基于单片机的车流量测量系统设计论文

松鼠学院

毕业设计 (论文)

课题基于单片机的车流量测量系统设计

子课题线圈检测电路设计

系（院）电子与信息工程学院

专业通信工程

班级 10通信（1）班

学生姓名

学号

指导教师

2014年6 月

摘要

近年来，随着我国经济建设的高速发展，机动车辆拥有量也在急剧增长，交通流量日益增大，了解路况交通实时信息让司机选择道路通畅的路段是解决道路拥堵问题的一个重要手段。因此，研究开发适合我国交通现状和具有稳定性好的检测设备变得尤为重要。

本文介绍了一种基于感应线圈的道路车辆测量方法。该方法利用感应线圈车辆检测器对车辆的电磁感应特性进行数据采集，通过对振荡的频率计数获得通行车辆的信息（车流量这里指通过车辆的个数），再通过显示电路显示出来。

信号产生电路采用LC电容三点式振荡电路，此电路主要用来产生正弦信号. 文中给出了以AT89C51单片机为核心的车流量检测系统的硬件和软件框图，并进行了简单的实验，结果表明该检测系统稳定可靠，检测精度符合要求。

基于LC振荡电路与51系列单片机组成的环形线圈检测器，不仅经济，还能够保证系统的检测精度和抗干扰性，为进一步应用于实际打下了坚实的基础。

关键字:AT89C51单片机、感应式环形线圈、LC振荡电路、数码显示

Abstract

In recent years, the quantity of vehicles and the traffic flow increase rapidly with the development of China economy.So it is important of the drivers to know the real-time information of the traffic system.Therefore ,it is also very important to research a stable equipment which can detect the traffic situation.

The paper introduces a device of vehicle based on an induction loop-coil.The device collects the data of electromagnetic induction characteristics with the inductive loop-coil.This device can obtain the information of vehicles by measuring the frequency of the oscillator circuit,and displays it thought the display circuit.

The signal circuit of the device adopts LC oscillator circuit,and this oscillator circuit is mainly used to produce sinusoidal signal.The paper produces the hardware electric circuit and the software diagram of the system of measuring vehicle flux which takes the STC89C52 as the core,and take some simple experiments,finally indicated that the system of measuring vehicle flux is able to stably and reliably work and the examination precision meet the requirements.

The inductive loop-coil vehicle detector which is based on LC oscillator circuit and MCU, is economic, accurate and stable. It laid a solid foundation for further practical application.

Keyword：STC89C52 single chip microcomputer、induction loop-coil、LC oscillator circuit、Digital display

目录

第1章序言 (2)

1.1 课题背景 (2)

1.2 课题研究的目的和意义 (2)

1.3 课题研究的发展趋势 (2)

1.4 本文主要研究内容 (3)

第2章系统主要研究内容 (3)

2.1 车辆检测原理 (4)

2.2 系统硬件原理框图 (5)

2.3 系统软件原理框图 (6)

第3章硬件设计-检测电路部分 (6)

3.1 检测线圈设计 (6)

3.2 LC振荡电路设计 (7)

3.3 整形电路设计 (12)

3.4 波形变换电路设计 (14)

第4章硬件设计-单片机电路部分 (19)

4.1 测频电路设计 (19)

4.2 显示电路设计.............................................................. 错误！未定义书签。第5章软件设计.. (20)

5.1 (20)

5.2 (22)

5.3 (22)

5.4........................................................................................ 错误！未定义书签。

5.5........................................................................................ 错误！未定义书签。第6章试验结果分析 (22)

第7章总结和展望 (22)

7.1全文总结 (22)

7.2展望 (22)

第8章总结和体会.................................................................... 错误！未定义书签。致谢 (24)

参考文献： (25)

附录:

基于单片机的车流量测量系统设计

——线圈检测电路设计

第1章序言

1.1 课题背景

随着经济的发展，智能交通已在我国悄然兴起，车辆检测器作为交通信息采集的一个重要组成部分，越来越受到业内人士的关注。车辆检测器以机动车辆为检测目标，检测车辆的通过或存在状况，其作用是为智能交通控制系统提供足够的信息以便进行最优的控制，目前国际上常用的车辆检测器主要有环形线圈车辆检测器，视频车辆检测器和微波车辆检测器，其中环形线圈车辆检测器由于其高准确率，低成本，和高可靠性而被大量使用。针对现阶段国内车辆检测器的生产厂家较少，产品性能较低，而国外进口产品价格高，外围接口少，没有车型分类功能的情况，我们研究开发了智能环形线圈车辆检测器。经大量试验及应用比较我们开发的智能环形线圈车辆检测器与进口产品相比具有性价比高，灵敏度高，外围接口多，具备车型分类功能等优势。

