基于环形感应线圈的车辆检测器

1．任务要求

1．1任务要求]1[

本课程设计的主要任务是设计基于环形感应线圈的车辆检测器，运用电路设计与制版工具PROTEUS软件对环形感应线圈车辆检测器进行硬件电路设计。检测器的主要工作原理是当有车辆经过时，环形线圈将感应到电感的变化，经振荡电路将电感变化转换为频率变化信号，然后经放大、滤波、整形电路将信号转换成矩形波信号，最后通过51单片机得到随环形电感变化的频率值。

通过本次课程设计，达到熟悉环形线圈车辆检测器的工作原理，了解环形线感应线圈原理及输出信号特点，设计出可将环形线感应线圈的电感变化信号转换为频率变化信号的振荡电路及放大、滤波、整形和检测电路的目的。

设计内容中涉及到的具体工作包括对环形感应线圈、车辆检测器的工作原理进行介绍、包括参数计算和元器件引脚图在内的各单元电路的设计、总电路图的绘制及各单元电路的可行性仿真等。

1．2原理介绍

环形线圈车辆检测器的工作原理是：埋设在道路下面的环形线圈电感元件与检测器内的电容及附加电路组成电容三点式振荡电路。车辆通过时对检测器最直接的作用的是引起整个回路的总电感变化，其中包括两个部分，一部分是环形线圈的自感，另一部分是环形线圈与车辆金属底盘之间的互感。具体地说是当车辆经过埋有环形线圈的道路上方时，根据电磁感应原理和楞次定理，车体的金属底盘产生自成闭合回路的感应涡流，这个涡流又产生了与原闭合回路中磁场相反的新磁场，导致线圈的总电感量减小，但是，车辆底盘作为金属导体通过拥有环形线圈的道路上方时能够增加线圈周围空间的导磁率，是环形线圈的电感量又有增加的趋势。所以，在车辆通过环形线圈时，对环形线圈电感量同时具有增大和减小的作用。一辆车，无论它的形状有多么复杂，当它通过环形线圈时，在底盘中引起涡流是必然的，涡流对环兴地埋线圈的影响也是必然的。所以车辆可以被看成一个具有电感和电阻的短环路，这个短环路通过互感与环形线圈相耦合。和分别是环形线圈的电阻和电感，等效电路图如图1所示。假设环形线圈的电压为，则，和分别为车辆回路电流。

图1 环形线圈与车辆的等效电路

2.总体方案选择与设计

2.1背景

2.1.1车辆检测系统概述]2[

随着现如今经济的飞速发展，智能交通已经在我国各大小城市悄然兴起，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等数据，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。现行的车辆检测器种类较多，主要有线圈式车辆检测器、微波车辆检测器、视频检测器等。

2.1.2传统车辆检测系统的不足]3[

相对于现在普遍使用的线圈式车辆检测系统，传统的微波车辆检测器和视频检测器存在较多不足之处。此外的磁频检测器和机械压电检测器都存在较多不合理的地方。

波频车辆检测器多为吊挂式检测体系，利用微波、超声波和红外线等对车辆发射电磁波经反射前后进行数据检测的车检器，其检测基理是按照特定地区的全部车型假定一个牢固的车长，经由检测到投影地区内的车辆的进入与分开过程的时候间来计算车速。其缺点是在车流拥堵以及车型较多、车辆漫衍不匀称的路段，测量精度会受到较大的影响。此外，微波检测器要求较大的空间和安装高度，因此不适合在桥梁、立交、高架路段进行检测，价格也相对昂贵。

视频车辆检测器是由视频摄像机作传感器，在视频范畴内配置检测区，车辆进入检测区时使配景灰度值产生较大变化，从而得知车辆的存在，并以此检测车辆的流量和速率。其不足之处在于安置调试艰苦，造价比较高，轻易受恶劣气候、灯光、暗影等情况的影响，汽车的动态暗影也会带来滋扰，特别是晚上误报率高。

2.1.3我国车辆检测系统的发展现状]4[

我国机动车计量检测事业的发展大致可分为三个阶段。第一阶段是自上世纪六十年代引入汽车检测这一概念开始直到九十年代初我国第一套国家机动车计量检测标准装置的建立，这一跨度达30年得时期是我国汽车检测事业的萌芽、起步阶段。第二阶段是从九十年代初到2004年《道路交通安全法》的实施，这一阶段我国车辆检测事业得到了长足的发展，全国各地先后建立了各类车辆检测机制。第三阶段由04年至今，从前一阶段数量上的急剧增长逐渐实现着质量上的质的提高。但在这些参差不齐的车辆检测器中，存在的问题依旧很多，像车检器的精度、成本等都成为车检系统发展的碍脚石。出于目前国内的创新体系的羸

