（物理电子学专业论文）电涡流现象及其在车流量检测中的应用.pdf

摘要 随着经济的发展，城市交通拥挤、堵塞是各国经济发展中所遇到的共性问题。 于是人们开始研究解决交通拥挤、堵塞问题的方法，现在国外已发展了通过监测 车流量来实现交通指挥的智能系统。 智能交通系统的依据主要依赖于车流量传感器的性能。已研究的车流检测装 置包括超声波、光电、微波、压力、视频等，这些检测装置具有检测距离短或雨 雾天性能下降或造价高等缺点。本文主要研究应用电涡流现象来进行车流检测， 进而设计出一个车流检测板( 车流传感器) 。 车流检测板是以a t 8 9 c 5 2 为核心所组成的一个m c o 系统，由检测线圈、 四路受控振荡电路、灵敏度设定电路、脉宽测量电路和信号输出电路组成。当车 辆通过检测线圈时，由于自感和电涡流的影响，振荡电路的振荡频率( 脉宽) 发 生变化，因振荡频率较低，这里采用测脉宽的方法来进行测量。通过测量电路检 测频率的变化率，再根据设定的灵敏度，即可检测到是否有车辆通过。 关键词：电涡流、车流检测、受控振荡、脉宽测量、识别 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y , m a n yc o u n t r i e se n c o u n t e rt h ep r o b l e mo f c i t yt r a f f i cc r o w d i n ga n dj a m m i n g s op e o p l eb e g i nt ot h r a s ho u tt h ew a yo ft r a f f i c c r o w d i n ga n dj a m m i n g ，n o wf r e m d u e s sh a v ed e v e l o p e di n t e l l i g e n ts y s t e mw h i c h m c a s u r et h ef l u xo fv e h i c l et oi m p l e m e n tt r a f f i cc o m m a n d i n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e mm o s t l yd e p e n d so i lt h ep e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l ef l u x s e n s o ln o w 托s e 盯c h f i l lv e h i c l ef l u x m e a s u r i n gd e v i c ei n c l u d eu l t r a s o n i c 、 p h o t o e l e c t r i c i t y 、m i c r o w a v e 、p r e s s u r e 、p h o t o g r a p h ye t c t h e s ed e v i c e sh a v es o m e d i s a d v a n t a g e , s u c ha ss h o r td j s t a n c eo fm e a s u r i n go rt h ec a p a b i l i t yd e c l i n i n gi nr a i n y a n df o g g yd a yo rh i g hc o s te r e t h i st e x tm o s t l yr e s e a r c ht ou s et h ee l e c t r i c a l w h i r l p o o li n t om e a s u r i n gt h ev e h i c l ef l u x ，a n dd e s i g nad e v i c eo fm e a s u r i n gv e h i d e f l u x t h ed e v i c eo fm e a s u r i n gv e h i c l ef l u xi sam c us y s t e mw i t ha t 8 9 c 5 2a sc e n t e r , i n c l u d em e a s u r i n gl o o p 、f o u rc o n t r o l l e ds u r g i n gc i r c u i t s 、s e n s i t i v i t ys e t u pc i r c u i t 、 p o i s ew i d t hm e a s u r i n gc i r c u i ta n ds i g n a lt r a n s m i t t i n gc i r c u i t w h e nv e h i c l eg e ta c m s s t h em e a s u r i n gl o o p ，t h ef r e q u e n c y ( p u l s ew i d t h ) o fs u r g i n gc i r c u i tw i l lc h a n g ed u et o i n d u c t a n c ea n de