（电机与电器专业论文）汽车挡车控制系统的研制.pdf

汽车挡车控制系统的研制 d e v e l o p m e mo f a u t o m o b i l eb l o c k a d e rc o r l n o ls y s t e m a b s n 锹 i t s ，i n t e l l i g 锄tt r a 璐p o r t a t i s y s t c m ，h 嬲c 咖ei n t ob e i n gi nt h e c e my e a 瑙鹞m e t e c h n o l o g yo fe l e c 仃o n i c 试f o m 枷o nh 船b 嘲a p p l i e di nr a p i d l y - d e v e l o 曲呜妞m s p o r 眦i o nn 毋眦h e s i z c dt h et e c h n o l o 西e so fa d v a n c e di n f o 明枷o np | _ o c e s s i n g ，c o m m l l i l i c 砒i o l l e l e c t r o i l i c c 咖la n dc 伽p u t e fp i d c c s s i n 岛e t c t h er e a l 也e ，i l i t y 锄dh i g h - s p o e ds y s t e mo f 位m s p 0 删o nh a sb 啪s e tu pa c c o 柑i l l 西y w i t hav i e w t o t h eb 鹄i c 趾d t i l c m o s t i n l p o r 眦 p a r to f i t s ，t b i sp a p c r a 曲e do nd e b e c 咖gi n f - o m l a l i 衄o f v c h i c l e si n 以p r c s s w a yf o ri t s w eh a v ed i l l s s e d 蟛p r i n c i p l eo f d e t e c t i i l gi 1 1 f o i m 撕o no f v e h i c l e s 锄dn 圮i m p l 锄磁n a 虹o n ， a n d ，d e s i g r 砌as q e n 哇s o l yc 伽打o i 舡i dd a _ t aa c q l l i s i t i o ns y s t e mf o r 删ci n f 0 衄1 a 畦o nh i s e d o n t h e 芦i n c i p l e o f d 缸埘n 哩皿e t i c i n d l 烈i o n 1 1 l i sp a p 盯i i l 廿0 d i l c e sh o wt 0 a l i 仃a m ci i l 】f o r m a t i c o n c c 自叫b ys i n g i cc h i p m i c r o c o m p l l t e r p r e s 即【协s 嘲ec l l i e fi n t e r f k ec i r ；c i l i t 衄d 舀v 韶m em e t h o d so ft 暇陆c i n f 0 珈枷o nc o l l e c t i n g 舳dd a l ap r 0 s s i n g t h es 虮l c t u r ea i l d 陀a l i z a t i o nm e t l l o do fak 砌o f m o v i n gv e h i c l ed e 鼢a f e 锄b n o d l | c e db yt h i sp 印盯t h cm o v i n gv e t l i d ed c t c 耽鸭w t l i c hi s k 翻习o ni l l d l l c t i v ec i r c l l l a r1 0 0 p ，d t ：t l 娥s 也ei n f o n m i t i o no fv c b j c l e s 觚“ r d i 】唱t ot h e i i l d l l c 吐v es i g n a l 舡i ds e n dt h ei n f o n m t i o nt ot b em a i nc 川加c o l l i n gc o m p u 缸 1 1 l co 呻p u ts i g n a lw 鹤c 咖e c t e dt om ei n p l i tp o r o fc c p ( c 印t u r 己，c o m p 鲫坍1 1 l s c w i d 也m o d u l 砸o n ) i n 屺p i c l 6 f 8 7 7 n t l 坼m c up i c l 6 f 8 7 7 锄q u i r en 伦o s c i l l a t i o n 衄邵l 如c y t h ei n d u c t a n c ec o i l 砌lv a r yw h e nm m o rv e l l i c l e sp 嬲s i n go v 叮吐呛诵n d i n g 1 h m n l eo