基于地感线圈的车辆检测

基于地感线圈的车辆检测 Prepared on 24 November 2020第一章系统摘要智能交通系统利用尖端的电子信息技术，构成人员、车辆和公路三位一体的新型公路交通系统。

它将先进的计算机处理技术、信息技术、数据通信传输技术、自动控制技术、人工智能及电子技术等有效地综合运用于交通运输管理体系中，建立一种在大范围内、全方位发挥作用的准时、准确、高效的交通运输管理体系。

本文着重研究了智能交通系统中的道路交通检测系统，设计了基于环形线圈的车辆检测器。

采用双环形线圈检测技术，对车辆通过线圈时检测电路所产生的振荡频率进行数据分析，从而完成车流量监测。

本文介绍了一种基于单片机的环形线圈车辆检测器系统，并分析了系统的结构和功能。

该系统的硬件主体以 AT89C51为控制核心。

实现了路面动态交通数据的采集，采集到的数据实时反映了车辆的通过或存在状况。

该系统结构简单，操作容易，能较精确地检测出车辆的存在，可应用于交通检测和道路监控领域。

最后给出了该检测器详细的软硬件设计方案。

关键词关键词：智能交通系统；环形线圈；交通流检测；AT89C51系统概述随着世界城市化的进展和汽车的普及，不论是在发展中国家还是在发达家，交通拥挤加剧、交通事故频繁、交通环境恶化等问题日益严重。

一般来说，解决交通拥挤的直接办法是建设更多的道路交通设施，提高路网的通行能力，但无论是哪个国家，其城市内部可供修建道路的空间有限，而且建设资金的筹措也是面临的一个难题。

同时，由于交通系统是一个复杂的大系统，因而，单独从减少车辆或者增加道路设施方面考虑是无法根本解决问题的[1]。

此外，能源和环境问题也日益为人们所认识，能源的大量消耗，环境的严重污染，使人类的财富和健康受到极大的损失。

在这种背景下，从系统的观念出发，把车辆和道路综合起来考虑，着眼于充分利用现有的道路交通设施，着重提高道路车辆的运行效率，从而运用各种高新技术系统解决交通问题的思想就应运而生。

随着车辆的增多和交通的飞速发展，在道路交通管理与控制中对交通信息的需求越来越多。

实时准确地检测道路车辆的交通流信息并预测未来道路交通状况，进而将预测信息提供给交通控制中心，这样，就能够有效地诱导交通避免交通阻塞，减少出行时间和交通事故的发生。

并且，交通数据检测在交通控制系统中也是十分重要的，精确和可靠的检测数据是在交通控制中进行合理的信号配时优化的基础：而实时准确地对交通流预测，即有效地利用实时的交通数据预测未来的交通状况，是实现有效的交通控制和交通诱导的关键所在。

第二章感应线圈的交通检测分析2.1.车辆检测器的埋地方法车辆检测器的埋地方法如图下图所示，前一个紧挨停车线，后一个埋设在距停车线 5--10cm 处，一般考虑埋设在预计可正常停车数量所占位置的 l-2倍处，检测驶入该车道的车量数；二者之差，既是该车道还存在的车辆数，也是等待通行的车辆数电感线圈安装示意图地感线圈埋设首先要用切路机在路面上切出槽来，在四个角上进行 45°倒角处理，防止尖角破坏线圈电缆，切槽宽度—般为 0．4--0．8cm，深度 3--5cm，同时还要为线圈引线切一条通到路边的槽将双绞好的输出引线通过引出线槽引出[5]。

地感线圈埋设是在车道路面铺设完成后或铺设路面的同时进行的，在线圈埋好以后，为了加强保护，用沥青或软性树脂将切槽封上。

线圈安装时，应该尽量避免焊接点，万不得已则必须良好接触并做好绝缘；为避免电磁干扰，馈线使用屏蔽电缆，屏蔽电缆的屏蔽线在信号转换器端良好接地；使用双绞线，防止两个相邻线圈的馈线或与电源 220v之间的相互干扰。

