毕业设计（论文）-基于红外的单侧车辆分离器.doc

二二 一一 四四 届届 毕毕 业业 设设 计计 基于红外的单侧车辆分离器基于红外的单侧车辆分离器 学学 院：信息工程学院院：信息工程学院 专专 业：电子信息工程业：电子信息工程 姓姓 名：名： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 完成时间：完成时间： 二二一四年六月一四年六月 基于红外的单侧车辆分离器 装 订 线 装 订 线 装 订 线 摘摘 要要 随着公路交通和自动化技术的发展，人们对于公路自动收费系统服务水平的要 求越来越高，最主要的服务水平是通行速度,这就要求我们要不断的改进收费技术， 逐步完善系统，开发新型的车辆分离器，实现的高效的车辆分离有很大的必要性， 本系统采用红外反射的技术，应用了红外不可穿透物体和良好的定向性，实现车辆 的检测。该系统电路主要分为三个部分，主控电路、发射电路和接收电路.其中主控 电路选择了 TI 公司的 MSP430 芯片，发射电路采用了 NE555 和 LM567，产生以 40KHZ 为载波的已调信号，最终经红外发射 LED 发射红外线，接收部分选择了一体化接收 头 HS0038，经解调得到了 LM567 产生的调制信号，利用 LM567 锁相环的原理，控制 输出电平的高低，主控芯片采集到电平变化，从而采取相应的动作。相比较传统的 双侧车辆红外分离器，单侧车辆分离器具有安装方便，成本低廉，节省安装空间， 允许车辆高速通行等优点，而且单侧车辆分离器解决了双侧车辆分离器不能实现非 正常车辆分流的弊端。在今后的 EWTC(不停车货车计重收费系统中)中具有很好的应 用前景。 关键词：红外,MSP430,单侧车辆分离器 基于红外的单侧车辆分离器 装 订 线 装 订 线 装 订 线 ABSTRACT The application of this system adopts the infrared reflection infrared cannot penetrate the object and good directionality, realization of vehicle detection. The system circuit is mainly divided into three parts, main control circuit, transmitting circuit and receiving circuit. The main control circuit has chosen the MSP430 chip of TI company, firing circuit NE555 and LM567, produced by 40 KHZ carrier modulated signals, finally through infrared launch LED infrared receiving part receiving head HS0038, chose the integration got LM567 modulation signal, the demodulation using LM567 principle of phase-locked loop to control the output level of master control chip collected level change, so as to take appropriate action. Compared to the traditional bilateral vehicle infrared separator, unilateral vehicles separator has convenient installation, low cost, save installation space, and unilateral vehicles separator solves the bilateral vehicles separator cant realize the disadvantages of shunt. In the future ETC (Electronic Toll Collection) has a good application prospect. KEY