课程设计(论文)-基于环形感应线圈的车辆检测器设计

1任务要求

1.1任务要求

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，要求运用PROTEL电路设计与制版工具对环形感应线圈车辆检测器进行硬件电路设计

1、熟悉环形线圈车辆检测器的工作原理；

2、了解环形线感应线圈的原理和输出信号的特点；

3、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；

4、设计出放大、滤波和整形处理电路

1.2原理介绍

检测器的工作原理：环形感应线圈车辆检测器又称为地感，多为埋设式检测系统一种基于电磁感应原理车辆检测器, 它的传感器是一个埋在路面下, 通有一定工作电流的环形线圈。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: 一种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。本设计采用了后一种检测方式。感应式环形线圈行驶车辆检测器具有性能稳定、性价比高、工程应用方便、免维护、技术不复杂等特点, 目前在工程上应用很广。

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

C8051 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：智能交通系统；环形线圈；交通流检测；C8051

ABSTRACT

Intelligent Transportation Systems is a new highway traffic system，which is the trinity of personnel，vehicles and road，using sophisticated electronic information technology ． ITS is a kind of systems combined with the advanced computer technology，information technology Data-communication technique，auto control art，artificial intelligence and electronic technology，etc．It has been applied in traffic transportation management system，helps to establish a wide-extent，whole-direction，accurate，punctual，efficient traffic-transportation management system．This thesis studies emphatically on the traffic detector of intelligent transportation system．We designed the loop induction detector by using double loop detection technology．when vehicle goes through the loop，the waffle detectors gather the data of oscillation frequency by analyze the difference of frequency characteristics，thus we finished the test for cars. This thesis introduces a loop detector system which is based On microntoller，and analyzes the structure and function this system．The part of the hard—ware in this system is chiefly controlled by C8051，this system realizes the dynamic traffic information collection, and the collected data eflect the pass or existence condition of the vehicles real-timely. This systems simple, and is easy to perate it can detect vehicles precisely, and can be used in the highway traffic flow detection and the road security system. The design of hardware and software of this detector is given.

Key Words：intelligent transportation。n system(ITS)；1oop；traffic flow detection；C8051.

目录

1.总体方案选择与设计-----------------------------------------------6 1.1 背景----------------------------------------------------------6 1.1.1 辆检测系统概述---------------------------------------------6 1.1.2 传统车辆检测系统的不足-------------------------------------8 1.1.3 我国车辆检测系统的发展状况---------------------------------9 1.1.4 研究的意义------------------------------------------------10

1.2 总体方案设计-------------------------------------------------11

2 元电路的设计----------------------------------------------------12

2.1 应线圈的工作原理及输出信号的特点--------------------------13

2.2 振荡电路的设计--------------------------------------------13

2.3 放大电路的设计--------------------------------------------16

2.3.1压跟随器的设计-----------------------------------------16

2.3.2放大电路设计-------------------------------------------17

2.4 滤波电路的设计--------------------------------------------18

2.5 整形电路的设计--------------------------------------------20

2.6 检测电路的设计--------------------------------------------23

2.7显示电路设计-----------------------------------------------24

2.8复位电路设计-----------------------------------------------24 3．检测器的使用---------------------------------------------------25

3 1车辆检测器的埋地方法----------------------------------------25

3.2线圈的检测方法----------------------------------------------27

4 总体电路原理图--------------------------------------------------29

4.1 元器件清单-------------------------------------------------29

4.2 总体电路的设计--------------------------------------------30

5.感应线圈交通流检测系统软件设计----------------------------------31

5.1 设计时需要注意的几点--------------------------------------31

5.2 程序流程图------------------------------------------------33

6.研究展望--------------------------------------------------------34

7.心得体会--------------------------------------------------------36

8.参考文献--------------------------------------------------------39

9 附总体电路原理图------------------------------------------------42

1.总体方案选择与设计

1.1 背景

1.1.1车辆检测系统概述

随着经济技术的发展，城市化的迅速推进，带来了机动车数量的迅速增长，造成城市道路交通的需求严重不平衡，因此智能交通成为当前缓解交通拥挤的重要手段。自适应交通信号控制系统是智能交通控制系统的核心，能够根据实际车流量的状况，在线实时地自动调整信号控制参数以适应交通流的变化。

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。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。