l e c t r i c a lw h i r l p 0 0 1 b e c a u s eo fl o wf r e q u e n c y , u s et h ew a yo f m e a s u r i n gp u l s ew i d t h a c c o r d i n gt ot h ef r e q u e n c yc h a n g eo fc i r c u i ta n ds e n s i t i v i t y s e t u p ，t h ed e v i c ec a nk n o ww h e t h e r v e r d e p a s s e so rn o t k e y w o r d s ：e l e c t r i c a lw h i r l p o o l 、v e h i c l ef l u xm e a s u r i n g 、c o n t r o l l e ds u r g i n g 、 p u l s ew i d t hm e a s u r i n g 、i d e n t i f i c a t i o n y 7 8 2 6 7 8 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：, j 同p 峦， 2 0 0 5 年月日 电涡流现象及其在车流量检测中的应用第一章引言 第一章引言 第一节本课题研究的目的和意义 随着社会经济的发展，人民的生活水平越来越高，进人普通家庭的私家车越 来越多，这给交通造成了很大压力，尤其是城市交通，变得拥挤不堪。需要一种 有效的交通控制方式来改善这种状况。在国外，智能交通系统应用较早，发展也 比较完善；在国内，应用较晚，发展也不够完善，某些城市有引进国外设备应用 于智能交通系统。智能交通系统通过检测车流量来优化分配各路口红绿灯时间。 应用该交通系统有以下作用：【1 l 1 改善交通秩序，提高通行能力。 2 节省能源消耗，提高交通效益。机动车辆的加、减速运动使燃油的消耗增 加，采用交通控制系统可以减少停车次数，使车辆行驶平稳，从而减少能源消耗， 提高交通效益。 3 预防交通事故，增加交通安全。 4 减少大气污染，改善城市环境。汽车的尾气排放、噪声和振动是当世界最 为严重的污染源之一，这种污染在车辆的制动和起动过程中更为严重。而采用交 通控制系统可以减少停车次数，并可使车辆均匀行驶，从而减少汽车尾气排放， 改善城市环境【2 】。所以研究电涡流检测板进行车流检测具有实际的意义。 第二节电涡流检测技术的发展现状 首先将电涡流现象和测量方法联系起来的是美国的休斯( d e h u g h e s ) 在 1 8 7 9 年的实验中。而逐步形成一种测试手段和技术是本世纪四、五十年代后的 事。此后德国的r e n t i q u e 研究所和美国的b e n t l yn a v a d a 公司相继研究了电涡流 检测器的原理，并逐步发展了产品和仪器。目前生产电涡流检测器最多的是美、 日、德、英等国家。在国内，研制电涡流检测仪表起步较晚，在近来的几年里， 也已有成型产品出现。由于该类仪表本身的一些优点，一些仪表研制出来后，很 快被工业部门应用于测量位移、厚度、尺寸、振动、转速、压力、电导率以及金 电涡流现象及其在车流量检测中的应用第一章引言 属材料探伤和缺陷检测等。 建立在电涡流原理上的检测器是属于非接触性测量方法，它可以把位移、振 幅、厚度、尺寸、裂纹等转换成频率变化量来测量，并且具有测量线性范围大， 频响宽，抗干扰能力强，结构简单等优点。在国外已将其广泛应用于车流量、速 度的监测和无损检测中。 随着科学技术的发展，在测试技术中已广泛采用非电量电测技术及其仪器， 电测技术具有以下优点： 1 测量的灵敏度离，测量范围广。 2 由于电磁仪表和电子装置的惯性小，故测量响应快，有较宽的频率范围。 3 能自动连续地测量，便于自动记录。 4采用微处理器做成的智能仪表可与微型计算机一起组成测量系统。 5 可进行远距离测量，从而能实现集中控制和遥远控制。 但在不同的场合，还要求能对物体进行非接触性测量，这是因为：1 ) 在有些 情况下，接触式钡4 量会缩短检测器的寿命。如用压气式检测法检测车流时，因车 轮频繁碾压管道，易使装盛空气的管道损坏。2 ) 在检测器与被测物体接触时， 相当于给被测物加负载，影响测量精度。3 ) 有些场合根本无法用接触法来测量。 如对高速旋转转轴振动的钡8 量等。因此在非电量电测技术领域中，非接触性测量 方法及仪器的研究，一直是检测技术发展的一个重要方面。 第三节应用电涡流检测的优点 智能交通系统主要依赖于车流量传感器的性能。现有车流检测器包括超声 波、光电、微波、压力、视频和电涡流检测等多种检测器，这些传感器各有其优 缺点【3 】，其中超声波检测器安装方便，造价高，探测距离短。光电检测器安装方 便，雨雾天性能下降。压力检测器可探测重量，易损坏，须破路安装。微波检测 器能测量车速，造价高。视频检测器能测量车速，造价高。l 刊且光电、微波、视 频检测器在车辆会车和并行时会产生误计或漏计，计数精度不高。但是对目前中 国公路状况而言，上述检测器在进行车流量检测时无法投入实用。电涡流检测器 须破路安装，但它计数精度高，可远距离探测，易于实现集中控制和遥远控制， 造价比光电、微波、视频检测器都低，它在车流检测中的应用具有广泛的前景。 