WORDS: infrared , MSP430 ,vehicles separator 基于红外的单侧车辆分离器 共 47 页 第 2 页 装 订 线 装 订 线 装 订 线 目目 录录 第一章 绪论.2 1.1 课题研究背景 .4 1.2 课题研究的目的和意义 .4 1.3 国内研究现状 .5 1.4 本文主要研究内容和章节安排 .5 第二章 红外理论知识.6 21 红外线的定义和特点 .6 21 红外线的应用 .6 22 本章小结 .6 第三章 红外车辆分离器.7 3.1 红外车辆分离器 .7 3.2 红外车辆分离器的发展前景 .7 3.3 双侧红外车辆分离器的原理和结构 .7 3.4 单侧红外车辆分离器的原理和结构 .8 3.5 单侧红外车辆分离器的优势 .8 3.6 本章小结 .8 第四章 系统方案实现.9 4.1 方案论证与设计 .9 4.1.2 方案可行性分析 .9 4.1.2 方案论证 .9 4.1.3 应用中关键性技术问题解决 .10 4.1.4 方案设计 .10 4.2 系统硬件框图 .13 4.3 硬件电路 .13 4.3.1 电源电路 .13 4.3.2 主控电路 .16 4.3.3 LM567 调制电路.20 4.3.4 NE555 发射电路.22 4.3.5 LED 驱动电路.25 基于红外的单侧车辆分离器 共 47 页 第 3 页 装 订 线 装 订 线 装 订 线 4.3.6 接收电路 .27 4.3.7 步进电机电路 .28 4.3.8 LCD 液晶显示电路.30 4.3.9 JATG 接口电路.31 4.4 系统软件框图 .32 4.5 本章小结 .33 第五章 系统测试.34 结论.35 参考文献.36 致谢.37 附录.41 基于红外的单侧车辆分离器 共 47 页 第 4 页 装 订 线 装 订 线 装 订 线 第一章 绪论绪论 1.1 课题研究背景 公路自动化收费系统中，自动栏杆挡车器是 ETC 车道设备中重要的组成部分。传统的自动 栏杆是通过单一的动感线圈来识别车辆通过，进而实现自动落杆。地感线圈通过车体金属切割 线圈经过传感器输出控制脉冲识别车辆，如当两辆车距离很近时，经常会出现跟车现象。当遇 到拖挂车之间的挂钩时又无法进行有效检测，出现砸车现象。因此本身特性就决定了其不可能 满足系统要求。对此一个新的产品应运而生，那就是红外车辆分离器，顾名思义车辆分离器就 是将车辆和车辆进行分离和计数。 传统的红外车辆分离器都是双侧的，最初的红外双侧车辆分离器采用一发一收的循环方式 形成的的光幕对车辆进行循环的检查。这样不仅增加了成本，而且当一个红外线接收头或发射 头出现故障将会出现丢失空间一个平面的检测光线, 大大降低了系统的检测精度，另外一方面 对环境的适应性也比较差。其后出现了改良后的高可靠性红外车辆分离器，其通过采用一发多 收循环扫描方法，实现了车辆更精准分离，也提高了系统的可靠性。 随着公路交通和自动化技术的发展，人们对于公路自动收费系统服务水平的要求越来越高， 最主要的服务水平是通行速度,这就要求我们要不断的改进收费技术，逐步完善系统。ETC 系统 是近年来推出的一种快速收费技术，但是当前的 ETC 系统主要是进行客车定额收费,而货车的计 重收费难以达到,为此,课题组进行了货车计重 ETC 收费系统(简称 EWTC 系统)的研究,其中车辆 分离器部分的改造,是课题的关键技术之一，因为如果车辆分离器无法实现车辆精确分离的话， 后继的其他操作将化为乌有。根据 EWTC 系统的要求,对于车辆分离器这部分，我们提出了更加 科学合理有效的方案，即基于红外的单侧车辆分离器方案。 基于红外的单侧车辆分离器，将红外发射和接收模块设计于一端，有效的提高了系统的有 效性和适应性，同时也极大的降低了成本。特别是在高速公路自动收费系统（ETC）和高速公路 计重收费系统（EWTC）中能发挥很大作用，对于多车道系统，单侧车辆分离器也能有效提高车 辆的通行速度。 1.2 课题研究的目的和意义 车辆分离器是一种应用于一般公路收费站、不停车收费系统（ETC） 、自动车辆分类系统 （AVC） 、公路计重收费系统（WIM） 、固定式超限检测站、海关车辆管理系统等的装置。车辆分 离器是实现以上系统基础，因此车辆分离器的性能直接影响到上述系统的效率，进而营销到交 通的效率。随着中国交通事业的飞速的发展，给车辆分离器提出了严峻的考验，车辆分离器不 仅要适应野外恶劣的环境，更重要的是要在高速的情况下实现车辆的准确分离，从而为车辆的 准确收费奠定基础。 