i l l a l o r 丘叼u c n c y 谢ub ec h 姐g e d 1 k p 硒s i i l gv e h i c l e sc 趾b cd e t e c t e db yt t 圮c h 锄g c o fo i l l a t i o n 丘q u 豇l c y b a s c d t h e ，t h i sp a p 盯g i v e sad c t a i l c dd e r i 埘o ft h e s o r w a 觚dk d 、哪d e s i g n 锄di m p l 锄a 删o no fak c ye q u i p m e n to ft h es y s = t e 】m ，1 h ec 盯 i l s o r ，i n c l u d h 培t h es 旬m c t u 托姐do l 地啪n gp f i n c i p l c s o fh a r d w a 粥姐dt h es o f t w a a l g o r i t h m t h e ni td i u s st h e0 1 ) e r a t i i 培p 血c i p l e s 柚d 也ed e s i g n h e 眦o ft h ew h o l e s y s t e m 锄dt r a n 锄i tt l l ec o r r e 印o n d i n gd a ：t at 0t h cl l p p 啊c o m p u t c ri nt o l ls 蜥c o n 仃o lc 跏研 t h r o u g hr s 一4 8 5s e r i a lp o no f t h e t o l lc 0 衄p l 胤a n d a c c o r d i n gt ot h es t a t i s d cd a l e ，w ec 雒 c a l c i l l a t et l l e 仃墒cf l o wp 锄m e t e r so fv e l o c i 锣，1 既i g m ，册o f f ，d e n s i t y ，o c c u p a n c y 均l co f 一一 沈阳工业大学硕士学位论文 缸蛹c m a d a n ds o o n t h i ss y s t c n lh 嬲n o to n l yo v t 瓤，咖et h es h m t c 埘血go fd e p 曲d e n c y ，b u ta l s o 坞s e 缸c h e d f o rd c v e i o p i n g 也eb i g hp f o p c n yi m e l l i 卿te 叫p m e n ti nt h e o f ya n d p m c t i k e yw o r d s ：i n t e c t l i a l i z a 廿蛐，c a rs e n s o r i i a ue i 哪e n t ， s 咖a m h i pc o m p t e r i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：区! ! 至兰日期：兰! ：2 ：! ：垒 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名： 盘雹；y导师签名：马参竺日期：细盔寻日目 签名： 业乏弓y导师签名：马岁笙日期：细盔寻日侣 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源、意义及目的 近年来，随着国民经济的高速发展，普通公路和高速公路上的收费站的控制手段也 日益由人工向自动化过渡，其中最典型的如车辆到离检测、道闸栏杆抬落等前端操作步 骤已全部交由计算机控制，大大减轻了人工劳动强度，提高了通行效率。本文所研制的 汽车挡车器具有上述功能，对缓解我国目前交通控制设备功能不完善、质量不可靠、性 能不稳定，而交通量日益增大的矛盾有重要的实际意义。 挡车器是智能交通系统中最基本、也是最重要的部分。智能交通系统o t s - h n c l l i g t n a n s p o n a t i o ns y s t e m ) 是将先进的信息处理技术、数据通信技术、电子控制技术以及计 算机处理技术以及其他现代技术集成应用于交通运输领域，建立起的高效的运输管理系 统。高速公路交通信息自动化管理系统主要由通讯系统、远程监控系统、收费系统3 个 部分构成。整个系统的一个重要环节是行驶车辆检测器。它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。该仪器主要应用于交通收费站管理，以提高收费道路的经济效益。只有对通过 车辆信息进行有效、准确的分析并进行相应的控制，才能实现整个高速公路交通信息的 自动化管理。交通现代化管理正在引起人们越来越大的重视雌j 。鉴于公路交通现代化管 理和城市交通现代化管理的发展需要，对于汽车挡车器的研制，在国内外均已引起较 大重视，具有十分重要的现实意义和应用价值。 本课题将对汽车挡车器内部的检测、控制和保护环节进行研究。其目的是通过对汽 车挡车器的研究，发现挡车器设计中存在的不足，进而改进挡车器的设计，以便使挡车 器更好地在智能化交通系统中发挥作用。