1.2 课题研究的目的和意义

车辆检测器的种类很多，根据其检测原理的不同，可分为超声波检测器、激光检测器、雷达检测器、视频检测器、环形线圈检测器等。各式车辆检测器中，以环形线圈车辆检测器使用最广、历史最久，也被认为是价格低廉，准确度高，且积累了较多的经验，虽然环形线圈检测器有其安装不方便的缺憾，但是，由于它具有检测参数精度高、适用性强、可靠性高、漏检率低、使用寿命长、性能价格比合适等诸多优点，这种检测器仍然是目前用于高速公路控制系统最为广泛、效果也较好的一种车辆交通信息检测设备。

1.3 课题研究的发展趋势

近年来，随着高速公路和城市交通监控系统的发展需要，车辆检测器已得到了广泛的应用，同时车辆检测技术也随着传感器技术，通信技术，计算机和人工智能等技术的发展而得到了迅速提高。现今的交通流检测设备己经逐步由原来的埋设型转向了非埋设型，由单一类型向多种组合类型发展。就安装条件来说，有龙门架、天桥的地段可以使用超声波、微波等设备；在己经有视频监控光纤传

输的路段，可增加检测专用摄像头实施视频检测；在其余路段可以使用微波侧挂设备。就需求来说，超速抓拍可以使用线圈和微波系统；公交车专用道以及某些车型车辆禁行路段的违章检测可以使用超声波检测设备；对车型分辨要求较高(如需分辨客货车等)，以及在拥堵情况下对流量检测精度要求较高的交通流检测可以使用超声波检测设备；需要配以直观图像时，可以选择视频检测设备。由于现今的任何一种检测器都不能完全达到交通监控的全部要求，他们各自的优缺点都十分明显。所以当今的趋势是一个功能完备的监测系统必须是由多种检测设备配合使用，相互取长补短。如北京四环路的交通流检测，就采用了视频、微波、超声波等多种检测器组成了完整的检测系统。

早在60年代末，70年代初国外的科学家就对车辆的自动识别进行了研究，由于受到当时技术发展的影响，曾采用彩色条形码、磁感应、摄像、照相、声表面波等技术来实现车辆的自动识别，但都因现场的具体应用环境复杂，始终没有解决系统识别精度不高，抗干扰性能差这一技术难题，因此没有得到广泛使用。进入80年代，随着计算机技术和微波技术的迅猛发展，国外许多公司都在致力于采用微波反射调制技术来实现车辆自动识别的研究由于此项技术具有较高的抗干扰性能和较高的识别精度因而得到了广泛的使用。

综上所述，各种交通信息采集系统的配合运用，以及光纤通信技术、计算机信息处理系统和人工智能技术的应用，必将使交通控制系统向大范围、全方位、智能化和实时控制方向发展。

1.4 本文主要研究内容

本文研究内容是利用环形线圈作为道路交通检测的传感器，设计一种用于车流量计数等参数检测的环形线圈道路交通检测系统。文中采用单线圈检测技术，在硬件设计上我们利用电容三点式LC振荡电路产生正弦波形信号，采用过零比较器对输入正弦波整形，可得到上升沿和下降沿都比较理想的矩形波信号，最后选用STC89C52单片机作为主控制芯片，将数据显示出来。最后根据系统功能需求，完成各个部分的软硬件设计。

第2章系统主要研究内容

环形线圈检测器是在同一车道的道路上埋设一组感应线圈。检测器则是由检测单元同环形线圈组成一个调谐电路，此电路的电感主要决定于环形线圈，与检测器的振荡回路一起形成LC谐振回路，当谐振回路中有电流通过环形线圈时，