弱，车辆检测器的进一步发展提升仍有较大的空间，而若想进一步发掘这些技术，就得做出进一步的创新与提高。

2.1.4研究的意义]5[

随着检测事业的发展，线圈车辆检测系统凭借其高准确率、低成本和高可靠性而被大量使用。现阶段国内生产车辆检测器的厂家并不多，产品性能也较低，而国外进口的产品价格高昂，外围接口也较少，没有车型分类功能，基于这一现状，我们试着着手基于环形线圈的车辆检测器研究。

2.2总体方案的设计

由设计任务和要求可知，要完成预定功能，需要地埋感应线圈、电容三点式LC振荡电路、运算放大器、滤波电路、整形电路及单片机系统。如图2所示框图结构。

图2 环形线圈车辆检测器的系统结构

环形地埋感应线圈是基于电磁感应原理的车辆检测器的传感头部分，是一个埋在路面下，通有一定工作电流的环形线圈，一般为2米 1.5米。]5[当车辆通过环形地埋线圈或停在环形地埋线圈上，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。检测电感量的变化一般来说有两种方式，一是利用相位锁存器和相位比较器，对相位的变化进行检测，另一种方式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。此处将采用第二种检测方式。]6[

电容反馈式振荡电路包含了放大电路、选频网络、反馈网络和非线性原件晶体管四个部分，而且放大电路能正常工作。只要电路参数选择得当，电路就可满足幅值条件产生正弦波振荡。电容反馈式振荡电路的输出电压波形好，但若用改变电容的方法来调节振荡频率，则会影响电路的起振条件，若用改变电容的方法来调节振荡频率，则较困难，所以常常用在固定振荡频率的场合。

数据放大器是数据采集、精密测量以及工业自动控制系统中的重要组成部分，其主要要求是高增益、高输入阻抗和高共模抑制比。可供选用的数据放大器产品很多，但三运放数据放大器的各方面特性都相对比较好。但是，由查分比例运算电路的特点出发，电路中的相关电阻必须采用高精密度电阻，并要精确匹配，否则将影响输入输出关系，也会降低电路的共模抑制比。

根据振荡电路特性及要求，20kHz-200kHz区间的某个频率要求滤波电路采用带通滤波器电路。带通滤波器电路可简单理解为低通滤波器与高通滤波器串联而成。实用电路中常采用单个集成运放构成压控电源二阶带通滤波电路。

整形电路可采用反相器整形，也可采用单限比较器如过零比较器整形。此处采用过零比

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。过零比较器，顾名思义，其阈值电压U

=0V。其集成运放工作在开环状态，其输出电压为+12V或者-12V。

T

图3 AT89C51单片机封装

方案最后对矩形波频率计数模块采用了51单片机。51系列单片机具有性价比高、集成度高、体积小、高可靠性、控制功能强、易于扩展应用等优点。凭借其性能优点，已在工业自动化方面、仪器仪表方面、家用电器方面、信息与通信产品方面、军事方面等到广泛应用。因此在车辆检测器中运用51单片机对电路输出矩形波的频率进行计数是一个很合适的选择。图3为51系列单片机中AT89C51的引脚封装图。]7[

3单元电路的设计

3．1环形感应线圈的工作原理及输出信号特点

环形感应线圈检测器的工作原理是由检测单元同环形线圈与馈线线路组成一个耦合电路，当电流通过环形线圈时，在其周围形成一个电磁场。在正常情况下，在机动车辆没处在环形地埋线圈所在位置的时候，耦合电路振荡频率保持恒定，单片机在单位时间段测得的脉冲个数基本保持不变，当机动车辆经过环形地埋线圈所在位置时，在金属车体中感应出涡流电流，涡流电流又产生与环路相交互但方向相反的电磁场，即互感。由此导致涡合电路振荡频率的变化，使得单片机在单位时间段测得的脉冲个数也相应变化，只要检测到此变化的信号，就可检测出是否有车辆通过。具体来说，车辆通过时将使环路电感值减少，从而使得输出信号频率增加，一般频率增加值在160Hz-250Hz的范围内。由于机动车自身铁质是不均匀的，所以当他经过环形地埋线圈时单片机在单位时间段测得的脉冲个数又是变化的，故在软件设计与数据处理方面可采用阈值比较法。]8[