传统的车辆分离器是基于红外的双侧车辆分离器，随着 ETC 等系统的不断发展，双侧车辆 分离器的弊端渐渐地暴露出来，其一它必须通过连接电缆安装在车道两侧， 基于红外的单侧车辆分离器 共 47 页 第 5 页 装 订 线 装 订 线 装 订 线 给它的安装带来了一定的不便。其二也是致命的弱点，它只能应用在单车道的 ETC 系统中，而 无法实现多车道的车辆分流，因此交通效率带来了一定的影响。针对以上问题，我们提出了适 应多车道的单侧车辆分离器。它弥补了双侧车辆分离器的不足，是 ETC 等系统进一步趋于完善。 1.3 国内研究现状 目前国内外的 ETC 车道，大多数还是应用的基于红外的双侧车辆分离器1-2，其在收费路 口的应用形式如下所示： 图 1 ETC 车道图 如上所述，它存在了种种缺陷，才有了单侧车辆分离器方案的提出，单侧车辆分离器方案的提 出无疑是一个新颖的观念，这也预示着它广阔的应用前景，相比传统的双侧车辆分离器，单侧 车辆分离器具有更好的适应性，经济性，在今后的发展中，它必将在 ETC 等系统中占有自己的 一席位置。 单侧车辆分离器的研究正处在初步阶段，相比较双侧车辆分离器来说，其研究成果较少，为此 有必要对此进行深入的研究。本文将以此为研究对象，通过红外反射的原理，解决单侧车辆分 离器的实现问题，目前基于红外的单侧车辆分离器的解决方案尚没有文献发表，也没有成熟的 产品，因此对此研究还存在了很大的挑战。 1.4 本文主要研究内容和章节安排 本课题属于基础应用设计，重点研究单侧车辆分离器实现的问题，利用红外反射的原理， 并结合当今传统双侧车辆分离器设计，设计其硬件电路，并分析其性能。 为此本论文的具体内容安排如下: 第一章为绪论。首先介绍了课题研究的目的和意义，说明了本课题的实际应用价值。然后 介绍了课题的国内研究现状，综述了车辆分离器的必要性，并指出传统车辆分离器的缺陷。然 后讨论了单侧车辆分离器的相关知识，说明了本课题的研究方向。 第二章为红外线的基础知识，阐述了红外独有的特点，并系统的介绍了红外传感器方面的 应用，正是它自身的特点和应用才给红外反射式的分离器的实现提供了理论上的支持。 双侧红外车辆分离器 基于红外的单侧车辆分离器 共 47 页 第 6 页 装 订 线 装 订 线 装 订 线 第三章为红外车辆分离器的相关知识，对车辆分离器进行结构上的分析，并指出其发展前 景，从而进一步证明了研究红外车辆分离器的目的、意义和必要性。单侧车辆分离器和双侧车 辆分离器的结构分析和对比，突出了单侧车辆分离器的优势，说明了本方案的创新型。 第四章是本文的重点，在本章中对整个系统的硬件和软件结构进行了详细分析和介绍，包 括公式的计算和电气连接的原理。 第五章是系统的测试数据，在两种测试环境中对该系统进行了测试，并计算了系统的成功 率，其后进行了误差的分析，提出了该系统目前尚存在的缺陷和需改善的地方。 在本文的附件中我提供了本系统的硬件电路框图、软件源代码和系统的实物图。 最后本文归纳了本人对此次基于红外的单侧车辆分离器所做的工作和研究成果以及新的体会， 并对其存在的不足和发展做了展望。 基于红外的单侧车辆分离器 共 47 页 第 7 页 装 订 线 装 订 线 装 订 线 第二章第二章 红外理论知识红外理论知识 21 红外线的定义和特点 红外线是一种波长介乎微波与可见光之间的电磁波，其波长在 760 纳米至 1 毫米之间的光 线，是波长比红光长的非可见光。所有高于绝对零度的物质都可以产生红外线。现代物理学称 之为热射线。红外线可分为两类：近红外线与远红外线。含热能，太阳的热量主要通过红外线 传到地球。红外线是太阳光线中众多非可见光线之一，由英国科学家赫歇尔于 1800 年发现，又 称红外热辐射，他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试 图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的温度计升温最快。因此他得到一 个结论：在太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。也可以当作传输 之媒介。太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为 0.751000m。