电涡流现象及其在车流量检测中的应用 第一章引言 本课题将设计一个基于电涡流现象的车流量检测板，作为智能交通系统的前 置传感器，通过遥远控制，完成对车流量的检测，为智能交通系统进行交通指挥 提供车流量信息。 本课题完成了车流检测板的硬件系统与软件系统的设计，硬件系统是以 a t 8 9 c 5 2 为核心所组成的一个m c u 系统，由检测线圈、振荡电路、灵敏度设定 电路、脉宽测量电路和信号输出电路组成。车流检测板要求车辆进入检测线圈后， 能够迅速检测出车流信息，并向下位机传输信息。检测板的输入信号为铁磁体的 车辆，输出信号为一个光信号和一个开关信号，通过驱动一只l e d 灯和一个电 磁继电器来实现。车辆进入探测线圈时，由于车辆为铁磁体，将引起电路等效电 感发生变化，从而引起电路振荡频率发生变化，测量电路根据频率的变化率和设 定的灵敏度即可检测出车流信息。这个检测过程由软件与硬件相配合来完成。软 件使用汇编语言编写，根据结构化模块设计的思想，将软件分解成初始化、零点 频率确定、车流识别等模块，每个模块由一个或几个子程序组成。【硼 3 电涡流现象及其在车流量检测中的应用第二章车流量检测的工作原理与影响因素 第二章车流量检测的工作原理与影响因素 第一节车流检测的工作原理 电涡流检测板应用于车流检测时，是通过一个环形检测线圈来实现的。由几 匝金属导线绕制成的环形线圈埋设在车道的路面下，通过馈线与检测板相连。这 是一种非接触式检测方式。检测系统的组成如图1 所示。 检测线圈 卜 检测板 ：馈线) 车辆 n矿 uu 图2 1 检测系统的组成框图 当环形线圈中有高频电流通过时，在环的周围就产生了交变磁场，这时如 果有车辆从环形线圈上通过，由于车体一般是由铁磁材料构成的，这就改变了线 圈周围空间的导磁率，有使线圈的电感量增加的作用。另一方面交变的电磁场使 车体内产生了感应电流，这种电流就是涡流。它也会产生自己的磁场，根据楞次 定律，涡流的磁场对环形线圈的磁场有去磁作用，这又有使线圈的电感量减小的 作用。车辆经过线圈的电感量根据涡流检测的有关理论，由于趋肤效应的存在， 涡流在金属体中的贯穿深度与激励线圈的工作频率有关。因此涡流的大小和它对 环形线圈的影响也将随着频率的变化而变化，通过检测电路检测到频率的变化量 可达到检测车流的目的。 3 1 1 第二节趋肤效应 在直流电路里，均匀导线横截面上的电流密度是均匀的。但在交流电路里， 随着频率的增加，在导线截面上的电流分布越来越向导线表面集中。这种现象叫 趋肤效应。【6 7 l 定量地描叙趋肤效应效应的大小，通常引进趋肤深度的概念。令d 代表从导 体表面算起的深度，计算表明，电流密度j 随深度d 的增加按指数规律衰减： 4 电涡流现象及其在车流量检测中的应用 第二章车流量检测的工作原理与影响因素 j = j oe - d d 0 ( 2 1 ) j o 表示导体表面的电流密度； d o 表示电流密度j 已减少到j o 的l i e 时的深度，叫趋肤深度； 理论计算表明，趋肤深度由下式决定： j 5 0 3 啦。丽 ( 2 2 ) f 表示频率，有f = o 口2 a ； 盯表示电导率； a 表示磁导率。 从上可看出，交流电的频率越高，感生的电动势就越大：导体的电导率越大， 产生的涡流也越大。这都会使趋肤深度变小，即趋肤效应变得明显。 第三节检测过程中环形检测线圈参数变化的分析 环形线圈与车流检测板配套构成城市智能交通系统的前置传感器，环形线圈 一般是由几匝金属导线绕制成的检测线圈，埋设于车道的路面下，通过馈线与检 测板相连，检测系统的组成如图2 1 所示。检测板用高频信号驱动环形线圈， 当车辆通过环形线圈时，引起环的电感量变化，并进而引起环的阻抗变化，从而 导致信号幅度、相位、频率等变化。用检测电路检测某一个量的变化，就可以达 到检测车辆的目的。关于环形线圈传感器检测车辆的机理分析如下。 当环形线圈中有高频电流通过时，在环的周围就产生了交变的电磁场。这时， 若有车辆从环形线圈上通过，由于车体一般是由铁磁材料构成的，这就改变了线 圈周围空间的导磁率，有使线圈的电感量增加的作用。另一方面，交变的电磁场 使车体内产生了感应电流，这种电流又叫做涡流也会产生自己的磁场，根据楞次 定律，感应电流产生的磁场，总是反抗引起感应电流的磁场的变化即车体中涡 流的磁场对环形线圈的磁场有去磁作用，这又有使线圈的电感量减小的作用。那 么，在车辆通过环形线圈时，对环形线圈是有增磁还是去磁作用呢? 车辆经过时线 圈的电感量变化根据涡流检测有关理论，由干趋肤效应的存在，涡流在金属体中 的贯穿深度与激励线圈的工作频率有关。因此，涡流的大小和它对环形线圈的影 响也将随着频率的变化而变化。西安公路交通大学郭兰英、李诚等人通过实验测 电涡流现象及其在车流量检测中的应用第二章车流量检测的工作原理与影响因素 得，当环形线圈的频率为2 0 k h z f 1 8 0 k h z 时，涡流的去磁占主导地位，环形线圈 的电感量明显减小( 4 。5 l 。所以在本系统中振荡电路采用2 5 k h z 频率振荡。 环形线圈与被测车辆之间是通过电磁场耦合的，从电路的角度看，它们是通 过互感相互影响的。一台车辆，不管它的形状多么复杂，当它通过环形线圈，并 处在一定位置时，在车体中引起的涡流将是一定的，而涡流对环的影响也是一定 的，这就是说车辆可以被等效地看成是具有一定电路参数的电路，车辆与环形线 圈之间存在着一定的互感。