道路交通流信息(包括交通流量、车速、行程时问、车道占有率以及车流密度等参数)是制定道路发展规划，安排道路养护经费规划和养护生产作业的主要依据，也是向交通城建规划与环保以及公安交通管理部门提供改善、优化道路

交通的实际参考资料和数据。获得交通状况信息在道路网络中的分布情况，可以确定道路网络密度是否能够满足现在和未来的交通需求，解决交通设施的供给与需求的矛盾，使道路网络布局合理化。因此，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。这方面，车辆检测器则发挥了重大作用。

车辆检测器的运用是随着高速公路的建设而发展起来的。从20世纪30年代开始在美国、英国生产了气动橡皮管式的车辆感应信号控制器，用以检测交通流量，调整绿灯时间长短，减少车辆在路口的延误，比定时控制灵活，以后又发明了雷达、超声波、光电、地磁、微波以及红外等检测器。车辆检测器是高速公路和城市交通道路监控系统中不可缺少的组成部分，主要是通过数据采集和设备监视等方式，向监控系统中的信息处理和信息发布单元提供各种交通参数，作为监控中心分析、判断、发出信息和提出控制方案的主要依据。因此，车辆检测器及其检测技术水平的高低直接影响到公路交通监控系统的整体运行管理水平。

对于交通自动控制检测和数据采集起了很大作用当前用得最广的是环形线圈检测器。环形线圈车辆检测器出现于20世纪60年代，自从出现了用于监控和观测道路交通的磁感应技术后，感应线圈检测器的发展非常迅速。这种检测器可以检测车辆经过时引起的磁场变化，这种技术称为车辆磁场测量,与其它检测技术相比更稳定、可靠、易于维护。

随着微电子技术、信息处理技术的发展，特别是近年来智能车路系统的飞速发展，基于环形线圈的交通检测器也在不断改进。美国的一家公司研制出一种免维修环形线圈系统，这种检测器借助于聚丙烯护套核对线圈内部实行橡胶一沥

青充压处理，克服了以往环形线圈所存在的安装要求高、线圈易损坏等大多数问题，使线圈寿命保持在1O年，这是感应线圈检测器在质上的一个飞跃。目前环形线圈检测器仍以高准确率，低成本，和高可靠性而被大量便用。

线圈检测技术的发展已很成熟，国内外生产厂家也较多，价格相对合理，被高速公路广泛采用，特别是城市道路公安交警用于抓拍违章车辆也常用这种方法¨”。从对交通检测器的介绍中可以看出，交通检测器的种类很多，并且不同的检测方法各有其不同的优缺点。但是环形线圈检测器仍然是目前交通控制中应用中最广的交通量检测器，是道路监控系统中非常重要的一部分。利用线圈感应来检测交通参数是目前世界上技术较为成熟的检测方法，可以获得当前监控路面的交通量、占有率、速度、车型等数据，并以其检测功能全面、检测精度高、检测数据准确、可靠、灵敏度高、受环境气候影响小等优点，在相当长的时间内仍是国内主流的交通检测产品。随着线圈检测器设计精度和可靠性的提高，它将在我国智能交通系统中发挥更大的作用

1.1.2传统车辆检测系统的不足

1.检测精度低。检测域为锥形，无法适应车型和车辆高度的变化，存在车辆相互遮拦问题。特别是小车紧贴着大车行驶时，往往出现漏检。严重拥挤时，误报率也很大。

。 2.抗干扰能力弱，六级以上大风使检测声束产生漂移，无法正常检测。

3.对公路的路面会造成破坏，影响路面寿命，因为线圈车辆检测器的使用需要预先在每条车道下埋设线圈，那必然要先切割路面。

4.使用寿命不长，一般就为一年左右。因为长期使用后，线圈容易被重型车辆、路面修理等损坏，更换线圈时工作量较大。而且施工时需要封闭车道，这也影响了交通。

5.对于跨车道行驶的车辆还不能正确识别处理，这需要在硬件上或软件上做相应的改进研究。

1.1.3 我国车辆检测系统的发展状况

早在20世纪20年代末，国外就已经将车辆检测器用于道路的交通信号控制中。经过了这么多年的研究与试验，车辆检测技术达到了一个很高的水平。还有，出于对交通安全的重视，国外的发达国家通常将道路的监控放在首位。一旦哪里发生了交通事故，就可以及时赶到现场救助当事者并及时疏导交通，要做到这一点，没有先进的车辆检测技术是不行的，强烈的需求刺激了国外检测器研究的飞速发展。