红外线可分为三部分， 即近红外，波长为(0.75-1)(2.5-3)m 之间；中红外线，波长为(2.5-3)(25-40)m 之间； 远红外，波长为(25-40)l000m 之间。 红外线容易获得具有热效应，穿透云雾的能力强，具有很好的定向性，使得其广泛应有于 医疗军事等领域。在本方案中主要利用了红外线的定向性，和穿透能力强以及易反射的特点。 正是红外线本身的性质使得其适合作为车辆分离器的传输介质，从而保证了方案的可行性。 22 红外线的应用 红外线的应用领用相当广泛，在医疗和成像等方面均有应用，其在医疗上的应用 主要是红外线辐射治疗仪，如图所示： 图 2 红外辐射治疗仪 主要原理为红外线照射体表后，一部分被反射，另一部分被皮肤吸收。皮肤对红外线的反 射程度与色素沉着的状况有关，用波长 0.9 微米的红外线照射时，无色素沉着的皮肤反射其能 量约 60%；而有色素沉着的皮肤反射其能量约 40%。长波红外线（波长 1.5 微米以上）照射时， 绝大部分被反射和为浅层皮肤组织吸收，穿透皮肤的深度仅达 0.052 毫米，因而只能作用到 皮肤的表层组织；短波红外线（波长 1.5 微米以内）以及红色光的近红外线部分透入组织最深， 穿透深度可达 10 毫米，能直接作用到皮肤的血管、淋巴管、神经末梢及其他皮下组织。 在成像方面其应用更为广泛，红外相机、红外夜视仪早已是众所周知，如下所示： 基于红外的单侧车辆分离器 共 47 页 第 8 页 装 订 线 装 订 线 装 订 线 图 3 红外相机 图 4 红外夜视仪 红外热成像原理并不神秘，从物理学原理分析，人体就是一个自然的生物红外辐射源，能 够不断向周围发射和吸收红外辐射。正常人体的温度分布具有一定的稳定性和特征性，机体各 部位温度不同，形成了不同的热场。当人体某处发生疾病或功能改变时，该处血流量会相应发 生变化，导致人体局部温度改变，表现为温度偏高或偏低。根据这一原理，通过热成像系统采 集人体红外辐射，并转换为数字信号，形成伪色彩热图。 23 本章小结 本章主要介绍红外线的相关知识，从红外线的定义、如何产生等方面进行阐述，并提出了 红外线独具的优势，进一步揭示为何选用红外线而不选用超声波等作为车辆分离的传播介质。 给红外车辆分离器的实现提供了理论上的支持，进而证实整个系统的可行性。 基于红外的单侧车辆分离器 共 47 页 第 9 页 装 订 线 装 订 线 装 订 线 第三章第三章 红外车辆分离器红外车辆分离器 31 红外车辆分离器 红外线车辆检测器的原理是通过线性排列的红外光发射和接收来实现对车辆的同步扫描， 并将光信号转换为电信号，从而实现对车辆数据的综合检测，与其它检测技术相比，红外线车 辆检测器产品技术成熟，安装简便，高速响应，抗干扰性强，可输出丰富的车辆数据信息，能 可靠检测各种特殊车辆。红外线车辆扫描系统主要用于：一般公路收费站、不停车收费系统 （ETC） 、自动车辆分类系统（AVC） 、公路计重收费系统（WIM） 、固定式超限检测站、海关车辆 管理系统等。目的在于能够完全消除跟车现象，并将半挂车、全挂车、单车可靠分离。保证系 统收费数据与车辆的一一对应关系，不会出现由于误判而出现的多车或少车的现象。 3.2 红外车辆分离器的发展前景 随着中国交通事业的发展，不停车收费系统（ETC）必将取代人工收费成为高速路收费的 主要形式，而红外车辆分离器作为 ETC 系统不可或缺的一部分，具有广阔的应用前景。开发新 型车辆分离器意义重大。红外分离器的好坏，直接决定了 ETC 系统的效率。现行的双侧车辆分 离器具有种种缺陷，从而使得 ETC 系统并不完善。因此有必要对红外车辆分离器进行研究。 3.3 双侧红外车辆分离器的原理和结构 双侧红外车辆分离器原理图如下所示： 图 5 双侧车辆分离器原理图 一套完整的双侧红外车辆分离器包括： 发射器和接收器：发射器内置线性排列的高能量发光元件（LED） ，接收器内置与发射器数 量相同的接收元件，发射器和接受器的对应光电元件按顺序同步触发，检测光路是否导通，当 汽车通过扫描区域的时候，部分或者全部光束被遮挡，从而被检测出。 基于红外的单侧车辆分离器 共 47 页 第 10 页 装 订 线 装 订 线 装 订 线 控制单元：负责读取并处理发射器/接收器的同步扫描信号，同时检测光幕工作状态，并提 供多种输出信号，例如：开关量输出、串口输出或模拟量输出。