于是，我们把车辆相当于一个具有电感l a 和电阻r a 的短路环，此短路环通过互感m 与环形线圈相交链。环形线圈供电电压为 u - ，搠s i n “，由振荡电路提供，r p 和b 是环形线圈的电阻和电感，i p 、i a 为回路 电流。其等效电路如图2 2 ： 则有： 三s ；舳虻 图2 2环形线圈与车辆等效电路图 一即瓣r a ( a 小4 ) 2 十p 一瓣( a 村) 2 a g , a 】q 1 ( 2 - - 3 ) 式的分母即为有车通过环时，环的等效阻杭，其中实数部分为等效的损 耗电阻，它是互感系数m 的函数显然，当车体与环之间的距离减小时，m 就增 大，等效的损耗便增加。( 1 ) 式分母的虚数部分为等效电抗，其等效电感为 l ，l 。一唑 ( 2 4 ) 扣l p 一可忑订 “” 奠中第一踊i ，的变化幅度与车辆材料的导磁率有关，第二项与电涡流效应有关， 6 电涡流现象及其在车流量检测中的应用 第二章车流量检测的工作原理与影响因素 负号表示电涡流的效应是使线圈的等效电感量减小。若工作频率选择适当，当有 车辆通过环形线圈时，( 2 - - 4 ) 式第一项的变化量( 增加量粥小于第二项，即( 2 - 4 ) 式的值将减小，( 2 4 ) 式的等效电感正是环形线圈车辆检测板所要检测的 参数。由此可看出，若车体带有铝等顺磁质材料时，( 2 4 ) 式的第一项变化不 大，而第二项的变化相对会更加突出，使检测灵敏度更高。从( 2 4 ) 式还可以 看出，等效电感的变化量还与互感系数m 有关。很显然，车辆覆盖线圈的面积 愈大，车辆的底盘愈低，则互感系数m 越大，检测灵敏度也越高。环形线圈检 测器一般由环形线圈的等效电感l 和一定值电容构成l c 振荡器，其振荡频率为 ，= f 万，显然，当车辆通过环形线圈时，l 变小，则f 增大，通过单片 ，扭、i l o 机检测电路测得其频率的变化，从而可判断有无车辆通过。闭 经过试验测定，在本系统中有车辆经过时，由于电感减少，频率增加，最大 变化可达3 。 电涡流现象及其在车流量检测中的应用第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 第一节概述 车流检测板是智能交通系统的前置检测部分，它是一个以集成电路芯片 a t 8 9 c 5 2 为核心的单片机系统。一个电容三点式振荡电路通过变压器耦合驱动 探测线圈，探测线圈将探测到的车流信号转换为频率的变化，计数电路对这个频 率变化信号进行计数后送给单片机a t 8 9 c 5 2 进行处理，单片机再将处理信号输 出至0 步 部。【1 0 】 图3 - 1 检测系统原理框图 第二节振荡电路的设计 一、振荡电路工作原理 振荡电路是车流检测系统的激励源，对它具有较高的要求，这里采用电容三 点式振荡电群9 1 ，振荡电路的反馈电压取自电容，电容的容抗随频率的升高而减 少，那么高次谐波将被抑制，使它的输出波形较好。本电路采用2 5 k h z 左右的 振荡频率。以此频率振荡时，涡流的去磁作用将占主导地位，使电路电感减少。 根据电容三点式振荡电路的频率计算公式( 3 - - 1 ) 式知，电感减少时，频率变化将 增大，根据实验测得变化量最多可达3 。 f _ 1 ，纫丽0 - 1 ) l 是振荡电路总的等效电感 电涡流现象及其在车流量检测中的应用第三章系统硬件设计 c 是振荡电路总的等效电容 二、振荡电路原理图和工作过程 图3 2 振荡电路原理图 如图3 2 所示，振荡电路为受控振荡，当控制信号k z l 为低电平时，三极 管q 1 饱和导通，电源v c c 向振荡电路供电。v c c 通过r 3 、r 4 的分压，使三 极管q 2 获得合适的基极电位，q 2 工作在放大状态，电容q 、c 3 、c 4 构成选 频网络与反馈环节，从而形成三点式电容振荡，产生正弦波。 当插针j 1 的2 、3 脚未接通时，等效电容c = c 2 c 3 ( c 2 + c 3 ) ，当儿的2 、3 脚 接通后，电容c 2 与c 4 并联，此时c = c 3 ( q + c 4 ) ( c 2 + c 3 + c 4 ) ，根据式( 3 - 1 ) 可知电路可以以两个不同的频率进行振荡，来满足在不同环境下测量的需要。 三、探测线圈的设计 探测线圈通过变压器与振荡电路相连。接法如下图： 9 匦 螺 聪 鞲 鲻 电涡流现象及其在车流量检测中的应用 第三章系统硬件设计 图3 4 探测线圈电路图 在地面1 0 2 0i n t o 下，挖掘一个1mx 2m 左右的沟槽，沟槽宽度1 0m i l l 左右，用导线沿沟槽绕若干圈，一般为3 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出，通过变压器与振荡电路相连。当机动车辆通过线 圈部分时，线圈电感量发生变化。再通过变压器反射到振荡电路中，使振荡电路 中的电感也发生变化。经实际测试，当微型面包车和轿车处于线圈上方时，频率 将增加2 3 左右，卡车处于上方时，频率的变化约是前者的一半左右。【8 】 接入插针j 是为了使变压器的匝数比可调。显然，接通1 、2 脚时的原副边匝 数比是接通2 、3 脚时的一半，以此可改变检测的敏感度。接入2 个气体放电管是 安全措施。 