在其周围形成一个电磁场，当车辆行至线圈上方时，车体底盘产生自成回路的感

应电涡流，涡流损耗环形线圈产生的电磁能，使环形线圈的电感量减少，振荡频

率发生变化。只要检测到此频率的变化，就可以检测到车辆的通过信息，并完成

车流量统计。

2.1 车辆检测原理

当车辆经过环形线圈上方时，涡流效应会使环形线圈的电感量发生变化，

即车辆接近环形线圈时，电感量减小，在整个车辆通过的过程中，频率将变化，

当车辆离开线圈后，电感恢复到没有车辆时的数值。

环形线圈与车辆的等效电路如下图2.2所示。

图2.1 感应线圈等效电路图

设环形检测线圈参数为：

0L —线圈电感，决定于线圈几何尺寸及匝数；

0R —线圈电阻；

0Z —线圈阻抗，000L j R Z ω+=；

r —车辆涡流回路中的等效电阻；

L —车辆涡流回路中的等效电感；

M —互感系数，取决于线圈与车辆靠近程度。

根据基尔霍夫定律，存在如下关系:

????=-+121010U I M j I L j I R ωω （2.1）

0221=++-???I L j I r I M j ωω （2.2）

由式（2.1）、（2.2）可得

??

????+-+??????++=??L L r M L j r L r M R U I ωωωωωω222200222

2011)()(

（2.3）

2211212)(L r I Mr j I L M L j r I M j I ωωωωω++=+=?

??? （2.4） 由（2.3）可得电感线圈总阻抗为

??????+-+??????++==??L L r M L j r L r M R I U Z ωωωωωω22220222

2011

)()( （2.5） 可知此时线圈的等效电感eq L ：

L L r M L L eq 22220)

(ωω+-= （2.6） 由上式（2.6）可见电路参数eq L 为M 的函数，电路振荡频率取决于环形线圈

的等效电感和电容，即C

L f eq π21=，当C 为常数，电路中振荡频率取决于线圈等效电感eq L 。当线圈磁场内无车辆存在时，有 M =0，eq L =0L ，C L f 021π=

∞：当车辆靠近线圈时，M 将变大，eq L 变小，f 变大；反之，当车辆远离线圈时，

M 将变小，eq L 变大，f 变小；因此，利用此变化规律，即可检测车辆个数。

2.2 系统硬件原理框图

硬件设计主要包括LC 振荡电路、整形电路、波形变换电路，利用这些电路

完成车辆信号的采集工作，单片机系统对此信号进行分析处理，得出车辆计数结

果，然后将数据通过共阳数码管显示出来。

图2.2 系统硬件原理框图

2.3 系统软件原理框图

第3章硬件设计-检测电路部分

3.1 检测线圈设计

3.1.1 检测线圈的的工作原理

当车辆通过环形地埋线圈或停在环形地埋线圈上时，车辆自身铁质切割磁通线，引起线圈回路电感量的变化，检测器通过检测该电感变化量就可以检测出车辆的存在，检测这个电感变化量一般来说有两种方式：

①是利用相位锁存器和相位比较器，对相位的变化进行检测

②则是利用由环形地埋线圈构成回路的耦合电路对其振荡频率进行检测。本设计采用第二种方案。

3.1.2 环形线圈的选取

环形线圈是一个埋在路面10~20mm下，通有一定工作电流的环形线圈（一般为2*1.5m）。由于本设计中只是检测车辆的数目，比较简单，因此只选用一组环形线圈，环形线圈如图所示：

图3.1 环形地埋线圈的表示

当车辆通过环形线圈时, 在车体内就会有涡流产生, 涡流会损耗环形线圈产生的电磁能, 即涡流对环形线圈的磁场具有去磁作用。因此, 涡流的出现使环形线圈的电感量减少。

同时, 车辆作为金属导体通过环形线圈, 能够增加线圈周围空间的导磁率, 使环形线圈的电感量具有增加的趋势。

根据大量的经验证明：

①测得当环形线圈的频率为20 kHz≤

f< 180 kHz 时,涡流的去磁占主

导地位, 环形线圈的电感量明显减小。即有车通过环时, 等效电感L(环形线圈的电感量) 明显减小。因此：此设计中取中心频率

f=50kHz。

②微型面包车和轿车处于线圈上方时,电感量将减少2 %～3 %左右；当卡车处于上方时,电感量的变化约是前者的一半左右。由实际应用情况，约为20mH-2000mH左右。取L=50mH，此时轿车通过线圈的电感变化为1～1.5mH。