考虑到系统的可靠性和安装的 简便性等，市场上普遍使用的车辆分离器都是控制器内置的两箱式产品，而没有安装独立的外 置控制器。 电缆线：连接发射器/接收器与控制器的连接电缆，一般长度为 5-10m. 防护外罩：不锈钢或铝合金材料，为分离器提供可靠地防护，内置电加热玻璃、温度控制 器、湿度控制器等控制设备，在湿度过高、温度过低的时候实现自动加热，以保证车辆分离器 在潮湿、雨雪天气、寒冷季节等恶劣环境中可靠使用。 3.4 单侧红外车辆分离器的设计原理和关键问题 由双侧车辆分离器我们提出了单侧车辆分离器，二者在原理上具有很多的相同之处，又存 在了种种差异，单侧车辆分离器应用了红外线的反射特性，由于在反射过程中出现的种种损耗， 相对于双侧车辆分离器的发射装置单侧车辆分离器要具有更大的发射功率以保证其反射距离。 另外单侧车辆分离器无连接电缆。在其他的方面，其沿用双侧车辆分离器的优势所在。其原理 图如下所示： 图 6 单侧车辆分离器原理图 红外单侧车辆分离器存在的问题主要有两点，其一是太阳光线干扰，太阳本身就是一个巨 大的红外线光源，其产生的红外线会使得分离器产生误判，导致车辆无法正常的分离。其二是 光线泄露的问题，由于反射装置和接收装置是在一起的，红外 LED 产生的红外线可能没有经过 反射而直接被接收，从而引起误动作。对此我提出以下的解决方案，对于干扰来说方法有两个， 一是在一体化接收头增加滤镜装置，滤除阳光中的红外线。二是选取的更合适的调制频率，使 得接收装置对阳光中的红外线灵敏度降到最低。对于光线泄露问题主要的解决方法是安装形式， 起初在本方案中采用的是同一平面安装，由此引发的光线泄露相当之严重，后来采用了一前一 后的安装形式，效果好了很多，但是还是存在少量的光线泄露，对此提出接收灯罩的解决办法， 研究一种即可聚光又能遮挡泄露的红外线的灯罩，这对灯罩的样式和材质都有一定的要求，目 前正在查阅相关资料进行设计。 基于红外的单侧车辆分离器 共 47 页 第 11 页 装 订 线 装 订 线 装 订 线 3.5 单侧红外车辆分离器的优势 在上一节中我们对两种车辆分离器在原理和结构上做了介绍，单侧车辆分离器的优势当然 也就不言而喻了。目前的双侧车辆分离器只适用于单车道的情形，随着交通事业的发展，多车 道 ETC 车道必将成为主流形式，这就给单侧车辆分离器提出了严峻的考验，对单侧车辆分离器 来说这恰恰是一个机遇，单侧安装的它，适应了多车道的要求，实现了车辆的分流。其安装更 为方便，节省了大量的空间，降低的成本。无连接电缆使得其更稳定。应该说单侧车辆分离器 更适应时代发展的要求。 3.6 本章小结 本章对红外车辆分离器进行了系统的介绍，并对其发展做了展望。分别从原理和结构上对 单侧和双侧车辆分离器做了阐述，对当下传统的基于红外的双侧车辆分离器进行了介绍，对我 们所要研究的基于红外的单侧车辆分离器做了揭示，并通过对比了提出单侧车辆分离器独具的 优势。进一步证实了本课题的研究价值。 基于红外的单侧车辆分离器 共 47 页 第 12 页 装 订 线 装 订 线 装 订 线 第四章第四章 系统实现方案系统实现方案 4.1 方案论证与设计方案论证与设计 4.1.2 方案可行性分析 现在公路交通中使用的均为红外双侧车辆分离器，红外双侧车辆分离器分为红外发射端和 红外接收端两个部分，分别设置在车道的两端，由一端发射红外信号，另一端接收红外信号。 两个部分也分别由发射控制模块，发射模块和接收控制模块，接收模块组成。通过一端发射红 外信号，一端接收红外信号，然后通过信号接收逻辑实现车辆分离。 我们想到为什么不能做成单侧车辆分离器，使系统更强大有效了？于是我们想到是否能将 发射器与接收器部分集成于一端，由同一控制模块进行控制，然后通过接收器接收状况进行逻 辑分析从而实现车辆分离。 让红外接收器与发射器在一端，又如何实现红外信号的接收呢？于是我们又想到利用红外 的反射原理，设计出反射式红外线传感器电路，发射器发射红外信号，集成于同一大模块的接 收器接收在车辆上反射回的红外信号。而反射式红外传感器在现实生活中已经有了广泛的应用， 例如：自动玻璃门、节水型沐浴器、厕所大小便节水器、自动洗手器、自动干手器、红外线报 警器等控制电路。这就使得我们方案在理论上成为了可能。 4.1.2 方案论证 现在公路交通中使用的均为红外双侧车辆分离器，红外双侧车辆分离器分为红外发射端和 红外接收端两个部分，分别设置在车道的两端，由一端发射红外信号，另一端接收红外信号。 