由于该设计具有广阔的应用领域，并且通过研 究可以学习到许多相关知识，在当今讲求竞争，讲求效率与效益的时代，本课题就具有 了较高的研究价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 发展概况 智能交通系统的思想在6 0 年代就被提出来了，并提出了一些探索性项目。从8 0 年 汽车挡车控制系统的研制 代开始智能交通系统受到广泛的重视。欧洲、日本、美以及澳大利亚等相继启动了各种 以智能交通系统为目标的研究的开发项目。目前，一些相对成熟的智能交通系统项目正 在得到推广应用，发展很快。发达国家正在完善各种已建立的局部智能交通系统，并连 入国家整体网络，大力发展智能交通系统基础建设。近两年的应用热点和发展趋势为： ( 1 ) 信息技术；( 2 ) g p s 应用技术：( 3 ) 电子收费系统；( 4 ) 高速公路商业化。我国对智 能交通系统的研究，开发处于起步阶段，应用项目很少，但已经认识到发展智能交通系 统的意义，相关部门开展了一系列的工作。但我国智能交通技术的研究开发和应用的实 质性工作仍然比较薄弱，在先进车辆控制技术方面，国内汽车企业目前无力关注并给予 研究开发资助，在国家极少的科研资助下开展了一些理论性的或仿真性的研究工作。 对车辆检测而言，我国目前有很多方法，常用的检测器主要有感应式环形线圈车辆检 测器、脉冲超声波检测器、地磁性检测器、还有雷达检测器、光电检测器以及基于计算 机视觉技术的视频检测器等p 4 l ，下面是四种检测技术的比较： 微波传感器：在恶劣气候下性能出色：可检测静止的车辆；可以侧向方式检测多车 道；直接检测速度；安装条件要求较高：不能对车辆进行准确分型m 。 视频检测技术：为事故管理提供可视图像；可提供大量交通管理信息；单台摄像机 和处理器可检测多车道：安装条件要求较高；大型车辆能遮挡随行的小型车辆；阴影， 积水反射或昼夜转换可造成检测误差。 磁映像技术；可检测小型车辆，包括自行车：适合在不便安装线圈场合采用：很难 分辨纵向过于靠近的车辆；安装费时费力。 橡胶气压管传感器技术；车辆分型准确- 能够获得每辆车的车轴信息；同时检测的车 道数较少；很难分辨纵向过于靠近的车辆考虑到性价比，技术复杂性，可靠性、维护要 求，适用范围等因素，它们各自有优缺点，各有特定的市场范围。感应式环形线圈车辆 检测器具有性能稳定，电路简单，成本低，使用方便，免维护等优点，目前市场应用范 围最广。国际上公认较为成熟且广泛使用的自适应区域交通协调控制系统有 s c a t s ( s y d n e yc o o r 曲1 a t e da d a p d v e 仃a 艏cs y 咖巩悉尼协调自适应交通系统) ， s c 0 0 t ( s p l i t c y c l e 锄do 凰e to p t i i n i 盟蛞o nt e c l l i l i q ，绿信比、周期和相位差优化技术) ， 它们使用的车辆检测器均为环形线圈车辆检测器【3 l 。针对现阶段国内车辆检测器的生产 2 沈阳工业大学硕士学位论文 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。 在国外，车牌自动识别系统( a i ，p i l s ) 已有应用，它基本上分为4 个子系统：图象采集 子系统，车牌定位和字符切割子系统，车牌字符识别子系统，数据库管理子系统【刀。车 辆出入的信息监测通过系统查询p c 机的串口信息获得。该系统的技术难点主要包括车 辆牌照的定位和切分，车牌字符识别。采用模块化程序设计，有利于系统功能的改进和 完善。 1 2 2 研究的热点 在众多的车辆检测技术中，计算机视频检测器e 卸t o s c o p et vs y s c e mo f 谢d 删鼯 、d d c ov e h i c l ed e t c 嫩o n ) 具有识别范围广，能提供综合交通流信息( 如道路状态、交通流资 料、车辆分类和多车辆检测等) 的优点，是目前研究的热点。它是运用视频图像处理和 计算机识别技术于今年开发出来的新产品，该产品可以取代环形线圈，进行高效益的广 域视频监视并现场实时采集各种交通参数。虽然一时难以解决视觉理论、关键技术与工 程实现等问题，但视频检测器仍将会成为未来市场的主流产品。 1 2 3 存在的问题 首先，我国专业设计制造交通设备的公司和厂家很少，仅有的几家也只能在基本功 能上满足设备使用要求，对产品的机械和电子性能设计不够理想，在使用中往往出错。 例如，设计生产的挡车器，由于电路设计缺乏合理的逻辑控制，采用的电子元件质量较 差，使挡车器有时出现3 6 0 。旋转的误动作；设计生产的数码显示板，使用一段时间后， 字体模糊，笔划残缺。由于高速公路上的车辆具有一定的行驶速度，任何信号的差错都 会产生极其严重的后果，因而对交通控制设备的可靠性提出了较高的要求嘲。 其次，在人工收费的过程中也存在很多问题，主要表现为以下几个方面： ( 1 ) 当车流过大时，若收费员在为前一辆车抬闸或落闸时恰遇后一辆车驶来，则极 易顾此失彼，延误时间或造成差错。 ( 2 ) 收费员所在位置离道闸处有一段距离，当两辆已交费车前后相随通过收费员处 向道闸行驶时，抬起的道闸若因第一辆车的通过而落下，则很可能砸向紧随而来的第二 汽车挡车控制系统的研制 辆已交费车，这种情况在车流很密时极有可能发生。 ( 3 ) 车辆恶意违规逃费的现象时有发生。 ( 4 ) 由于道路收费系统全天候长时间连续作业，因此气候环境对系统的可靠性有影 响柳。 1 2 4 发展趋势 近两年智能交通系统的发展趋势为：( 1 ) 信息技术；( 2 ) g p s 应用技术：( 3 ) 电子收 费系统；( 4 ) 高速公路商业化。 1 3 本文主要工作 本文所要研制的是一个既具有经济性又有可靠性的汽车挡车器装置，其系统特点为 ( 1 ) 系统功能全，操作简便；( 2 ) 运行稳定、可靠；( 3 ) 稳定可靠的硬件设备；( 4 ) 灵活 的系统配置；( 5 ) 监控功能。其中控制器由两部分电路组成，一部分控制档车器的横杆 运动；另一部分用于处理各种输入输出信号，如防砸处理和等待放行功能等。低速力矩 电机直接驱动，微处理器控制，保护措施完备，起落平稳，具有过载保护功能。车辆检 测与挡车功能一体化设计，防砸车、防撞车：终点位置无冲击，传动系统自锁，接近开 关可靠定位。 本文以单片机为核心，研究汽车挡车器的检测功能、控制功能、保护功能、显示功 能和数据处理功能等。 ( 1 ) 车辆的到离检测对整个控制系统的实现是十分关键的。在车辆经过的道路检测 点地表上埋入个方形线圈，然后将它接入正弦波振荡器作为谐振回路的一部分，这样 当被测车辆驶近时其铁底盘必将减少该检测线圈的磁通量，从而导致振荡器的频率升 高，由此便可用电感式接近开关实现车辆的到离检测。 ( 2 ) 本文研制了一个以单片机为核心的硬件电路。单片机系统的软件主要有两个内 容，一是负责与主位机的通信，二是控制挡车器的动作。 ( 3 ) 采用m o c 3 0 2 0 光电双向可控硅驱动器驱动单相力矩电机，单相力矩电动机， 具有较宽的调速范围，较软的机械特性，可在堵转状态下运行一段时问，特殊设计的电 机也可连续长期堵转。 4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 对电机进行保护。为防止系统因故障而损坏设备，在每一相电源输入线处都设 置了电流检测环节，它可以监视主电路电流，一旦出现其超过设定值，它便给出过电流 信号。同时，如其在一周内平均值不为零，它便给出半波整流故障信号，这两个信号与 电源缺相信号相加，送给控制器使系统停止运行。将交流电转换为直流电，称为整流。 精密整流电路的功能是将微弱的交流电压转换成直流电压。整流电路的输出保留输入电 压的形状，而仅仅改变输入电压的相位。另外震荡电路应有保护电路( 快速放电电路) 防 止积累的电荷击穿电容，使设备不能正常工作。 ( 5 ) 将有关资料通过r _ s 4 8 5 串口送至收费站监控室的监控主机。根据统计数据可计 算车速、车长、车流量、车流密度、车道占有率等交通流参数。 1 4 系统总方案 1 4 1 系统检测功能 ( 1 ) 车辆检测器是系统中主要部件，其功能为：1 ) 配合环形地感线圈；2 ) 使用自 动检测车道有无车辆；3 ) 可调节灵敏度和感应工作频率：4 ) 检测线圈埋在车道中间。 本装置可用电涡流式传感器感测车道有无车辆，用霍尔式接近开关对栏杆进行可靠的定 位。电涡流式传感器属于一种有开关量输出的位置传感器，它由【c 高频振荡器、信号 触发器和开关放大器组成。振荡电路的线圈产生高频交流磁场，该磁场经由传感器的感 应面释放出来。当有金属物体接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，就会使该金属物 体内部产生涡流，这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的 参数发生变化，当信号触发器探测到这一衰减现象时，便把它转换成开关电信号。由此 识别出有无金属物体接近开关，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体 必须是金属物体。霍尔式接近开关：当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁 场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应【l o ，“i 。 霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比。霍尔接近开关就属于这种 有源磁，电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用先进的集成封装和组装工艺制 作而成，它可方便地把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实 际应用易操作和可靠性的要求。 汽车挡车控制系统的研制 c 2 ) 车辆的到离检测对整个控制系统的实现是十分关键的。虽然这种检测的可靠实 现并不容易，但其基本原理却十分简单。首先，在车辆经过的道路检测点地表上埋入一 个方形线圈，然后将它接入正弦波振荡器作为谐振回路的一部分，这样当被测车辆驶近 时其铁底盘必将减少该检测线圈的磁通量，从而导致振荡器的频率升高，由此便可用电 感式接近开关实现车辆的到离检测。 