四、脉冲信号形成电路的设计 因为正弦波信号是模拟信号，不能作为计数电路的测量信号，所以须转换为 方波。脉冲信号形成电路原理图如图3 5 ： 1 0 电涡流现象及其在车流量检测中的应用第三章系统硬件设计 亏= _ 图3 5 脉冲信号形成电路图 在上图中，振荡电路起振后产生正弦波，经过电阻r 6 加在三极管0 3 的基 极上。三极管的发射结导通电阻较低具有结电容效应，可以抑制尖脉冲干扰。另 外，从直流通路来看，v c c 通过r 2 、r 6 和变压器原边的电感接地，而电感对 于直流相当于短路，则在r 6 上分得的直流电压约为u = v c c * r 6 ( r 6 + r 2 ) 。当 v c c = 5 v 时，根据图中参数，算得u 约为0 4 v 。可知加在0 3 基极上的是一个 正弦波和0 4 v 的直流电压叠加。q 3 在这里起比较器的作用，当叠加电压大于 0 3 的导通电压时，三极管导通，输出低电平，当叠加电压小于导通电压时，三 极管截止，输出高电平。从而实现了将正弦信号转换为脉冲信号。因为叠加电压 中的直流电压小于0 3 的导通电压所以形成的脉冲波形高电平长于低电平，是一 个矩形波。 五、振荡电路中所采取的安全措施 在安装时，一般将探测板放于工作箱中，安装在红绿灯附近，而探测线圈 则埋在路面下l o 2 0 m m 深处，通过变压器与探测板相连。探测电路的工作电压 一般在几伏左右，如果有雷电或因意外有高压电线断落在探测线圈附近，则由于 电涡流现象及其在车流量检测中的应用第三章系统硬件设计 电磁感应会在探测线圈中产生高压，通过变压器耦合到探测板电路中，把探测板 烧毁。因此需采取保护措施，防止在电路中产生高压。在振荡电路中所采取的安 全措旖有： 1 、探测线圈电路中接入两个气体放电管，在两个放电管中部通过电 线接大地( 如图3 4 所示) ，形成一个泄放通路，可把高压引向 大地，起到保护探测线圈的作用。 2 、振荡电路中通过两只稳压管接地( 如图3 2 所示) ，从而实现双 向限幅。如果在探测线圈回路中形成了高压，则通过变压器的耦 合，在振荡电路也将产生高压，而这个高压将被稳压管限幅，防 止了探测板被烧毁。 第三节频率和周期测量的方法和原理 一、测量原理 时间频率基准具有最高准确度( 可达1 0 1 4 ) ，校准( 比对) 方便，因而数字 化时频测量可达到很高的准确度。因此许多物理量的测量都转换为时频测量。f l l ， 1 2 j 频率就是周期信号在单位时间( 1 s ) 内的变化次数( 周期数) 。如果在一定时 间间隔t 内周期信号重复变化了n 次，则频率可表达为： f = n t ( 3 2 ) 时间与频率是可以互相转换的。为了提高测量精度，应使计数值尽量大。当 被测频率较高时，可以使用( 3 2 ) 式通过计数直接测量频率。若被测频率较低， 则需采用对脉宽计数的方法测量周期，再转换为频率，即间接测量频率。其原理 是：对被测周期弧，用已知的较小单位时间刻度t o ( “时标”) 去量化，由t x 所包含的“时标”数n 即可得到t x 。即时标计数法： txnto(3-3) 该式表明，“时标”的计数值n 可表示周期t k 。也体现了时间间隔( 周期) 的比较测量原理。在本系统里，被测信号的频率大概在2 5 k h z 左右，为了提高 测量精度，使用的是时标计数法测量脉宽。 电涡流现象及其在车流量检测中的应用第三章系统硬件设计 二、测量方法 各种测量方法有着不同的实现原理，其复杂程度不同。各种测量方法有着不 同的测量准确度和实用的频率范围。数字化电子计数法是时间、频率测量的主要 方法。电子计数器时间、频率基准采用石英晶体振荡器( 简称“晶振”) 为基准 信号源。普通晶体频率准确度约为1 0 4 ，所以可满足测量需要。 为实现时间( 这里指时间间隔) 的数字化测量，需将被测时间按尽可能小的 时间单位( 称为时标) 进行量化，通过累计被测时间内所包含的时间单位数( 计 数) 得到。 将需累加计数的信号由一个“闸门”( 主门) 控制，并由一个“门控”信号 控制闸门的开启( 计数允许) 与关闭( 计数停止) 。 闸门这里由一个“或非”逻辑门电路实现。这种测景方法称为门控计数法。 其原理如下图所示。 a b | l ) 或 非 刊t b 0 一( ) 门c ll j 厂 图3 6 门控计数法原理图 上图为由“或非门”逻辑门作为闸门，其门控信号为0 时闸门开启( 允 许计数) ，为1 时闸门关闭( 停止计数) ，闸门开启时间即为计数时间。如上 图所示，被测信号t x 由b 通道输入，t b 即为被测信号的脉宽。内部时标信号即 1 2 m h z 晶振产生的时钟信号由a 通道输入，当被测信号为低电平时或非门打开， 内部时标信号开始对这个低电平脉宽进行计数，计数值n 可通过单片机读得。 时标t o = 1 1 2u s 。则由式( 3 - 3 ) 毛一n t 0 可得t b - - - - n 1 2 m = n 1 2 u s 电涡流现象及其在车流量检测中的应用第三章系统硬件设计 第四节频率测量电路的设计 一、频率测量电路工作原理 由于振荡电路振荡频率不高，频率的测量在这里是通过测脉宽的方法来完成 的。测脉宽时，可将被测信号分频，使脉宽变宽，计数值增大，测量精度提高。 如图3 - - 7 所示，采用“或非”逻辑门作为控制闸门，当控制信号有效，即为低 电平时，在被测信号的高电平期间，计数器将以晶振频率为时基对被测信号进行 计数。