由电容三点式振荡电路的特点可知，输出信号为正弦波，但由于地表环境、温度、湿度等的影响及引线的干扰，输出信号中存在低频干扰信号及有效正弦波上的毛刺等高频噪声，

且输出信号幅值较小，因此在后续电路中需对其进行放大及滤波，同时由于单片机只能对矩形波进行计数，故还得对正弦波进行整形。

3.2振荡电路的设计]9[

如电路总体方案中所述，采用了电容反馈式振荡电路，亦即电容三点式振荡电路。设计电路如图4所示。

振荡频率=0f 212

121

C C C C L +π

图4 耦合振荡电路

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C ，而且C ??C 1，C ??C 2，这样

C

C C C 111121≈++

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，故有

mH L 50=，nF C 2.02≈

其它电路元器件参数围绕中心频率进行合理调节得出。所采用的晶体管如图5所示。

电路的振荡频率在50kHz 左右，两个反接的4.3V 稳压管使正弦振荡信号被抑制在-5V 至+5V 的范围内，耦合变压器原副边匝数比为1:1,3D ,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。

图5 晶体管2N3702符号与PCB 引脚

2N3702参数表如下图所示。

图6 晶体管2N3702参数表

一路环形地埋线圈对应一个检测通道，共有四路检测通道，在设计电路中只画出了其中一路，是用电感1L 代替的。环形地埋线圈如图7所示。

图7 环形地埋线圈的表示

3.3放大电路的设计]10[

放大电路我采用了三运放数据放大器，如图8所示。

电路中的三个运放都接成比例运算电路的形式，电路包含两个放大级，1A 、2A

组成第一级，二者均为同相输入方式，因而输入电阻很高。由于电路结构对称，因此漂移可以相互抵消。第二级的3A 为差分输入方式，将差分输入转换为单端输出。在本电路中，要求元件参数对称，即

2322R R =,2524R R =,2726R R =

当加上差模输入电压U I 时，1A 与2A 的输入电压+U 和-U 大小相等，极性相反，且2322R R =，此时可以认为21R 的中点电位保持不变，即在21R /2处相当于交流接地。

由图8可得

+++=+=U R R U R R U )21()2/1(21

22212201

图8 三运放数据放大器原理图

同理 --+=+=U R R U R R U O )21()21(21

2221232 则 I O O U R R U U R R U U )21())(21(21

22212221+=-+=--+ 3A 为差分输入比例运算电路，已知2524R R =,2726R R =，则

)(2124

260O O U U R R U --= 因此，该数据放大器总的输入输出关系为

I O U R R R R U )21(21222426+-

= 由上式可知，只要改变电阻11R ，即可灵活地调节输出电压和输入电压之间的比例关系。 结合本设计电路电阻值数据可知

I I O U U k

k k k U 6)20221(210-=?+-= AD8047引脚块图和典型特性分别如图9和图11所示所示。

图9 运放AD8047引脚简图

PROTEUS 软件中模拟器件AD8047的电路符号和PCB 封装如图10所示。

图10 运放AD8047电路符号及引脚封装

Description:Single,250MHz,General purpose,Voltage Feedback Operational Amplifiers Gain 1 Stable(250MHz,750V/us,6V-12V)

图11 AD8047典型特性分析图

必须指出，由差分比例运算电路的特点出发，电路中24R 、25R 、26R 和27R 四个电阻必须采用高精密度电阻，并要精确匹配，否则不仅给输入输出关系带来误差，而且将降低电路的共模抑制比。

3.4滤波电路的设计]11[

带通滤波器的作用是允许某一段频带范围内的信号通过，而将此频带以外的信号阻断。带通滤波器经常用于抗干扰设备中，以便接收某一频带范围内的有效信号，而消除高频段和低频段的干扰和噪声。

从原理上讲，将一个通带截止频率为2f 的低通滤波器与一个通带截止频率为1f 的高通滤波器串联起来，当满足条件12f f >时，即可构成带通滤波器。

当输入信号通过电路时，低通滤波器将2f f >的高频信号阻断，而高通滤波器将1f f <的低频信号阻断，最后，只有频率范围在21f f f <<的信号才能通过电路，于是电路成为一个带通滤波器，其频带宽度等于12f f -。设计的带通滤波电路如图12所示。

图12 带通滤波器电路图及参数

设P U 为同相比例运算电路的输入，比例系数

311R Rf U U A P O uf +==

当C C C ==3231,R R =31,R R =32时，电路的传递函数

2)

()](3[1)()(sRC sRC s A sRC s A s A uf uf u +-+?= 令中心频率RC

f π210=，电压放大倍数 )0(311130f f f f A j A A A uf uf uf

u --+?-=

当0f f =时，得出通带放大倍数

|3|uf uf

up A A A -=

由此可得下限截止频率1p f 和上限截止频率2p f

)]3(4)3([2201uf uf p A A f f --+-= )]3(4)3([2

202uf uf p A A f f -++-= 因此，通频带

012|3|f A f f f uf p p bw -=-=

电路的幅频特性如图13所示。

图13 压控电压源二阶带通滤波电路幅频特性

参数简单计算：

210p p f f f ?=

由设计方案知kHz f 500=，取k f p 451=，k f p 6.552=，可得RC 的乘积值及其它有关参数，经考虑，取

Ω=K R 6.31,nF C 1.0=

由此，其它阻值亦可确定，得到的参数值如图15所描述。

下图滤波器中用到的运放AD8001的引脚图。

图14 AD8001引脚简图

Description:800MHz,50mW Current Feedback Amplifier

3.5整形电路的设计]11[

依据总设计方案，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0I U 时，OPP O U U -=。其中OPP U 是集成运放的最大输出电压。