随着对检测技术的研究增多，检测技术也就变得多种多样。20世纪90年代，美国的一些研究机构分别针对这些车辆检测技术进行了一系列的测试。其中比较权威的有美国联邦公路局赞助的休斯航空公司和Let propusion实验室进行的测试，以及加利福尼亚州立理工大学、明尼苏达交通部和德克萨斯交通研究院的测试。通过不同机构的测试报告反映出，所有的非接触式检测器都有着各种各样的问题，都将影响到检测的精度

随着我国汽车保有量的不断增多和汽车技术的不断进步，在交通部门统筹规划、合理布局的政策引导下，为在用车辆技术状况进行监控和维修质量控制提供服务的汽车检测行业得到了迅速发展，目前已建成各类窀生能检测站１１００多个，一个布局基本合理、能力配套、管理有序、方便快捷的汽车综合性能检测网络已基本形成，为保障车辆完好的技术状况、监督检查汽车维修质量、提高道路运输能力提供了有力的技术支持和保障作用。

汽车综合性能检测是综合利用各种现代的检测技术和检测设备，在汽车不

解体或不完全解体的前提下，判断车辆技术状况、查明故障部位和原因的一种技术手段，主要对汽车的动力性、经济性、安全性、可靠性以及噪声、污染排放等状况进行检测，并提供公正的、科学的数据。汽车综合性能检测站是车辆技术管理现代化的一个重要标志，是实施在用车辆技术管理的手段。汽车综合性能检测站在汽车二级维护竣工检测、车辆技术等级评定检测和汽车大修竣工质量检测以及接受委托而乾地的专项检测方面发挥了积极的作用

1.1.4 研究的意义

地感线圈车辆检测器是目前国际上最通用、使用范围最广的车辆检测器。它以技术成熟、易于掌握、计数准确等优点成为最流行的车辆检测器。在国内研究和生产车辆检测器的企业还不是很多，况且产品在质量上和技术上都有待提高。所以应该在着眼于现有车辆检测器的基础上对其性能进行改进。研发出性能价格比更具有竞争力的同类产品，不仅具有巨大的经济效益，而且具有更大社会效益。我国东部建设已经取得了长足进展，在智能交通方面也有很大的改观，但是我国西部正处于大开发阶段，需要大量地招商引资以带动地方经济的发展。西部开发交通先行，如何加快西部地区交通基础设施的建设，增强西部的可持续性发展，对于广大的从事智能交通系统研究和开发的人员来说，更具有时代的紧迫感和历史的使命感。所以随着西部经济的发展和社会的进步，对交通的发展会有更高的要求，为了防止在道路方面的重复性建设，在修建道路的同时，就必须引入智能交通系统产品，做到一步到位．从而避免二次开发所带来的人力、物力和财力的浪费。这样就要求有自己的大量的高技术、高质量的智能交通产品。随着我国经济发展和高速公路通车里程的增加、高速公路车流量的日益增长，高速公路监控系统的作用越来越突出，交通流数据采集和交通事故检测是监控系统的重中之

重。基础交通信息和交通事故主要包括车流量、车速、车间距、车辆类型、道路占有率、车辆违章信息、交通事故检测等。而车辆检测器作为交通信息采集的一个重要组成部分，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。而车辆检测技术水平的高低直接影响到高速公路和城市道路监控系统的整体运行和管理水平。因此研究出性能更好的检测器对智能交通系统来说，意义是非常大的。

1.2 总体方案设计

本次设计是采用环形线圈车辆检测器的基本原理，结合模拟电路，实现对对经过车辆的检测。振荡电路产生正弦波，经过电压跟随器以及放大电路放大幅值，使信号更加明显，再通过滤波电路使通过20KHZ到100KHZ的频带，最后通过整形电路使正弦波转换为矩形波，方便后面检测系统的测量，最后是检测电路，实现对采集数据的计算和整理。

2单元电路的设计

2.1感应线圈的工作原理及输出信号的特点

环形感应线圈的工作原理：环形线圈是本电路的电感元件，当电流通过环形线圈时，在其周围形成一个电磁场，当车辆通过环形地脉线圈或停在环形地埋线圈上时车辆自身铁质切割磁通线，将导致环形线圈回路电感量的变化，而线圈电感量的变化又引起车辆检测器的LC振荡电路的振荡频率和相位相应也发生变化。因此，检测器通过检测该电感变化量就可以检测出车辆的存在。因为电感量的变化表现为频率的变化和相位的变化，所以，检测这个电感变化量一般来说有