再根据( 3 - - 3 ) 式即可测出脉宽。 二、电路图及工作过程 图3 8 脉宽测量电路原理图 脉宽测量电路原理图的设计如图3 - - 8 所示。振荡电路产生的正弦波经过比 1 4 电涡流现象及其在车流量检测中的应用 第三章系统硬件设计 较器转换为矩形波信号后，加在计数器芯片m c l 4 0 2 4 的c l k 输入端。m c l 4 0 2 4 在这里起分频器的作用，它将加在c l k 端的矩形波信号进行1 6 分频，加在或非 门7 4 0 2 上，7 4 0 2 由4 个两输入的或非门组成，在图3 8 中分别编号为u 1 a 、 u i b 、u 1 c 、u 1 d ，其中u i b 、u i d 用作控制门，u i a 、u 1 c 与石英晶体构成 多谐振荡器。1 6 分频信号首先送往u i d ，u 1 d 通过单片机口线p 3 6 控制，当 p 3 6 为高时，u 1 d 被关闭；当p 3 6 为低时，u i d 打开，此时分频信号送往u i b 。 u i b 相当于图3 8 中的闸门。当p 3 6 置有效电平即低电平，分频信号变为高电 平时闸门u i b 被打开，石英晶体振荡电路产生的信号频率送往计数器7 4 h c a 0 2 4 进行计数。这个计数值可被单片机读取，由于7 4 h c 4 0 2 4 是个7 位计数器，最大 只能计到1 2 8 ，为了有较高的测量精定，计数值n 都较大，故需将其高位接到单 片机内部计数器t d ，则计数器最多可计到护。根据( 3 - 3 ) 式，分频信号就是 待测信号，控制对石英晶体振荡电路产生的时标信号进行计数，根据该式可知， 当有车通过探测线圈时，将引起探测线圈的电感量减小，从而矩形波信号频率增 加，即测量的脉宽变短，计得的数n 将减少。 三、多谐振荡电路 由于由石英晶体组成的多谐振荡电路具有振荡频率稳定精度高的特点，此处 由石英晶体振荡电路提供时标信号t 0 来测定矩形波脉宽他。 石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件。若在石英 晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施 加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。 如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动 又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常 微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下 的振幅大得多，此时发生压电谐振，它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、 尺寸等有关。石英晶体振荡器电抗频率特性如下图所示： 电涡流现象及其在车流量检测中的应用 第三章系统硬件设计 i ：i 悬 f o , 7 ；性。 门扩7 图3 9 石英晶体谐振器电抗频率特性 当f = f 0 时，电抗x = o 。 由石英晶体构成的多谐振荡电路原理图如图3 1 1 。 或j h - j 在这里作为反相器使用，b 8 1 该电路具有以下特点： 1 反相器静态工作在转折区，起放大作用； 2 石英晶体x = 0 ，回路构成正反馈； 3 为保证反相器静态时工作在转折区，偏置电阻朋取值应为： t t l 反相器：0 7k q 一2k q ； c m o s 反相器：1 0m q 一1 0 0m q ； 图3 1 0 石英晶体振荡电路 1 6 电涡流现象及其在车流量检测中的应用第三章系统硬件设计 四、计数部分 对矩形波信号频率的测量是通过计数来完成的，m c l 4 0 2 4 1 3 4 1 是一个7 位脉冲 计数器，它在计数电路中起分频作用。以增加计数值，提高测量精度。 m c l 4 0 2 4 复位输入端有较好的噪声容限，而时钟输入由于滞后性增加了噪 声容限，每个计数输出端都带有缓冲； 所有的输入端都有二极管保护； 在时钟脉冲的下降沿计数输出发生增量计数； 电源电压范围：d c3 v 0 1 8 v ； 能驱动2 个低功耗的n l 负载或一个低功耗的肖脱基t t l 负载； 引脚与c d 4 0 2 0 b 可互换。 m c l 4 0 2 4 引脚配置图如下： m c l 4 0 2 4 真值表： v o o - f l t t1 4 v m - 嘲7 t i ct 扣o a 薄斟既舯o n 图3 1 1m c l 4 0 2 4 引脚配置图 1 7 电涡流现象及其在车流量检测中的应用 第三章系统硬件设计 c l o c k辩e 喊s t a t e od 不变 o 所有输出为低 ，0 不变 所有输出为低 j - 0 不变 ，1 所有输出为低 o 加1 计数 、 所有输出为低 表3 1m c l 4 0 2 4 真值表 从上表中可看出，复位引脚为高时不论时钟信号为何状态所有计数输出都被 置为低电平，只有在复位引脚为低时，才对输入时钟信号进行计数，且在时钟脉 冲的下降沿发生计数。 