图15 整形电路

设计的整形电路如图15所示。

整形电路中使用的AD811芯片的典型应用接法如图16所示接法。

图16 AD811典型应用接法

Description:High Performance Vedio Operational Amplifier

3.6检测电路的设计]4[

检测电路主要实现的是对前续电路输出的矩形波信号进行计数以便后续处理及应用。

对矩形波信号进行计数可以采用两种方式，一种是利用D触发器和JK触发器以及简单门电路组成的计数器进行计数，二是利用单片机的定时及计数功能对矩形波信号进行计数。在这里，我将采用第二种方法。检测电路图如图17所示。

由图观察可知，其主要由四部分构成，单片机是核心，辅之以晶振和复位电路，单片机对输入信号进行计数得出频率值再借助于四位八段数码管显示出来。

图17 检测电路PROTEUS图

3.7各单元电路的仿真

3.7.1对振荡电路的输出进行测试，其波形如下图所示。

图18电容反馈式振荡电路输出波形及参数

示波器中一格代表5uS，波形一个周期为4格，即20uS，转换为频率为50kHz，符合预期结果，从而验证了设计电路的正确性。

运用PRETEUS对放大电路进行模拟与仿真，结果如图19所示。

由图可读出输入输出数据，由此可得其放大倍数。输入接的Channel A,输出接的Channel B。输入峰峰值大小为0.5V/格?4格=2V，输出峰峰值大小为1V/格?12格=12V，因此放大倍数

6212==V

V U U I O 与理论计算结果相符合，也证明了电路设计的正确性。

图19 三运放数据放大器电路仿真结果

3.7.2对设计的滤波器的效果进行仿真其结果如下列图形结果所示

输入为设计示波器的中心频率50kHz 时的输出波形：

图20 输入为中心频率50kHz 时的输入输出波形

由上图可以看出，中心频率输入时传递性良好，输出频率也基本上为50kHz 。由于滤波电路设计有一定大放大倍数，输出信号被放大。

8.26.312.561131=+=+==k

k R Rf U U A P O uf 实际上由于电容的阻抗效应及同相和反向端的阻抗不能很好地得到匹配，实际放大倍数值比理论值偏小。如图中所示，实际放大倍数约为1.5倍。但这并不影响其滤波功能。 高频信号输入滤波器时的传递特性：

图21 高频信号输入时示波器输入输出波形

从上图可看出对电路输入较高频率信号如200kHz 信号时，输出得到较明显的衰减。输入约为输入的0.5倍。对高频信号起主要作用的是电容32C 和电阻31R ,它们组成了一个低通滤波部分。

低频信号输入时滤波器传递特性：

低频信号输入时滤波器的作用效果如图22所示。由图可看出，虽输入信号约为20kHz ，较50kHz 接近，但电路仍对其有较好的滤波效果，而对其起主要抑制作用的是电容31C 和电阻32R ，它们组成了一个高通滤波部分。由图读取数据可知，输出信号越为输入信号的0.35倍，抑制作用明显。

图22 低频信号输入时滤波器作用效果输入35kHz频率滤波效果如图23所示：

图23 中间偏低频率滤波效果

输入120kHz时滤波器滤波效果如图24所示：

图24 120kHz滤波效果

3.7.3整形电路整形效果仿真

如图25所示，经整形电路后，黄色输入正弦信号A已被整形为方波信号B，效果较理想。

图25 整形电路仿真

3.7.4检测电路测试

四位八段数码管显示情况如下图。

图26 数码管测试结果

中心频率为50k，计数时间为10mS，可得理论值为500，实际值与理论值相近，误差值较小。

4总体电路原理图

4.1元器件清单

上表由PROTEUS生成元器件表导出到EXCEL生成

4.2 总体电路设计

对各单元电路进行整合，得到的总电路图如下图所示。

图24 总电路图

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，振荡电路在前，接着依次接滤波电路、放大电路、整形电路和检测电路。阻抗匹配亦是一个很重要的问题，需考虑前几输出阻抗和

后级输入阻抗的匹配。布线上则因在满足要求的前提下尽量美观、简洁。