③线圈接入振荡电路中,电感量的变化引起振荡频率变化。电感量减小,振荡频率增大,频率变化的相对量基本上是电感量变化量的一半。此时，频率变化率在1%～1.5 %左右（即500～750HZ），其能很好的观察出来。

因此：本实验中环形线圈等效电感为50mH，中心频率

f=50kHz。

3.2 LC振荡电路设计

在实践中，广泛采用各种类型的信号产生电路，就其波形来说，有正弦波或非正弦波两种形式。环形线圈车检器的振荡电路模块实际上也就是正弦波信号的产生电路，正弦信号产生电路主要有两种：RC振荡电路以及LC振荡电路。后一种振荡电路主要用来产生高频正弦信号，适用于几十千赫至几百兆赫的频率范围，因而在车辆检测器中得到应用。

本设计选用电容三点式LC振荡电路基本形式，如图3.2所示。

图3.2 耦合振荡电路

3.2.1 工作原理

根据正弦波振荡电路的判断方法，由图3.2所示，电路中包含了放大电路、

选频网络、反馈网络和非线性元件（晶体管）四个组成部分，而且放大电路能够

工作在放大状态下。分析过程：首先断开反馈网络，加频率为0f 输入电压，给

定其极性，判断出从2C 上所获得的反馈电压的极性与输入电压相同，故电路满

足正弦波振荡的相位条件，各点瞬时极性如图中所标注。只要电路参数选择得当，

电路就可满足幅值条件，而产生正弦波振荡。

3.1.2 振荡频率和起振条件

当由L 、1C 和2C 所构成的选频网络的品质因数Q 远大于1时，振荡频率为：

振荡频率2

121021C C C C L f +≈π （3.1） 设1C 和2C 的电流分别为?1C I 和?2C I ，则反馈系数

2

1120//12C C C j I C j I U U F C C f

≈==???ωω （3.2） 电压放大倍数

be L i u r R U U A '0β==??

? （3.3） 在空载情况下，由上式（3.3）中集电极等效负载

24'//?=F R R R i

L （3.4） 根据1>??F A ，利用式（3.3）和（3.4），可得起振条件为

'12L be R r C C ?>

β （3.5） 若增大21/C C ，则一方面反馈系数数值随之增大，有利于电路起振；另一方

面，它又使'L R 减小，从而造成电压放大倍数数值减小，不利于电路起振。因此，

21/C C 既不能太大，又不能太小，具体数值应通过实验来最终确定。

3.1.3 元件参数选取

①电容

图中为稳定振荡频率采取了一些措施。为提高电容反馈式振荡电路的振荡频率，

需减少1C 、2C 的电容量和L 的电感量。实际上，当1C 、2C 减少到一定程度时，

晶体管的极间电容和电路中的杂散电容将影响振荡频率。由于极间电容受温度的

影响，杂散电容又难于确定，为了稳定振荡频率，在设计电路时，必须能够使极

间电容和杂散电容对选频特性的影响忽略不计。具体的方法是在电感的支路串联

一个小容量电容C4，而且C4??C 1，C4??C 2，这样

4

4211111C C C C ≈++ 总电容约为C ，因而电路的振荡频率

LC f π21

0=

几乎与1C 、2C 无关，当然，也就几乎与极间电容和杂散电容无关了。

参数计算：

根据公式：取中心频率0f =50kHz ，由实际应用情况，L 约为20mH-2000mH 左右，

选用50mH 的等效环形线圈，故有

mH L 50=，nF C 2.04≈

其它电路元器件参数围绕中心频率进行合理调节得出：C1=C2=0.1uF

则反馈系数：

12

1=≈?C C F 电容C3在电路中是耦合作用，其应该远大于C1（这里选10倍）C3=1uF 。

②电阻 由于当V V U CC CE 5.42

1==时，获得最大不失真输出电压。此时V U E 5.0=，则V V V U B 2.17.05.0=+=，所以=-=V V R R 2.1/)2.15(/21 3.8/1.2，所以设定