感应线圈检测器的电磁感应工作原理上图电路中：R b1 =Ru=62 kll；Ro=l kQ；R。

=2．2 kn；Ce=Cb=10uf；c1=Cz= pF；L为电感线圈，此时晶体管V T1为共射放大组态．工作在放大状态。

系统正常状态下即无车经过时。

传感振荡电路的输出信号U0(t)为频率保持不变的正弦波。

当有车经过时，U0(t)的频率变大，即f = fc ，其频率差为f = f’fc ，范围在几百赫兹到几千赫兹。

由公式（1）知，f 与电路中电感 L、电容c1，c2有关(c1，c2为固定值)，所以f 为L的单值函数，当L发生变化时，该振荡电路的振荡频率也发生反方向变化。

把地线圈作为 L，直接连接到电路中．通过检测电路振荡频率的变化来反映L的变化，从而实现对金属物体的探测。

设正常状态下即无车经过时的输出信号频率为．而有车经过时的振荡频率为f0，则易获知．f’大f0，由于不易通过固定公式直接计算，而只能通过实验法大概估算，而且实际应用中无需知道具体数值，只需估计fc=f’ - f0的范围即可。

阈值的选取在判别车辆时，需要利用阈值来判断车辆的到达，通过设定特殊的阈值，将受到车辆干扰后的磁场与无车辆干扰情况下的磁场分割开来。

主要表现在当所获得磁场波形数据波动超过一定阈值时，就确定为有车辆到达，否则将波动判别为干扰。

如果阈值选取的太大，当有小型车快速通过检测器时，波动幅度太小，而无法达到阈值，就会检测不到车辆。

如果阈值选取太小的话，因为检测器收到周围磁场的干扰，会有小的波动，阈值太小，干扰大于波动后，算法将干扰判别为车辆，也会影响检测器的精度。

而且当车辆过去后，偶尔有基准值漂移的问题，可能会与原始基准值有所偏差，因此在选取基准值的时候，也好考虑基准值漂移的问题。

因此，阈值的选取直接影响相关检测算法的准确率。

线圈检测的方法介绍线圈检测的方法介绍双线圈检测是在路面下一前一后铺设两个线圈，且两个线圈的放置有一定的距离，其示意图如下图所示：环形线圈检测器示意图假设前线圈的的长度为Sa，后线圈的长度为Sb，两个线圈之间的的距离为Sb ，(在示意图上对应的值为Sa=Sb=2m ,Sm=3m )，当车辆到达前线圈的时间为Ta，车辆到达后线圈的时间为Tb，检测器的计数周期为T，Ni位低i 车道检测器的计数值，则 i 车道在该周期内的交通流量为：因为线圈通过检测电路连接到CUP上，当车辆经过前线圈时，就会改变谐振电路的频率，以此就可以检测出车辆的存在；要检测车辆的速度，只要测出汽车从开始通过前线圈到到达后线圈的前后时间T = T T ，就可以测出通过的速度：如果再测出车辆离开后线圈的时间 Tc，车辆从进入线圈到完全离去的时间为T2=Tc-Ta。

，假设车的长度为 L，那么根据公式：从而就可以得到车辆型号的大小。

第三章感应线圈交通流检测系统硬件设计2.2.系统硬件结构系统硬件结构在本系统中，选用AtmeI的8位单片机 AT89C2051作为环形线圈检测器的硬件控制核心，其片内含有 2K 字节的 Flash 程序存储器，128 字节的片内RAM，2路定时器／计数器。

丰富的片内结构，可以同时满足车辆检测和数据传输的需要，保证了系统的可靠性，其总体结构图如下图所示：2.3.锁相环工作原理锁相环主要由相位比较器、压控振荡器、低通滤波器 3部分组成，它的基本构成如下图：锁相环原理图当输入信号与压控振荡器的输入信号频率不同时，相位比较器比较着两个信号的振荡相位，输出它们的相位差，经低通滤波器加到压控振荡器上，使压控振荡器的频率跟着变化，其输入信号的频率接近，最后等于输入信号的频标值，当两者的输出便不再变化。