此外，考虑到不同现场地况地貌的差异对地埋检测线圈的影响，还必须设置灵敏度 调节环节，以便使之拥有合理的识别区间。道路收费站的计算机控制方式彻底改善了人 工方式的不足，这种控制必须具备车辆感应检测、道闸栏杆抬落以及避免追尾碰撞等功 能。本文系统以多m c u 模块结构较好地实现了这一目标，其中频率基准值漂移跟踪的 解决尤为重要。 不难看出，上述识别方法中频率基准值对可靠识别起着十分重要的作用。然而困难 的是，并不能简单地把地埋线圈上无车时的振荡器频率直接用作频率基准值，因为该频 率肯定会因工作电源的波动、环境温度的变化、器件性能的变迁等因素而引起漂移，这 种漂移量极易与有车到来时的频率变化量产生混淆，从而导致识别错误。解决的思路只 能是让无车时的频率基准值自动跟踪这种漂移。 系统抗干扰技术。由于现场干扰很大，系统采取以下几点抗干扰措施；1 ) 在动态 车辆检测电路中，利用t 型滤波器滤去5 0 h z 工频干扰。2 ) 在同相放大电路中采用3 0 p f 电容消除尖峰干扰。3 ) p c b 板制作中模拟地与数字地分开。4 ) 设计看门狗自复位电路。 5 ) 利用软件抗干扰技术。软件设计中，在灵敏度范围内定时多次检测车辆信号。如果 车辆信号一直保持到灵敏度要求的定时时间结束，贝认为是有效信号；否则认为是干扰 信号，重新检测。6 ) 整个装置安装在接地的铁箱内，以屏蔽外界干扰，例如电磁干扰【1 2 1 。 1 4 2 系统控制功能 ( 1 ) 单相力矩电机具有独特的电气性能，电机具有较大阻抗，堵转电流小，能长期 运转在低速范围甚至处于堵转状态，结构简单，具有一般异步电动机使用维护保养的特 点。当电机运行速度低于n n m i n 时，如每分钟几转或十几转时，甚至在堵转状态下运 行的特种电机，其特殊的运行转矩特性，已经在许多特殊场合获得应用。力矩电机与普 通异步电机结构有所不同，力矩电机的最大电磁转矩发生在堵转状态或反转状态下【”】。 6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 挡车器的控制是由单片机完成的。单片机系统的软件主要有两个内容，一是负 责与主位机的通信，二是控制挡车器的动作。自动挡车器的功能是：自动挡车器与环形 线圈检测器、通行指示灯配合使用。无车辆通过时，红灯亮，挡车杆呈水平状；收费完 毕后，收费员按放行键后，通行指示灯由红变绿，自动挡车器升杆。当车体离开环形线 圈检测器后，检测器向主机发出车辆通过信号，主机控制自动挡车器落杆【1 4 1 。 1 4 3 系统保护功能 ( 1 ) 过流保护：系统主回路输入端加过热继电器，当回路电流超过系统额定电流1 5 倍时即西 1 5 ，一，继电器动作。输出为0 时，系统关断，恢复正常时自动复位。 ( 2 ) 超压保护：线型放大器取设置电压值，在线检测输入电压u u c 时，信号 反馈主回路，继电器动作，输出为0 。系统关断。恢复正常时，自动复位。 ( 3 ) 防雷接地：系统带电控制装置在安装调试中共用接地端，并测试其接地电阻不 应大于4 q 。 ( 4 ) 电机的保护：为防止系统因故障而损坏设备，在每一相电源输入线处都设置了 电流检测环节，它可以监视主电路电流，一旦出现其超过设定值，它便给出过电流信号。 同时，如其在一周内平均值不为零，它便给出半波整流故障信号，这两个信号与电源缺 相信号相加，送给控制器使系统停止运行。 ( 5 ) 将交流电转换为直流电，称为整流。精密整流电路的功能是将微弱的交流电压 转换成直流电压。整流电路的输出保留输入电压的形状，而仅仅改变输入电压的相位。 ( 6 ) 震荡电路应有保护电路( 快速放电电路) ，防止积累的电荷击穿电容，使设备不 能正常工作。 1 4 4 数据通讯及处理 ( 1 ) 数据通讯：将有关资料通过r s 4 8 5 串口送至收费站监控室的监控主机。 ( 2 ) 数据处理：根据统计数据可计算车速、车长、车流量、车流密度、车道占有率 等交通流参数。识别车型1 1 5 1 6 1 。 1 4 5 系统显示功能 ( 1 ) 在线测试车型显示 ( 2 ) 车型显示 一1 一 汽车挡车控制系统的研制 ( 3 ) 车型消除 ( 4 ) 金额显示 ( 5 ) 消除金额显示 ( 6 ) 同时显示车型金额 ( 7 ) 消除车型金额 1 4 6 系统硬件设计 ( 1 ) 高速公路通行自动收费系统的硬件由入出口车道设备组成。入出口车道由自动 挡车器，感应线圈检测器，显示器，交通灯，终端设备等组成。 ( 2 ) 挡车器与门卫计算机间的接口电路包括检测电路、监测电路、控制电路、保护 电路和外围接口电路。 系统构成示意图如图1 1 所示。 1 4 7 系统软件设计 单片机系统的软件主要有两个内容，其一是负责与主位机的通信；其二是控制挡车 器的动作。通信软件中应考虑上，下位机的握手信号，以确保通信的畅通，并使上位机 知道下位机的工作是否正常。单片机软件要完成接受上位机控制指令与数据指令，以实 现对栏杆的控制和显示屏信息的刷新【”。 软件设计采用中断方式处理控制机发来的命令。当系统通电后，程序对系统参数进 行初始化，开始转入主程序【垌。