Ω=Ω=k R k R 2.1,8.321。

③稳压二极管1N4731

电路的振荡频率在50kHz 左右，两个反接的4.3V 稳压管1N4731使正弦振荡信

号被抑制在-5V 至+5V 的范围内,3D ,4D 是一个瞬间抑制二极管用于抑制由静

电等原因产生的瞬间高压，以保护电路。

稳压二极管1N4731的参数：

最大耗散功率(W)：1W

额定电压(V)：4.3V

最大工作电流(mA)：217mA

图3.3 稳压二极管1N4731参数表

④晶体管2N3702

本设计中选用晶体管2N3702，其参数为：

晶体管极性：PNP

封装 / 箱体：TO-92

集电极—发射极最大电压（VCEO）：25 V

发射极 - 基极电压（VEBO）： 5 V

集电极连续电流：0.5 A

最大直流电集电极电流：0.5 A

功率耗散：625 mW

最大工作频率：100 MHz

最大工作温度：+ 150 C

DC Collector/Base Gain hfe Min：60

最小工作温度- 55 C

图3.4 晶体管2N3702参数表

⑤耦合变压器

耦合变压器原副边匝数比为1:1

Protues震荡电路及其仿真波形：

图3.5 震荡电路protues图

振荡电路中理论上产生的频率为50KHZ,其中有各种各样的原因影响，得到的频率误差在-0.2%—+0.3%之间。然而实际中车来时频率变化大于1%，因此满足要求。

图3.6 振荡电路波形protues 效果图

用protues 仿真时输出波形为正弦波，波形振幅为1.7V 左右,频率为50kHZ 。

3.3 整形电路设计

整形电路核心是利用过零比较器。处于开环工作状态的集成运放是一种最简

单的过零比较器，此时，集成运放工作在非线性区，因此，当0

OP P O U U +=；当0>I U 时，OPP O U U -=。其中OPP U 是集成运放的最大输出电压。

图 3.7 整形电路原理图

本设计中使用AD811集成运放芯片。

整形电路中使用的AD811芯片的引脚封装和典型应用接法如图所示接法。

图3.8 AD811引脚封装图 图3.9 AD811的典型接法

protues 整形电路及其仿真波形：

图3.10 整形电路protues 效果图

本设计中芯片AD811双端供电，供电电压为V V V V S S 5,5-=+=-+

图3.11 整形电路波形效果图

当输入信号振幅为5V ，频率为50KHZ 时， AD811的输出端明显为矩形信号，

且输出信号振幅小于5V 。

3.4 波形变换电路设计

由图3.4所示，由于当on BE U u ≤，且BE CE u u >时，进入截止区的条件，

由于输出电压0u 与C R 上电压的变化相位相反，从而导致0u 波形产生顶部失真；

当on BE U u >，BE CE u u <时，输出0u 波形产生底部失真。因此电路输出为方波。

图3.12 波形变换电路原理图

3.4.1电路元件参数

本模块中晶体管为S9013，R7=2k ，R8=1k

晶体管S9013参数为:

集电极基极电压: 40V

集电极发射极电压: 20V

发射极基极电压: 5V

集电极电流: 500mA

集电极耗散功率: 625mW

结温: 150°C

贮藏温度: -55 ~ 150°C

集电极基极击穿电压: 40 V

集电极发射极击穿电压 : 20 V

发射极基极击穿电压: 5 V

集电极截止电流: 100 nA

发射极截止电流IEBO: 100 nA

DC电流增益： 64到202之间一般为120 集电极发射极饱和电压: 0.6V

基射极饱和电压: 1.2V

基射极电压: 1.4V

图3.13 晶体管S9013参数表protues波形变换电路及其仿真波形：

图3.14 波形变换电路protues图

图3.15 波形变换波形效果图

当有输入信号时，当信号的大于晶体管的导通电压时，三极管导通，此时输出低电平，当输入信号小于晶体管的导通电压时，三极管截止，此时输出高电平。因此，使用此波形变换电路，可以输出适合单片机的矩形信号。

3.5 稳压电路设计

本设计中由于检测电路中不同的模块需要合适的电源供电（震荡电路需要12V电源，整形以及波形变换电路需要5V电源），因此，稳压电路中采用7805

稳压器，其参数如如所示：

图3.16 7805稳压器参数表

Protues中稳压电路及其仿真：

稳压电路中滤波电容C5和C6在稳压器的两端且C6=33uF，C7=0.1uF，C7=C8=0.1uF。其中电源是12V，经过7805后，输出电压VCC是5.0V。

图3.17 稳压电路protues图及其仿真

3.6 Protues中检测电路及仿真波形

需要说明的是，在对各单元电路进行整合的过程中，需考虑各单元合理的先后顺序、单元之间的阻抗匹配以及合理的布线。电路连接过程中，振荡电路在