7 4 h c 4 0 2 4 作为计数器使用，它和单片机内部计数器硼一起完成对被测信号 频率的计数。7 4 h c 4 0 2 4 是一个高速c m o s7 位二进制计数器。它的工作原理与 m c l 4 0 2 4 基本相同，也是在输入时钟脉冲的下降沿进行增量计数。只是比 m c l 4 0 2 4 具有更快的响应速度，在6 v 时，最大可测到7 9 m h z 。【3 5 l 7 4 h c 4 0 2 4 与t d 组成2 3 位计数器，控制信号是被测信号1 6 分频所得，且 在高电平时间计数，计数时间约为：t = 1 6 ( 2 5 k h z ) - - 0 6 4 m s 。计数值为 n = 0 6 4 m s * 1 2 m h z = 7 6 8 0 。频率变化量为3 时，计数值变化量为2 3 0 。在此模式 下最大分辨率为1 7 6 8 0 - - - 0 0 1 3 ，即检测板所设灵敏度不能小于此最小分辨率。 如若提高灵敏度，可以增大分频系数，例如将被测信号3 2 分频后，计数值增大 一倍，最大灵敏度也变为1 1 5 3 6 0 = - 0 0 0 6 5 。但测量速度下降了一倍，车辆通 过检测线圈时被测次数下降一半，引起测量误差增大。经试验测得，分频系数为 1 6 时具有最好的测量准确度。 1 8 电涡流现象及其在车流量检测中的应用 第三章系统硬件设计 一、单片机的选用 第五节信号处理和输出电路 本系统的信号处理和输出由单片机来完成。单片机应用时通常处于被控系统 的核心地位并融入其中故又叫嵌入式微控制器，由于它具有很强的控制功能以及 体积小、稳定可靠和价格低廉的特点，所以单片机被广泛应用于工业自动化、仪 器仪表、家用电器、信息通信产品以及军事装备方面。凡是有自动控制要求的地 方都会有单片机的身影出现。单片机的应用有利于产品的小型化、多功能化和智 能化，有利于减轻劳动强度，提高劳动效率。综合所述，单片机已成为计算机发 展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本 上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路 实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬 件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。 选择单片机时要考虑的因素有：批量、产品技术要求、成本、产品技术支持、 开发环境、现有技术基础等。其中决定性因素是产品技术要求、成本、批量。应 用系统的批量是指未来产品系统的年产量大，可取得较大的投资强度，且可得到 单片机厂家的技术支持。所选择的单片机首先必须能最大程度地满足构成最简单 片机应用系统要求。即性能，舀己置比趋于1 。其中“性能”是指单片机内的硬件功 能，“配置”是指应用系统要求配置的功能电路。当性能配置比大于1 时，单片 机内许多硬件资源闲置不要造成浪费；性能配置远小于1 时，必须在外部扩展 相应的功能单元，造成系统结构复杂。根据产品功能要求，优先选择专用型单片 机，无相应专用单片机才使用通用单片机。【1 4 h 5 】 此处采用a t m e l 公司的闪速存储器( f l a s hr o m ) 型单片机的芯片a t 8 9 c 5 2 来进行信号处理。a t 8 9 c 5 2 是以i n t e l 公司最早推出的8 0 c 5 1 芯片为核心且与 m c s - - 5 1 系列芯片兼容。 a t 8 9 c 5 2 【刈是美国a t m e l 公司生产的低电压，高性能c m o s8 位单片机， 片内含8 k 字节的可反复擦写的只读程序存储器( p e r o m ) 和2 5 6 字节的随机存 电涡流现象及其在车流量检测中的应用 第三章系统硬件设计 取数据存储器( 鼬、m ) ，器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产， 与标准m c s - 5 1 指令系统及8 0 5 2 产品引脚兼容，片内置通用8 位中央处理器 ( c p u ) 和f l a s h 存储单元，衄8 9 c 5 2 提供以下标准功能：8 k 字节f 1 a s h 闪速存储 器，2 5 6 字节内部r a m ，3 2 个f o 口线，3 个1 6 位定时计数器，一个6 向量两 级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，衄8 9 c 5 2 可降至0 h z 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式 停止c p u 的工作，但允许r a m ，定时计数器及中断系统继续工作。掉电方式保 存r a m 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件 复位。 