当控制机接受到主控机下传的命令后，首先对命令进行 识别，区分出正确和错误的命令并分别转到相应的程序流程进行处理。考虑到现场存在 很大的干扰，这样可能会造成程序的运行混乱，以至于造成严重的后果，因此在程序设 计时，采用了数据冗错等软件抗干扰措施【”。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 汽车挡车器的原理与设计 本论文所研究的智能化汽车挡车器所具有功能有检测功能、监测功能、控制功能、 保护功能、显示功能和数据处理功能等。为了实现上述功能，选择了一些经济可靠的元 件，并设计了硬件电路。 2 1 车辆检测器工作原理及选择 车辆的到离检测对整个控制系统的实现是十分关键的。虽然这种检测的可靠实现并 不容易。但其基本原理却十分简单。 2 1 1 车辆检测器基本原理 环形线圈车辆检测器是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( 一般为2 m 1 5 m ) 。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。本论文采用了后一种检 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，因而目前在工程上应用最广。目前国际上公认较为成熟且广 泛使用的自适应区域交通协调控制系统有s c a t s ( s y d m yc o d i n a t e da d a p t i v e 仃a 蚯c s y s b 鼬，悉尼协调自适应交通系统) ，s c o o t ( s p l 沁c y c l e 雒do 位e to 两i i l i 盟矗o nt e c h n i q u e ， 绿信比、周期和相位差优化技术) ，它们使用的车辆检测器均为环形线圈车辆检测器叫。 2 1 2 检测装置的硬件组成 该检测装置主要由传感器、微控制器、输入输出等三部分组成。 ( 1 ) 传感器部分 在地面1 0 2 0 啪下，挖掘一个2 m 1 5 m 左右的沟槽，沟槽宽度1 衄m 左右，用导线 沿沟槽绕若干圈，构成了电感线圈。通过地下沟道，用低阻导线将线圈的两个节头引到 处理箱中。当机动车辆通过线圈部分时，线圈电感量发生变化。经实际测试，当微型面 包车和轿车处于线圈上方时，电感量将减少2 3 左右，卡车处于上方时，电感量的 汽车挡车控制系统的研制 变化约是前者的一半左右。线圈接入振荡电路中，电感量的变化引起振荡频率变化阶竭。 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。 ( 2 ) 微控制器部分 p i c l 6 f 8 7 7 单片机是p i c 系列单片机的一种，在其众多优点当中最重要的一条是，它 可以实现在线调试和在线编程，是m c s 5 l 单片机所不具备的。 ( 3 ) 输入输出部分 传感器信号输入：线圈接入振荡电路中，单片机通过测量振荡信号频率来判断是否 有车辆通过。 信号输出为光隔开关量输出及工作状态指示。 2 1 3 车辆检车器的应用 局体实现时必须首先考虑检测识别速度与车辆行进速度之间的关系。按照相关的公 路收费站建设标准，要求车辆的检测识别能适应o 8 0k m ，h 的行驶速度。由于地埋线圈 沿车辆行驶方向的宽度约为l 1 5 m ，为了实现可靠的识别，必须确保车辆以8 0 k i n ，h 的 速度通过该线圈时至少能实现两次检测，因此识别周期必须不低于2 5 m s 。由此可得出相 应的识别方法：首先根据各种被测车辆的底盘类型对地埋线圈磁通量的影响程度，以及 检测部件m c u 可测频率的上限，确定出正弦波振荡器的振荡频率区间( 此处选6 0 2 0 0 k h z 左右) ；然后以2 5 f 璐为周期测量振荡器的输出频率，并将测得值f 与无车时的基准值 f o 进行比较，由此便可确定车辆的到离状态。此外，考虑到不同现场地况地貌的差异对 地埋检测线圈的影响，还必须设置灵敏度调节环节，以便使之拥有合理的识别区间。不 难看出，上述识别方法中频率基准值对可靠识别起着十分重要的作用。 2 2 传惑器的选择 2 2 1 接近开关的选用 行程控制系统广泛应用于工业生产的设备中，控制系统的限位检测元件大多利用传 统的机械式行程开关或电子接近开关。在实际应用中，机械式行程开关由于触点切换慢， 易受电弧烧灼，又因机械碰撞与积尘等因素的影响常出现故障，需经常更换，影响生产。 目前使用的电子式接近开关的感辩机构大多采用：( 1 ) 高频振荡型；( 2 ) 电容型；( 3 ) 永 磁型及磁敏元件型：( 4 ) 光电型。前三种传感器的动作距离受到感辩头的尺寸影响，电 沈阳工业大学硕士学位论文 路相对复杂，体积大且成本高，环境温度的变化或电源电压的波动会引起动作距离的误 差嘲，而光电型又受粉尘和油污环境的限制。为了解决上述问题，本文介绍了一种利 用开关型集成霍尔传感器研制的接近开关。 2 2 2u g n 3 0 4 0 开关式霍尔传感器介绍 接近开关选用u g n 3 0 4 0 开关型霍尔传感器，特点是可靠性高、抗干扰能力强、电源 适用范围宽、兼容性好。其内部电路方框图和管角排列如图2 1 所示，基本功能是将磁输 入信号转换成开关状态的电信号输出，其内部功能包括稳压器、霍耳电压发生器、差分 放大器、施密特触发器和开路输出的驱动级等五部分。