两个部分也分别由发射控制模块，发射模块和接收控制模块，接收模块组成。通过一端发射红 外信号，一端接收红外信号，然后通过信号接收逻辑实现车辆分离。 我们想到为什么不能做成单侧车辆分离器，使系统更强大有效了？于是我们想到是否能将 发射器与接收器部分集成于一端，由同一控制模块进行控制，然后通过接收器接收状况进行逻 辑分析从而实现车辆分离。 让红外接收器与发射器在一端，又如何实现红外信号的接收呢？于是我们又想到利用红外 的反射原理，设计出反射式红外线传感器电路，发射器发射红外信号，集成于同一大模块的接 收器接收在车辆上反射回的红外信号。而反射式红外传感器在现实生活中已经有了广泛的应用， 例如：自动玻璃门、节水型沐浴器、厕所大小便节水器、自动洗手器、自动干手器、红外线报 警器等控制电路。这就使得我们方案在理论上成为了可能。 4.1.3 应用中关键性技术问题解决 背景噪声影响 基于红外的单侧车辆分离器 共 47 页 第 13 页 装 订 线 装 订 线 装 订 线 背景噪声干扰是光电接收装置的一个难点.阳光中有丰富的红外成分,收费车道内车辆本身 就是红外源,这些背景噪声造成接收光敏管工作点移动,严重时可能淹没信号或使接收管饱和,使 设备无法正常工作,为此我们采取了以下解决措施: 提高发射功率,降低接收灵敏度 提高接收电路 Q 值 精确选择光敏接收管下偏电阻,防止光敏管进入饱和区 设计防光罩防止阳光干扰 雾或霜的影响 由于分离器箱内元件发热造成内外温差,使红外发射接收窗口玻璃上凝结露珠或霜,这些露 珠或霜折射衰减了红外光线,使接收信号变弱,严重时会使设备无法工作,为解决这一问题我们采 取了以下措施: 窗口玻璃选用不易结露水或霜的材料 发射功率,接收灵敏度留有余量,保证少量露水或霜对光线的衰减不至于使设备不能工作. 雨水的影响 下雨时,雨水打到红外窗口玻璃上会形成水珠,产生与露珠和霜一样的影响,为解决这一间题 我们采取了以下措施: 收发窗加防雨罩 发射功率,接收灵敏度留有余量 行驶车辆影响 由于进入分离器的车辆类型、长度、大小、样式各不相同。当车辆经过分离器时，必须得 考虑车辆长度、高度、制造材料、车速等因素对红外光的反射的影响，为解决这一问题我们采 取了以下措施： 提高发射功率，提高接收电路 Q 值 在装置中安装多个红外反射式传感器，而且要不规则的安装，以保证各个方向都能接收 到反射回来的红外信号。 安装技术分析 由于本设计要求当车辆进入车辆分离器扫描区域时，发射出去的红外信号能够经车体反射， 由接收器进行接收。为了保证车体经过时能够将发射器发出的红外信号反射出去，同时也能够 合理的在装置中布置传感器而减少成本，因此需要对各种车辆车轮，车身都要有一定的分析。 通过查询相关资料，一般小轿车车辆高度为 1.5m 左右，车轮直径一般为 0.5m 左右；一般的货 车高度为 34m，车轮直径一般为 12m。故在一般的车道中单侧车辆分离器的传感器布置应该离 地面有 0.54m，在 EWTC 车道中由于主要是对货车进行车辆的分离，故其传感器布置应设置离地 高度 1m4m。 4.1.4 方案设计 一套完整的红外车辆分离器包括： 发射器和接收器：发射器内置线性排列的高能量发光元件，接收器内置与发射器数量相同 的接收元件，发射器和接受器的对应光电元件依次按顺序同步触发，检测光路是否导通，当汽 车通过扫描区域时，部分或全部光束会被反射回来，由接收器进行接收。 基于红外的单侧车辆分离器 共 47 页 第 14 页 装 订 线 装 订 线 装 订 线 控制器：为发射器和接收器提供电源，读取并处理发射器/接收器的同步扫描信号，同时检 测光幕工作状态，提供多种输出信号，如：继电器输出、串口输出、模拟量输出。 电缆线：连接发射器/接收器与控制器的接插电缆。 防护外罩：为不锈钢或冷扎钢板喷塑材料，为分离器提供防护，内置电加热玻璃、温度控 制器、湿度控制器，在湿度过高、温度过低时实现自动加热，以保证车辆分离器在潮湿地区、 雨雪天气、寒冷季节可靠使用。 发射信号选择 方案一：超声波。超声波是一种频率高于 20000 赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强， 易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消 毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上 限而得名。