(tǒng)，對方系統(tǒng)接收到信號后，控制警示燈閃爍以提示司機。
圖1為系統(tǒng)設計組成框圖。其中，車輛檢測傳感器采用正弦波振蕩電路檢測車輛，在檢測電路中，輸出信號頻率由C8051F310采集得到，然后通過一階濾波算法處理，濾除掉因環(huán)境因素等產(chǎn)生的頻率干擾，并進一步計算驗證C8051F310的采集精度。
2．2 系統(tǒng)的硬件電路設計
圖2為系統(tǒng)主要硬件電路。車輛檢測傳感器的輸入信號為U(t)，該正弦信號通過比較器變?yōu)榉讲ㄐ盘柡?，再輸入到單片機C8051F310，然后單片機通過計數(shù)器采集信號頻率。
2．3 一階濾波算法
一階濾波，即一階慣性濾波。一階低通濾波算法公式為：
式中，α為濾波系數(shù)，X(n)為本次采樣值，Y(n-1)為上次濾波輸出值，Y(n)為本次濾波輸出值。
一階低通濾波法采用本次采樣值與上次濾波輸出值進行加權，得到有效濾波值，使得輸出對輸入有反饋作用。濾波系數(shù)為0～1；該系數(shù)決定新采樣值在本次濾波結果中所占的權重。一階濾波系數(shù)可以是固定的，也可以按一定程序算法自動計算。但一階濾波算法無法完全兼顧靈敏度和平穩(wěn)度。只能尋找一個平衡點，在該系統(tǒng)設計可接受的靈敏度范圍內(nèi)選取盡可能好的平穩(wěn)度。即當數(shù)據(jù)快速變化時，濾波結果能及時跟進(靈敏度優(yōu)先)；而當數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，在固定點上下振蕩時，濾波結果趨于平穩(wěn)(平穩(wěn)度優(yōu)先)。
2．4 車輛檢測電路
圖3為正弦波振蕩電路。該電路用于車輛檢測電路傳感器，能夠感應出金屬物體的存在。采用渦流傳感方式，將埋入地下的探測線罔直接接入正弦波振蕩電路。
在未檢測到車輛等金屬物體時，振蕩電路輸出信號u0(t)的頻率基本變化不大，但該值不是一直保持不變，而會在一定范圍內(nèi)漂移。當檢測到車輛等金屬物體時，U0(t)的頻率f0會突變?yōu)閒。頻率差△f=f-f0，其中△f的范圍經(jīng)大量的實驗得出一般為幾百赫茲到幾千赫茲。圖3中電路的振蕩頻率為：
式中，f與電路中L、C1、C2有關。
當電感L數(shù)值變化時，f也會相應改變。同樣當電容容值發(fā)生變化時，f也隨之變化。一般情況下，電容值隨環(huán)境溫度變化而變化，因此振蕩頻率f也隨溫度變化而變化。
2．5 檢測電路頻率算法
因為檢測電路中信號頻率隨時在改變，這為檢測機動車輛等金屬物體帶來一定困難，尤其在環(huán)境溫度急劇變化時，信號自身頻率值會大幅變化。高溫時在室外環(huán)境所采集的振蕩電路數(shù)據(jù)分析得出：f值在1 h內(nèi)隨溫度變化幾百赫茲，測量期間沒有金屬物體靠近。因此該設計采用基準動態(tài)改變方法。具體計算方法如下：設定fz為基準頻率;fc為參與計算和判斷的采集頻率；f為實際采集頻率。m和n為濾波因子。系統(tǒng)沒有上電時,fz初始化值為0；上電后，把第1次采集到的頻率f作為fz的初始值，隨后定時更換fz 值。
先把實際采集到的頻率f按式(2)進行一階濾波處理，然后計算fc的值：
式(3)、式(4)中的濾波因子m，n通過試驗獲得。當f值快速變化時濾波結果及時跟進且數(shù)據(jù)變化越快，靈敏度越高。在檢測車輛時需定時更換fz，根據(jù)室外溫度變化更換時間。
當有金屬物體經(jīng)過線圈時，采集的頻率值為f，而這時基準頻率為fz。判斷車輛的算法是南式(3)得出fc，再由式(5)得：
通過判斷△f是否在同定范圍中得出車輛經(jīng)過情況。該范同是通過大量實驗得出的。具體CPU算法流程見圖4。
3 實驗及結果分析
該算法是經(jīng)過大量驗證試驗而得出的。在室內(nèi)，試驗采用45 cm×45 cm的線圈(匝數(shù)n=12)。模擬機動車輛為一輛長1．2 m，寬0．8 m的鐵皮小推車。當小車經(jīng)過線圈時，采集頻率fc與基準頻率fz的差值約400 Hz，CPU能夠準確判斷出有小車經(jīng)過。在室外試驗則是把線圈埋入公路地面下，當汽車經(jīng)過線圈時，采集頻率fc與基準頻率fz差值約400～2 000 Hz。這個差值隨著車輛型號不同和車輛底盤的高低而改變，而CPU也能準確判斷出有機動車輛經(jīng)過。通過室內(nèi)和室外大量試驗，及時調(diào)整了濾波算法中的濾波因子，提高了檢測靈敏度，使其能夠滿足不同車輛的需求。
4 結束語
采用濾波算法并實時更新振蕩電路的基準頻率可減少電路頻率變化對于車輛檢測的干擾。這里采用c8051F310設計的山路轉彎預防警示系統(tǒng)現(xiàn)已安裝在盤山路上，該系統(tǒng)能夠準確檢測出車輛，并發(fā)送警示信息。同時設計中充分考慮到環(huán)境因素和維護的不便，設計有上位機監(jiān)控系統(tǒng)。因此，該系統(tǒng)結構簡單，性能可靠，價格低廉，已引起交通部門的廣泛關注。
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