压控振荡器的输出 Uo 接至相位比较器的其中一个输入端，施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号 Ui与来自压控振荡器的输出信号 Uo相比较，比较结果产生的误差输出电压 Ud 正比于 Ui 和 Uo 两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压Ud。

这个平均值电压 Ud 朝着减小 VCO输出频率和输入频率之差的方向变化，直至VCO输出频率和输入信号频率获得一致。

这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步）称作相位锁定。

2.4.信号输入电路的设计本系统的信号输入电流时产生正弦波的振荡器电路，容三点式振荡器是因为电容的三个端子和器件的三个电极相连接而得名，也称为考毕兹振荡器，如下图所示：振荡电路图模块2.5.复位电路设计对本课题所设计的基于双线圈的检测系统所采用的结束检测的方式基本相同，即在启动检测，并确认车辆到达之后，通过判断线圈(基于双线圈的检测系统则判断第二个线圈)频率与基频 (基于双线圈的检测系统则为第二个线圈的基频)的差值是否小于一定阈值来判断车辆是否驶离开线圈，如果满足，则结束这一轮检测，并自动复位。

复位电路图如下图所示：复位电路图模块2.6.整形电路设计采用电压比较器把震荡电路产生的正弦波整形于接近方波信号，然后送入89C51进行处理，其电路图如下所示：整形电路图模块2.7.显示电路设计下图是五位共阴极 LED动态显示接口电路。

图中，P0空输出段选码，P2口输出位选码，位选码占用输出口的线数决定于显示器位数。

图中的反向驱动器的作用：89C51的P2口正逻辑输出的位控与共阴极 LED要求的低电平点亮正好相反，即当P1口位控制线输出高电平，点亮一位 LED。

显示电路图模块2.8.总硬件电路第四章感应线圈交通流检测系统软件设计4.1.设计时需要注意的几点设计时需要注意的几点( 1 ) 振荡电路是由电感和电容组成的，在每次检测完毕后，由于振荡频率的变化，在电容上可能有多余的电荷存在，经过若干次检测后，积累的电荷将击穿电容，使设备不能正常工作。

所以在设计电路时应该考虑振荡电路的保护电路。

( 2 ) 上述设计思想只是就一个检测器连接一个地感线的情形。

而在实际应用中，一般检测器要连接 2～4 个地感线圈，可以同时检测多个车道。

这些线圈分别埋在相邻车道下。

因此，振荡电路起振后，线圈之间可能会引入干扰，另外，电感或电容元件老化也会引起工作误差。

( 3 ) 根据试验结果，各种干扰和有车通过时都会引起振荡电路中心频率的偏移。

为了保证系统不会因为干扰而发生误操作，据干扰和有车时所引起中心频率偏移的程度不同，预先设定一个阀值，作为判断有车无车的界限，当中心频率f偏移大于该阀值时，为有车通过，反之认为无车通过。

4.2.程序流程图程序流程图程序流程图4.3.展望对于道路交通检测系统的研究仍在继续，虽然经过大量的实验证明该设计方案是可行的，但需要更加进一步地提高，由于本人的能力有限，本文所做的工作还需要更加一步地提高，在此基础上，还可做如下改善：1、由于同一检测模块需对两路 4 个线圈进行检测，如何更好的避免不同线圈间藕合效应是需要重点考虑的问题，目前的方法是给四路振荡器设置不同的振荡频率，若能使系统对通道逐个扫描将可以更好的解决这个问题，为不同外界环境下选择最合适的检测频率提供更大的灵活性。

2、功能的进一步完善，在本系统的应用中主要测了车速，但是在后续的工作中还可以完善功能，可以测车流方一向，占有率，密度等。