高速公路多車道車輛智能計(jì)數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    近年來，高速公路的建設(shè)步伐很快，對高速公路進(jìn)行科學(xué)管理勢在必行，如對車輛的流量統(tǒng)計(jì)和分析，可以實(shí)現(xiàn)高速公路載荷的有效控制與管理。

    目前，高速公路上對車輛的計(jì)數(shù)方法有的是使用環(huán)形感應(yīng)線圈檢測器，檢測系統(tǒng)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(tǒng)比較龐大，制造成本高，也有采用紅外熱釋電傳感器的單車道車輛計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器用中規(guī)模IC構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，但僅僅適用于單車道且計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)不能長期保存，也無法與大型機(jī)之間實(shí)現(xiàn)通信[1]。為此設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的紅外熱釋電傳感的多車道車輛計(jì)數(shù)。

1 系統(tǒng)組成

    本系統(tǒng)由信號拾取、信號處理、單片機(jī)計(jì)數(shù)系統(tǒng)等部分組成。多車道車輛計(jì)數(shù)系統(tǒng)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車道。

     紅外熱釋電傳感器設(shè)置高速公路各車道正上方的監(jiān)測點(diǎn)，當(dāng)車輛經(jīng)過時(shí)，它將車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(jī)，通過單片機(jī)計(jì)數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)數(shù)和顯示，并由鍵盤設(shè)定計(jì)數(shù)值，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到設(shè)定值或計(jì)滿時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號，通過人工干預(yù)，手動可以解除計(jì)數(shù)器報(bào)警和完成計(jì)數(shù)清零。此外，本系統(tǒng)具有通信功能，能與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

2.電路設(shè)計(jì)

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(jù)車輛計(jì)數(shù)的特點(diǎn)，選用被動式P2288型熱釋電用紅外傳感器作為探頭[2]，將車輛信息轉(zhuǎn)換成電信號，該傳感器若加菲涅爾透鏡，對活動人體的探測距離可達(dá)10m以上，且通過對電路的靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其對人的靈敏度距離僅為1.5m左右時(shí)，對20m遠(yuǎn)處快速通過的車輛檢測十分靈敏可靠。

    當(dāng)車輛進(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C8耦合到IC1b進(jìn)行進(jìn)一步的放大。

    由運(yùn)放IC2a和IC2b構(gòu)成窗口式的雙限比較器，用兩個(gè)二極管IN4148組成或門選擇有效電平輸出，當(dāng)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(dāng)U7不在門限電位范圍之間時(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，比較器UA與UB間接入電位器R11用力調(diào)節(jié)窗口電壓ΔU，使ΔU在0-1.71V之間變化，以達(dá)到調(diào)節(jié)電路靈敏度的目的，窗口電壓ΔU=UB-UA，可用來判斷輸入信號電位是否位于指定門限電位之間，車道上每經(jīng)過一輛車，P點(diǎn)就輸出一個(gè)脈沖。

    IC1選用低噪聲低漂移高速運(yùn)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選用漏電小的無極性電容器或鉭電容器。

    電源電路可采用交直流自動切換供電的方式，以保證電網(wǎng)停電時(shí)計(jì)數(shù)系統(tǒng)仍然能繼續(xù)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(zhuǎn)換成符合單片機(jī)要求的計(jì)數(shù)脈沖，且輸出的脈沖個(gè)數(shù)等于被檢測的行駛車輛個(gè)數(shù)[3]。

2.3 單片機(jī)計(jì)數(shù)系統(tǒng)電路

    計(jì)數(shù)顯示電路可完成對上述脈沖信號的計(jì)數(shù)和顯示。圖3是由單片機(jī)構(gòu)成的計(jì)數(shù)系統(tǒng)框圖。

    計(jì)數(shù)系統(tǒng)以MCS-51系列單片機(jī)的8031為核心，8013單片機(jī)的外圍擴(kuò)展了程序存儲器27C256和數(shù)據(jù)存儲器WM0016DRH，此外，用8255擴(kuò)展了I/O口，同時(shí)具有時(shí)鐘單元、掉電保護(hù)、看門狗單元、通信單元以及LED（發(fā)光二極管）顯示器、鍵盤等。

1）8031單片機(jī)及存儲器

    8031內(nèi)含4kb EEPROM程序存儲器，具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可安置于監(jiān)測現(xiàn)場，數(shù)據(jù)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，上下電百萬次數(shù)據(jù)無丟失，斷電保護(hù)10年有效，既可高速連續(xù)讀寫，也可任意地址單字節(jié)操作，無需拼湊頁面，隨機(jī)讀寫不需等待，立即有效，輸入輸出TTL/CMOS兼容，上電復(fù)位輸出，掉電保護(hù)，內(nèi)置看門狗，電源監(jiān)測，不用外加電路和電池，且引腳與標(biāo)準(zhǔn)SRAM兼容。