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律没有本 质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超 声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的 波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波 长越短，该特性就越显著，但是在自然界很多动物也可产生超声波，这就给其带来了很大的干 扰。 方案二：红外线。红外线发射距离远，并且具有良好的定向性，其不可穿透物体、易反射 的特性，决定了它适合作为反射式红外传感器的介质。红外线易产生，操作方便使得其广泛运 用在遥控，测距等方面。因此我们选择了方案二。 发射电路方案设计 方案一：软件发射。此处的软件发射即用单片机产生波形，然后加以调制。最终实现发射 信号的产生，用单片可以产生任意频率的波形，但是对于此处需要调制的波形，用单片来实现 存在了很大的难度，另外软件的方法存在了一定的不稳定性。 方案二：硬件发射。硬件发射电路分为两部分其一是 NE555 振荡电路，其二是 LM567 调试 电路。硬件方法，相比较软件来说，硬件电路的稳定性更好，NE555 定时器是一种集模拟、数字 为一体的中规模集成电路，广泛用于信号的产生，其产生的信号具有频带宽，误差小的特点， 最大负载电流颗达到 200mA，对于后继电路的驱动提供了方便，另外 NE555 还具有功耗低、输入 阻抗高的特点，音频编码器 LM567，是 TI 公司专用的编解码芯片，频率范围在 0.01Hz 到 500KHz，接收范围在 0到 14可调，广泛应用在红外控制电路。所以此处选择此方案二。 接收电路方案设计 方案一：光电二极管。光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个 PN 结 组成的半导体器件，具有单方向导电特性。但其在电路中不是作整流元件，而是负责把光信号 转换成电信号的光电传感器件。普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的 反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使 PN 结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二 极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反 向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光 电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。然而光电二极管产 生的电流是十分微弱的，这种信号无法根本无法进行检测，因此要在其后级加入放大电路解调 电路等一系列的辅助电路，使得整个系统变得相当复杂。 基于红外的单侧车辆分离器 共 47 页 第 15 页 装 订 线 装 订 线 装 订 线 方案二：一体化接收。一体化接收电路红外接收电路通常被厂家集成在一个元件中，成为 一体化红外接收头。内部电路包括红外监测二极管，放大器，限幅器，带通滤波器，积分电路， 比较器等。红外监测二极管监测到红外信号，然后把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲 幅度控制在一定的水平，而不论红外发射器和接收器的距离远近。交流信号进入带通滤波器， 带通滤波器可以通过 30khz 到 60khz 的负载波，通过解调电路和积分电路进入比较器，比较器 输出高低电平，还原出发射端的信号波形。注意输出的高低电平和发射端是反相的，这样的目 的是为了提高接收的灵敏度。红外接收头内部放大器的增益很大，很容易引起干扰，因此在接 收头的供电脚上须加上滤波电容，一般在 22uf 以上。在此选择了市场上较为常用的 HS0038，其 接收频率范围为 38KHZ 左右。由此看来使用一体化接收方案使得整个电路的复杂性和集成化都 有很大的改善。因此选择了此方案。 控制电路方案设计 方案一：STC89C51 单片机。STC89C51 单片机