稳压部分使器件能在较宽的电源 电压范围( 4 5 2 4 v ) 内工作，器件采用开路输出方式，很容易地与其他众多逻辑电路实 现接口。 图2 1 霍尔传感器电路 f i g 2 1h a l l n s o fc i 比u i t 2 3 电机的选择及控制 2 3 1 电机的选择 该智能型汽车挡车器选用单相力矩电机作为频繁运转换向的电动机，其主绕组( 运 转绕组) 岛，副绕组( 启动绕组) 厶的匝数、线径、所占槽数以及分布都相同。电路如图 2 2 所示。 一l i 汽车挡车控制系统的研制 图2 2 单相电动机换向电路 f i g 2 2s i l l g l e p h 蛳舯t o rc h 蚰舀n gd i r 硎伽c 砌i t 单相力矩电动机，具有较宽的调速范围，较软的机械特性，可在堵转状态下运行一 段时间，特殊设计的电机也可连续长期堵转。由于它具有不同于一般异步电机的上述特 点，故广泛用于各种需短张力、恒线速度、自动卷绕或开卷机械系统中执行元件叫 为防止系统因故障而损坏设备，在电源入线处都设置了电流检测环节，它可以监视 主电路电流，一旦出现其超过设定值，它便给出半波整流故障信号。 2 3 2m o c 3 0 2 0 光电双向可控硅驱动器 光电耦合器是一种复合光敏器件，它是由一发光元件和一光电元件同时封装在一个 外壳内组合而成的转换元件。封芯形式一般有管形，双列直插式等几种。在光电耦合器 中，发光二极管把外来的电信号通过自身的发光，把它变换成交化规律相同的光信号， 它是一个将电能变换成光能的电一光器件：而光电耦合器的光电元件，则能把光信号反 过来变换成为规律相同的电信号。这就是说，在信息传输过程中，使用光作为媒介，在 它的线性工作范围内，这种耦合具有线性变化关系。由于输入端和输出端仅用光来耦合， 因而在电性能上是完全隔离的。这是光电耦合器的优点之一。光电耦合器的另一优点是 能够强有力的抑制尖脉冲及各种噪音的干扰，从而在信息传输中大大提高信噪比鲫。 m o c 3 0 2 0 光电双向可控硅驱动器是美国摩托罗拉公司推出的光电器件。用该器件触 发晶闸管，具有结构简单、成本低、触发可靠等优点。m o c 3 0 2 0 适用于电磁阀控制、灯 的镇流器、电机驱动等，也可用于固态继电器、静态交流电源开关等场合。由于采用了 光电隔离，并且能用t t l 电平驱动，它很容易与微处理器接口，进行各种自动控制设 备的实时控制。m 0 c 3 0 2 0 采用双列引脚封装形式，如图2 3 所示。器件由输入、输出两 沈阳工业大学硕士学位论文 部分组成。l 、2 脚为输入端，输入极是一个砷化镓红外发光二极管，该二极管在5 1 5 m a 正向电流作用下，发出足够的红外光，触发输出部分。3 、5 脚为空脚，4 、6 脚为 输出端。当红外发光二极管发射红外光时，光控双向可控硅触发导通。它的极限参数和 电气特性如表2 1 至表2 6 所示。 图2 3m o c 3 0 2 0 的引脚捧列及内部电路 f i 舀2 3p i na 丌锄g e m 朋t 柚di r i 钯m a ic i r c u i to f m o c 3 0 2 0 表2 1 输入发光二极管极限参数r r = 2 5 ) t a b 2 1l e di n p 眦l i m “p a 糟m e t e 侣( t a = 2 5 ) 汽车挡车控制系统的研制 一1 4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 注”外加测试电压须在d 础额定值内 2 ) 这是静态d 诎转换洲f 只随负载驱动闸流管变化 3 ) 保证所有器件在后值小于或等于最大的五t 时触发所以工作昂处于最大正口( m o c 3 0 2 0 为 3 0 m a ) 和绝对最大厶( 6 0 m a ) 之间。 2 4 显示功能 在以单片机为核心的智能测控系统中，单片机c p u 与外接显示器的接口是一个必须 处理的技术问题。在单片机应用系统中，显示器可以反映系统工作状态和运行结果，是 计算机与人对话的输出设备。 最常用的显示器是由发光二极管l e d 组成的七段码显示器。这种显示器有共阳极、 共阴极两种。共阴极数码管显示器的发光二极管阴极接地，当a g 的某个端接高电平， 对应的字段发光，而共阳极数码显示器与共阴极相反。 l e d 显示器有静态现实和动态显示两种方式，这里用的是动态显示。因为单片机应 用系统中常使用n 个l e d 数码显示器构成n 位显示器。由于所含数码管的个数较多， 汽车挡车控制系统的研制 为了简化电路降低成本，一般采用动态显示方式。这种显示方式是将所有数码管各字段 电极对应并联起来，由一个8 位的口控制。这个i ，o 口送出的信号用来控制显示的字 形，称为段码或字选码。而每个数码管的共阴极点或共阳极点分别由另一个i ，o 口的相 应i o 线控制。这个口送出的信号用来选择第几位数码管工作，称为位码嘲 由于每次只能有一个数码管被点亮，因此采用动态扫描的方式。动态扫描原理为由 位码向各个位输出扫描信号，使每一瞬间只有l 位数码管被选通，然后由字选码送入该 位所要显示的字形码，点亮该位各字形段显示出相应的字形。