a 聃9 c 5 2 主要性能参数： 与m c s 5 1 产品指令和引脚完全兼容； 8 k 字节可反重擦写f l a s h 闪速存储器； 1 0 0 0 次擦写周期； 全静态操作：o i z 一2 4 m h z ： 三级加密程序存储器； 2 5 6 x 8 字节内部删； 3 2 个可编程f o 口线； 3 个1 6 位定时，计数器； 8 个中断源； 可编程串行u a r t 通道： 低功耗空闲和掉电模式； a t 8 9 c 5 2 有4 个8 位的可编程v o 口，分别是p o 、p 1 、p 2 、p 3 ，其中p 0 口为漏 极开路型双向口，对p 0 口写“1 ”时，可作为高阻抗输入端使用。作输入口 使用时需外接上拉电阻。p 1 、p 2 、p 3 为带内部上拉电阻的双向f o 口，可直接 作为输入输出口使用。a t 8 9 c 5 2 除了有与a t 8 9 c 5 1 所有的定时计数器0 和定时 计数器1 外，还增加了一个定时，计数器2 。定时，计数器2 是一个1 6 位的定时， 计数器，即可用作定时器，也可用作外部事件计数器，其方式由t 2 c o n 中的 c t 2 位决定。定时，计数器2 有三种工作方式：描获方式、自动重装载方式( 向上 或向下计数方式1 、波特率发生器方式，其方式由t 2 c o n 中的控制位决定。 2 0 电涡流现象及其在车流量检测中的应用第三章系统硬件设计 p 1 0 c | 2 e n 剐t p l 量 p 喝叠 翮 嗣蠹 刖詹 p 1 7 衙 p f r x o tp 3 1 1 l 哺盯m p 9 2 l 丽嘞硝盛 f r o ) p 乱4 t r y ) p 弧 渊秘瑚阻 阳哪 x t 孤窖 j 畦l 叠摊d p d l p 照办i d 哟 p 0 1i m p o j 2 i d 哟 p o s l a i n ) p 0 4 f o j 5 l i 瞵i p o 且i a m 掣( a m l 嗣、 雾p m 圆糨 捌睡瓣 p p - 7 母 硼镰l l l l 吩 p 赫蛳碡 p 蹲 p p 量i a l l ) p 2 2 i 鼬嚼 隧 译田 豫n p 崎 图3 1 2a t 8 9 c 5 2 的p d i p 封装引脚图 三、信号处理及输出电路工作原理 每次测量完后，a t 8 9 c 5 2 读取计数值，并将这一计数值与无车状态时的零点 值进行比较，如该计数值的变化量与零点值的比值大于设定的灵敏度，则认为有 车，由对应该路检测的单片机口线输出一个有效电平，点亮一只l e d 灯，同时 电磁继电器输出一个脉冲。 四、电路图及工作过程 舯嚣嘏盯鞴澌戳黼滟甜趼糊甜铺船飘勰龉甜 ，2 孕4 57馨叠12控饵幅槽仃伯伸 电涡流现象及其在车流量检测中的应用第三章系统硬件设计 图3 1 3 信号处理及输出电路图 信号处理及输出电路如图3 一1 3 所示。它是以a t 8 9 c 5 2 为核心构成一个单 片机最简应用系统。单片机应用系统为了满足面向工控、面向应用对象要求而进 行的外围设备和通道接口设计称之为单片机的系统配置。系统配置有前向通道接 口配置、后向通道接口配置等。 前向通道接口配置是指单片机应用系统中的传感输入通道接1 2 1 电路设计。是 应用系统中从采样测量部分到单片机输入引脚的全部应用电路的设计。这些输入 信号必须处理成可为单片机输入端接受的数字量或开关电平。这里，从探测线圈 到a t 8 9 c 5 2 的p 0 口之间的电路构成前向通道，探测线圈在电容三点式正弦波振 荡电路的激励下，对路面车辆进行检测。检测是通过前向通道中的计数器 m c l 4 0 2 4 和7 4 1 t ( 2 4 0 2 4 在一个待测时间里对时基信号进行计数来完成的。这个 计数值，由a t 8 9 c 5 2 的内部计数器t 0 和p o 口读取。其中1 d 中是高位计数值， p o 中为低位计数值。使用1 d 参与计数是为了提高计数长度。 后向通道接口配置是指单片机应用系统中伺服驱动控制的输出通道接口电 路设计，是应用系统从单片机输出到控制对象的全部输出电路设计。单片机从 电涡流现象及其在车流量检测中的应用第三章系统硬件设计 t o 和p 0v i 中读到计数值后，通过软件比较计数值的大小判断出是否有车辆通过。 如有车辆则驱使相应器件动作。a t 8 9 c 5 2 的p 1 口的高4 位口线及其后续电路组 成后向通道。每位口线通过反相器和三极管驱动一只发光二极管和一个电磁继电 器。如某位口线给出一高电平，则该线所控制的二极管将发光，且该线控制的电 磁继电器将发出一个开关信号。按某一顺序对这四路进行排序，使每一路对应一 路探测线圈。一个车流检测板连接4 路探测线圈，每个探测线圈通过变压器与一 个电容三点式正弦波振荡电路相连。这4 路正弦波振荡电路由p 1 口的低4 位口 线控制，每一位口线控制一路，当该位口线给出低电平时将驱使该口线控制的电 容三点式正弦波振荡电路起振，从而激励该振荡电路所连的探测线圈进入工作状 态。当电路检测到有车辆通过某路探测线圈后，即通过与该路探测线圈所对应的 p 1 口高4 位口线给出高电平，使该线控制的二极管发光，且继电器产生一个开 关信号。由外部装置根据单位时间内脉冲的个数即可测定车流量。i l 州 一、问题的提出 第六节灵敏度的设定 车流检测系统应用在不同的环境中会有不同的效果。温度、路面情况以及该 地的交通状况会影响到车流检测时的精确度，为了准确测量出车的流量，使车流 检测系统能应用在不同的环境中，可通过设定灵敏度来达到这一目的。灵敏度指 的是仪器从背景信号中区别出样品信号的能力。 当不同的车辆进入检测线圈时，在一个测量周期里所测得的脉宽是不完全相 同的，那么当频率