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(lái)，高速公路的建設(shè)步伐很快，對(duì)高速公路進(jìn)行科學(xué)管理勢(shì)在必行，如對(duì)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(duì)車輛的計(jì)數(shù)方法有的是使用環(huán)形感應(yīng)線圈檢測(cè)器，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)送出的信號(hào)脈沖電平比較高，很容易放大和濾波，但是信號(hào)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(jiǎn)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(zhǎng)期保存，也無(wú)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(hào)拾取、信號(hào)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(cè)點(diǎn)，當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)時(shí)，它將車中人體輻射的紅外光變換成電信號(hào)，由信號(hào)處理電路進(jìn)行放大、濾波、門(mén)限比較，輸出脈沖信號(hào)，經(jīng)光電隔離耦合可將4路脈沖信號(hào)并行輸入到單片機(jī)，通過(guò)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(pán)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(hào)，通過(guò)人工干預(yù)，手動(dòng)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(hào)處理電路

信號(hào)處理電路如圖2所示。

信號(hào)處理電路包括信號(hào)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(dòng)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(hào)，該傳感器若加菲涅爾透鏡，對(duì)活動(dòng)人體的探測(cè)距離可達(dá)10m以上，且通過(guò)對(duì)電路的靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其對(duì)人的靈敏度距離僅為1.5m左右時(shí)，對(duì)20m遠(yuǎn)處快速通過(guò)的車輛檢測(cè)十分靈敏可靠。

當(dāng)車輛進(jìn)入探測(cè)器的有效探測(cè)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(hào)直接送到IC1a放大器的同相輸入端，由其放大2500倍后再?gòu)囊_1輸出，通過(guò)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(mén)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(mén)限電位范圍之間時(shí)（U7>UB或U7

放大電路輸出的信號(hào)中，不僅有被傳感器檢測(cè)到的有用信號(hào)，而且還包括了許多干擾信號(hào)，為了將被檢測(cè)信號(hào)從眾多的干擾信號(hào)中分離出來(lái)，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(lái)判斷輸入信號(hào)電位是否位于指定門(mén)限電位之間，車道上每經(jīng)過(guò)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(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(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(hào)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(cè)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(duì)上述脈沖信號(hào)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(chǔ)器27C256和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(mén)狗單元、通信單元以及LED（發(fā)光二極管）顯示器、鍵盤(pán)等。

1）8031單片機(jī)及存儲(chǔ)器

8031內(nèi)含4kb EEPROM程序存儲(chǔ)器，具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可安置于監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shù)據(jù)無(wú)丟失，斷電保護(hù)10年有效，既可高速連續(xù)讀寫(xiě)，也可任意地址單字節(jié)操作，無(wú)需拼湊頁(yè)面，隨機(jī)讀寫(xiě)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(mén)狗，電源監(jiān)測(cè)，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(duì)應(yīng)的脈沖通過(guò)光電隔離耦合并行輸入至8031單片機(jī)的P1口，通過(guò)軟件控制和鍵盤(pán)設(shè)定計(jì)數(shù)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(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(duì)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(guò)軟件可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)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(dòng)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(duì)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(dòng)態(tài)掃描方式直接驅(qū)動(dòng)5位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器[5]。采用動(dòng)態(tài)掃描方式直接驅(qū)動(dòng)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(chǔ)數(shù)據(jù)，并手動(dòng)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(duì)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(chǔ)能力和數(shù)據(jù)處理能力有限，以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)性要求較高，故單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)只能暫時(shí)存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，至于大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(guò)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(pán)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(cè)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(cè)靈敏度，使之在人體移動(dòng)速度之外和在車輛通過(guò)速度之內(nèi)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(jì)數(shù)器的可靠性，域值太高，則靈敏度低，雖然對(duì)外界的干擾信號(hào)有所抑制，對(duì)信號(hào)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(duì)外界的干擾抑制能力減弱，外界干擾信號(hào)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(duì)20m處快速行駛的車輛檢測(cè)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(cè)電路的供電均采用交直流二級(jí)穩(wěn)壓，以提高電源的穩(wěn)定性；

b）檢測(cè)電路中設(shè)計(jì)的無(wú)源濾波環(huán)節(jié)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(duì)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(hào)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(yǔ)

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(cè)，通過(guò)對(duì)本系統(tǒng)的研制和測(cè)試，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)于高速公路上20m遠(yuǎn)處快速通過(guò)的車輛可以準(zhǔn)確計(jì)數(shù)、顯示，并存儲(chǔ)和處理，為高速公路的科學(xué)管理提供原始數(shù)據(jù)。