这样在位码和笔段码的配 合下，就可以使各个数码管轮流点亮各自的数码。虽然显示器的数码管是依次点亮，但 只要每位点亮时间超过l m s ，隔一段时间使之再显示一遍，不断重复扫描，只要扫描时 间足够快，由于人视觉惰性，人眼是看不出闪烁的。动态扫描显示一般由软件编程实现。 由于本系统对精度要求较高，为了更加节省单片机的端口资源这里使用了两个 7 4 l s l “进行i 端口扩展。7 4 l s l 6 4 为廉价串入并出移位寄存器。 因为输出到外围电路用共阴极七段显示器。所以七段显示器只有当使能为0 而且输入 到每一段l e d 的电压是高值时才会亮，为了使显示起在送入相应的b c d 码时能显示其对 应的字符，所以设计了这个编码电路，当送入的b c d 码一定时，电路将其转换为一定的 七段编码来点亮七段显示器对应的l e d 。共阴极七段显示器的编码表为： 表2 7 共阴极七段显示器的编码表 t 嗣l b 2 71 1 1 et 0 诅lc a l h 甜es e v e n s e g f n e n td i s p i a yc o d i i l g 诅b l e 2 5 本章小结 用开关型霍尔元件制作的接近开关，电路结构简单、体积小、安装使用方便。由于 采用全封闭无触点结构，安全可靠，寿命长。适合在多粉尘环境及易燃易爆的场合使用。 、 沈阳工业大学硕士学位论文 其成本仅相当于机械式行程开关，从性价比上可以看出，采用霍尔元件制作的电子接近 开关将成为行程控制系统中大量使用的机械式行程开关的新一代理想的替代产品。线圈 接入振荡电路中，单片机通过测量振荡信号频率来判断是否有车辆通过。车辆检测器和 电机的驱动电路将是本论文研究的核心内容。 汽车挡车控制系统的研制 3 系统硬件电路的设计 上文介绍本系统具有许多功能，为了实现这些功能，进行了硬件电路设计。硬件电 路从功能模块上来分有：主机电路、检测电路、监测电路、控制电路、保护电路和显示 电路等。硬件结构框图如图3 1 所示。 图3 1 硬件结构框图 f i g3 1 h a r d w a r e s n l i c t u 佗d i a g 删n 3 1 主机电路的设计 主机选用m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 f 8 7 7 芯片来实现，利用单片机软件编程灵活、自由 度大的特点，力求用于软件完善各种控制算法和逻辑控制鲫。p i c l 6 f 8 7 7 芯片运算速度 较快，控制功能完善。 智能化汽车挡车器的p i c l 6 f 8 7 7 单片机模块电路图如图3 2 所示，以下先针对p i c 优 越之处及相关的输入输出引脚进行说明。 3 1 1p i c l 6 f 8 7 7 概述 本论文所选用的p i c 微机是p i c l 6 f 8 7 7 ，其参数如表3 1 所示。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 哈佛总线结构 它在架构上采用了与众不同设计手法，它既不像m o t o t o r o l a 公司生产 m c 6 b c 0 5 0 8 系列单片机那样，程序存储器和数据存储器统一编址，也不像唧l 公司 开发的m c s 5 l 系列单片机那样，程序存储器虽独立编址( 哈佛体系结构) 但它们与c p u 间 传递信息仍公用一条总线，无法摆脱瓶颈的制约：p i c 系列单片机不仅采用哈佛体系结 构，还采用了哈佛总线结构，就将数据总线和指令总线分离，并且采用不同的宽度，实 现指令流水作业，极大地提高了单片机的运行速度。 ( 2 ) 可以实现在线编译和在线调试 ( 3 ) 指令单字节化 此处所说的字节，只是特指单片机的指令字节，并不是常说的8 字节。例如p i c l 6 f 8 7 7 系列的指令字节为1 4 位，p i c l 7 c x x 系列的指令字节为1 6 位。 ( 4 ) 精简指令( i u s c ) 技术 p i c 系列单片机的指令系统只有3 5 条指令，易学好用，而且绝大多数指令为单周期 指令，有利于提高执行速度。 ( 5 ) 寻址方式简单 只有四种寻址方式( 寄存器间接寻址、立即寻址、直接寻址和位寻址) ( 6 ) 代码压缩率高 1 k b 存储空间。可存放的指令条数达到1 0 2 4 条。 ( 7 ) 运行速度高，功耗低，驱动能力强 p i c l 6 f 8 7 7 属于p i c 系列中的中级产品，它具有以上所有的优点，并且在片内带有“8 的e e p r o m 数据存储器，带有8 k 1 4 的f l a s h 程序存储器，可以实现快书擦除和写入程 汽车挡车控制系统的研制 序，在借助m i c r o c m p 公司专为p i c l 6 f 8 7 7 系列单片机研制的经济型在线调试器 毋l a 洲d ) ，可以方便地对程序进行调试和修改。 图3 2 为p i c l 6 f 8 7 7 的引脚全功能图。 孵u w p p + r a 0 ，a n o _ - r a l a n t - r 2 肫n 2 黼e o r a 洲3 ，k e f + _ r a 4 ，r 0 c k l + r a 5 ， n 4