两种方式：一种是利用相位锁存器和鉴相器，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。

4

输出信号的特点：振荡电路产生正弦波，Q值愈大，曲线愈陡，选频特性愈好。

2.2振荡电路的设计

振荡电路的作用主要是将环形线圈的电感变化转换为输出波形频率的变化，通过频率变化达到车辆检测的目的

本设计才用电容三点式振荡电路

电容三点式振荡电路是指两个电容的3个段分别接在晶体管的3个极。又称为电容反馈式振荡电路或科皮兹式振荡电路。其特点是：

1.输出波形较好。这是由于反馈电压取自电容，而电容对于高次谐波阻抗较小。

2.振荡频率较高，一般可达100MHz以上。

3.调节电容可以振荡频率，但同时会影响起振条件。因此，这种电路适用于固定频率的振荡。

三点式振荡器，是指LC振荡器中选频网络有两个电容、一个电感或者两个电感、一个电容组成的振荡器。一般LC振荡电路在直流通路正常情况下判别能否振荡时由于振幅条件不便于判别，只看相位条件即可，只要相位条件满足，我们就说它能够振荡。振荡电路中的放大器可以是运放，也可以是由晶体管或者场效应管组成。对于由运放组成的电路，相位条件相对来说比较好判别；由晶体管或者场效应管组成的放大电路，要判别相位条件对学生来说有一定的难度。要正确判别相位条件需要先分析放大电路的组态，再看反馈信号与输出信号之间的相位差，两者判断错一个也得不到正确的结果。

在LC谐振回路Q值足够高的条件下,电路的振荡频率为

C2的关系很小，所以三极管的极间电容改变时，对fo的影响也很小。

2.3 放大电路的设计

2.3.1电压跟随器的设计

在电路中，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。电压跟随器作为缓冲级(buffer)及隔离级。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。

图2.电压跟随器电路

2.3.2放大电路设计

本设计采用同相比例放大电路

同相比例放大电路（图3）的输入信号是从集成运放的同相输入端引入，输出信号按比例放大，并与输入信号同相。

电压放大倍数，即输出电压与输入电压的幅值成正比，且相位相同，因此，实现了同乡比例运算，比例系数只取决于电阻Rf

与R1的阻值的精确度和稳定性决定了比例运算的精度。可根据需求调节上述两电阻的阻值，从而获得自己所需的电压放大倍数。

图3,放大电路

2.4 滤波电路的设计

由相关资料可了解到，振荡电路的频率约在20k 到100k 之间，故需保证频率在一定阈值，故需在放大电路后面增加一带通滤波器，这样便提高了检测的准确性和抗干扰能力。本文设计的带通滤波电路设计的中心频率f0为50kHZ ，可通过振荡电路的输出频率范围内值。

当取R2=2R ，R8=R=10k ，C1=C2=320pf 时，滤波器的中心频率计算公式为

061

2f R C

π=

= 50kHZ

有计算公式得

通带电压放大倍数：

\

品质因数求得为：

通带宽度B为：

符合预预期结果

图4，带通滤波器

2.5 整形电路的设计

由于振荡电路产生的是正弦波，不利于后面的处理器采集频率，所以这里要设计整形电路，将正弦波整形为矩形波，本设计才用较为简单的电压比较器---过零比较器。

电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。

电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：

当”＋”输入端电压高于”－”输入端时，电压比较器输出为高电平；

当”＋”输入端电压低于”－”输入端时，电压比较器输出为低电平；

电压比较器的作用：它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。

过零比较器就是翻转阈值为零的比较器。无工作区域之说，比较器实质就是开环状态工作的误差放大器，以阈值为界，小于阈值则输出一个逻辑，大于则输出与刚才相反的逻辑，达到区分比较结果的目的。至于是不是单值要看是否有迟滞量存在。

两只稳压管稳压值不同

在实用电路中为了满足负载的需要，常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的U OH和U OL，如图（725）(a)所示。图中R为限流电阻，两只稳压管的稳定电压均应小于集成运放的最大输出电压U OM。设稳压管D Z1的稳定电压为U Z1，稳压管D Z2的稳定电压为U Z2，U Z1和U Z2的正向导通电压均为U D