2）計(jì)數(shù)及顯示

    多車道車流量數(shù)對應(yīng)的脈沖通過光電隔離耦合并行輸入至8031單片機(jī)的P1口，通過軟件控制和鍵盤設(shè)定計(jì)數(shù)值并用LED加以顯示，可自動循環(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(dāng)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輛的車速和車距（脈寬對應(yīng)車輛傳感器有效監(jiān)視方位內(nèi)的時(shí)間，車速和車距有限定），占空比q小于50%，為了準(zhǔn)確拾取車流量信息，通過軟件可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對每一路并行輸入數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算（暫存前一個(gè)周期讀取的數(shù)據(jù)），若兩數(shù)據(jù)為01，則自動計(jì)1，否則計(jì)0。其中0為前一個(gè)周期的讀取數(shù)據(jù)，此時(shí)脈沖為低電平，1為后一個(gè)周期的讀取數(shù)據(jù)，此時(shí)脈沖為高電平，從而避免了對脈沖的漏計(jì)和重復(fù)計(jì)數(shù)，再把4路的讀數(shù)每一周期進(jìn)行一次加運(yùn)算，累加后的和就是總的車流量。

    將8031單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)定為工作方式1，構(gòu)成16位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器[5]，采用動態(tài)掃描方式直接驅(qū)動5位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器[5]。采用動態(tài)掃描方式直接驅(qū)動5位十進(jìn)制LED顯示，最大計(jì)數(shù)值達(dá)到65536，可記錄4車輛的車流量并顯示一個(gè)月內(nèi)的日流量，累計(jì)4車道一個(gè)月內(nèi)的日流量總和，計(jì)數(shù)器內(nèi)數(shù)據(jù)保護(hù)時(shí)間可達(dá)一個(gè)月之久。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到設(shè)定值時(shí)，聲光報(bào)警，可存儲數(shù)據(jù)，并手動復(fù)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(shè)計(jì)調(diào)整和設(shè)置按鍵，可方便地對時(shí)間進(jìn)行調(diào)整和設(shè)置，從而為車流量的統(tǒng)計(jì)提供準(zhǔn)確的時(shí)間數(shù)據(jù)。

4）串行通信單元

    由于單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲能力和數(shù)據(jù)處理能力有限，以及現(xiàn)場實(shí)時(shí)性要求較高，故單片機(jī)現(xiàn)場只能暫時(shí)存儲采集到的數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理，至于大量的數(shù)據(jù)存儲和后續(xù)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理可交給上位機(jī)完成，由于大型機(jī)具有RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行口，所以通過8031單片機(jī)TTL電平全雙工串行口，附加RS-232電平轉(zhuǎn)換電路MAX3232可與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

    計(jì)數(shù)系統(tǒng)的程序主要包括系統(tǒng)自檢程序、系統(tǒng)初始化程序、鍵盤掃描程序、按鍵處理程序、顯示程序以及數(shù)據(jù)采集處理程序等，圖4所示為主程序流程。

4 安裝與調(diào)試

    本系統(tǒng)能否安全可靠地工作，與傳感器安放、探測靈敏度和門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道之正上方，且各車道互不干擾，仔細(xì)調(diào)節(jié)探測靈敏度，使之在人體移動速度之外和在車輛通過速度之內(nèi)起作用。

    值得注意的是，門限比較器的域值取法很重要，它直接影響計(jì)數(shù)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(yīng)能力減弱，甚至不能響應(yīng)，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(jì)數(shù)，仔細(xì)調(diào)節(jié)電位器R11可以實(shí)現(xiàn)對20m處快速行駛的車輛檢測靈敏可靠。

    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了以下硬件抗干擾技術(shù)[5]：

a）系統(tǒng)主控部件及檢測電路的供電均采用交直流二級穩(wěn)壓，以提高電源的穩(wěn)定性；

b）檢測電路中設(shè)計(jì)的無源濾波環(huán)節(jié)可抑制低頻、高頻電磁干擾的串入；

c）通過門限“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(yán)格的屏蔽和接地技術(shù)，信號線均采用金屬屏蔽線，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(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)束語

    根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，本系統(tǒng)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(xiàn)了智能化的監(jiān)測，通過對本系統(tǒng)的研制和測試，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、靈敏度高、智能化等特點(diǎn)，研究結(jié)果表面：本系統(tǒng)對于高速公路上20m遠(yuǎn)處快速通過的車輛可以準(zhǔn)確計(jì)數(shù)、顯示，并存儲和處理，為高速公路的科學(xué)管理提供原始數(shù)據(jù)。