基于单片机的车流量测量系统设计本科毕业设计论文.doc
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1、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
2、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
3、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 w
4、ith 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 sinusoi
5、dal 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 e
6、xamination 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 osci
7、llator circuit、Digital display 目录 第1章序言21.1 课题背景21.2 课题研究的目的和意义21.3 课题研究的发展趋势21.4 本文主要研究内容3第2章 系统主要研究内容32.1 车辆检测原理42.2 系统硬件原理框图62.3 系统软件原理框图7第3章 硬件设计-检测电路部分73.1 检测线圈设计73.2 LC振荡电路设计73.3 整形电路设计73.4 波形变换电路设计7第4章 硬件设计-单片机电路部分74.1 测频电路设计74.2 显示电路设计7第5章 软件设计75.175.275.375.475.57第6章 试验结果分析7第7章 总结和展望77.1全文总
8、结77.2展望7第8章 总结和体会7致谢7参考文献:8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,
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、,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:线圈电感,决定于线圈几何尺寸及匝数;线圈电阻;线圈阻抗,;车辆涡流回路中的等效电阻;车辆涡流回路中的等效电感;互感系数,取决于线圈与车辆靠近程度。根据基尔霍夫定
15、律,存在如下关系: (2.1) (2.2)由式(2.1)、(2.2)可得 (2.3) (2.4)由(2.3)可得电感线圈总阻抗为 (2.5)可知此时线圈的等效电感: (2.6)由上式(2.6)可见电路参数为的函数,电路振荡频率取决于环形线圈的等效电感和电容,即,当为常数,电路中振荡频率取决于线圈等效电感。当线圈磁场内无车辆存在时,有 =0,=,:当车辆靠近线圈时,将变大,变小,变大;反之,当车辆远离线圈时,将变小,变大,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
16、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: 是利用相位锁存器和相位比较器,对相位的变化进行检测 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1020mm下,通有一定
17、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: 测得当环形线圈的频率为 20 kHz 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
18、量) 明显减小。因此:此设计中取中心频率=50kHz。 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11.5mH。 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500750HZ),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=50kHz。3.2 LC振荡电路设计在实践中,广泛采用各种
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