航太电子智能栏杆超声波测距仪项目分析.doc

Hantech 深圳市航太电子有限公司智能栏杆超声波测距仪项目分析编写谢宇审核田健版本Rev1.0日期2015/07/11- 7 -智能栏杆超声波测距仪摘要：为了满足智能栏杆智能化、无接触小车检测要求，自主开发了一种性价比高、体积小的智能超声波测距仪。该测距仪以PIC16F688单片机为控制核心。本文提出具体实现方案，并对该方案进行论证，证明本文提出的方法的可行性和有效性，并能够达到较高的测量精度和使用要求。关键字：智能栏杆超声波测距 一、项目背景 目前国内外在交通检测系统或交通信息采集系统中，大量应用了电磁传感技术、超声传感技术、雷达探测技术、视频检测技术、计算机技术、通信技术技术。相应地，交通信息检测传感器器主要有：电感环检测器（环型感应线圈）、超声波检测器、红外检测器、雷达检测器、视频检测器等。 本文所要设计的智能栏杆，通过传感器实现对小车与门禁栏杆之间的距离检测，并发出相应的信号。 项目的关键在于车辆距离检测，下文是对于目前国内外比较常用的交通检测器方案的对比比较。二、方案论证方案一：线圈检测器环形线圈检测器是传统的交通检测器，是目前交通领域应用最广泛，准确率最高的检测器。工作原理：基于电磁感应原理。将传感器是一个埋设在路面下、通有一定交变电流的环形线圈。当车辆通过线圈或停在线圈上时，车辆引起线圈回路电感量的变化，检测器检测出该变化就可以检测出车辆的存在。检测电磁量变化的方法：一种是利用相位锁存器和相位比较器来检测相位，根据相位的变化来判断车辆的通过与存在；另一种方式是通过检测由环形线圈构成的耦合电路的振荡频率来判断车辆的通过与存在。检测器据此计算出车辆的流量、速度、时间占有率和长度等交通参数，并上传给中央控制系统，以满足交通控制系统的需要。优点：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，不受外界环境和天气变化的影响，抗干扰能力强，而且其检测的交通参数精度非常高，国内检测器的精度都在98%左右，性能稳定可靠，故障率低。缺点：1.线圈在安装或维护时必须直接埋入车道，这样交通会暂时受到阻碍。埋置线圈的切缝软化了路面，容易使路面受损，尤其是在有信号控制的十字路口，车辆启动或者制动时损坏可能会更加严重。2.感应线圈易受冰冻、路基下沉、盐碱等自然环境的影响。3.感应线圈由于自身的测量原理所限制，当车流拥堵，车间距小于3m的时候，其检测精度大幅度降低，甚至无法检测。4.部分厂家的产品还不具备逻辑识别线路功能 ,对于跨车道行驶的车辆还不能正确识别处理。需要在硬件上进行灵敏度的调试或在软件上加人逻辑识别功能。方案二、激光检测器激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定(又称激光测距)的仪器。工作原理：激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。优点：测距距离最远，最远可以达到几十公里，发射角度最小，测量精度高。缺点：缺点是容易容易受到烟雾、灰尘、雨滴的干扰。 其次就是物料成本高，由于激光的高速性，短距离测距需要高性能处理器，相比其他传感器，激光探头成本高很多。方案三、波频检测器波频车辆检测器（多为悬挂式检测系统）是以微波、超声波和红外线等对车辆发射电磁波产生感应的检测器。（1）超声波检测器工作原理：由超声波发生器(探头)发射一束超声波,再接收从车辆或地面的反射波,根据反射波返回时间的差别,来判断有无车辆通过。由于探头与地面的距离是一定的,所以探头发出超声波并接收反射波的时间也是固定的。当有车辆通过时,由于车辆本身的高度,使探头接收到反射波的时间缩短,就表明有车辆通过或存在。优点：首先是不需破坏路面,也不受路面变形的影响;其次是使用寿命长,可移动架设方便缺点：其检测范围呈锥形,受车型、车高变化的影响,检测精度较差,特别是车流严重拥挤的情况下。另外检测精度易受环境的影响,尤其是大风、暴雨等的影响，探头下方通过的人或物也会产生反射波,造成误检。（2）红外检测器：红外检测器是应用广泛的悬挂式或路侧式交通检测器。工作原理：采用反射式检测技术。反射式检测器探头由一个红外发光管和一个红外接收管组成,其工作原理是由调制脉冲发生器产生调制脉冲,经红外探头向道路上辐射,当有车辆通过时,红外线脉冲从车体反射回来,被探头的接收管接收,经红外解调器解调,再通过选通、放大、整流和滤波后触发驱动器输出一个检测信号。优点：快速准确、轮廓清晰的检测能力。缺点：工作现场的灰尘、冰雾会影响系统的正常工作。（3）微波检测器微波车辆检测器主要由微波发射、接收探头及其控制器、调制解调器等组成。一般采用侧向安装模式。工作原理：微波车辆检测器通过发射中心频率为10.525GHZ或24.200GHZ的连续频率调制微波在检测路面上,投映一个宽度为 3-4米长度为64米的微波带。每当车辆通过这个微波投映区时,都会向检测器反射一个微波信号 ,检测器接收反射的微波信号,并计算接收频率和时间的变化参数以得出车辆的速度、长度等信息。优点：1安装简易方便 ,不破坏路面。维修时不需封闭车道。2.系统可全天候作 ,抗干扰能力强。能穿透雨滴、浓雾和大雪而不受影响,安装立柱的弯曲和振动也不会影响检测精度。3.交通量计数精度较高，目前,国内常用的微波车辆检测器的交通量计数精度一般在98%左右,缺点：1.微波车辆检测器（RTMS）的测量方式在车型单一，车流稳定，车速分布均匀的道路上准确度较高，但是在车流拥堵以及大型车较多、车型分布不均匀的路段，由于遮挡，测量精度会受到比较大的影响。另外，微波检测器要求离最近车道有3m的空间，如要检测8车道，离最近车道也需要7-9m的距离而且安装高度达到要求。因此，在桥梁、立交、高架路的安装会受到限制，安装困难，价格也比较昂贵。2.检测精度会受周围地形条件的影响,需安装在路侧没有丘陵或其他障碍物的平坦路段。三、方案选型综合考虑，在不需破坏路面,也不受路面变形的影响，其次是使用寿命长,同时性价比优势，我们选择超声波检测器。超声波测距原理：超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即:S = vt /2 这就是所谓的时间差测距法。由于超声波也是一种声波, 其声速C与温度有关,表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大, 则可认为声速是基本不变的。常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 , 声速增加约0. 6 米/ 秒。如果测距精度要求很高, 则应通过温度补偿的方法加以校正（本系统正是采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为：V = 331.45 + 0.607T 声速确定后, 只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。系统硬件电路设计图2超声波检测器系统框图基于单片机的超声波检测器框图如图2所示。该系统由单片机定时器产生40KHZ的频率信号、超声波传感器、接收处理电路和温度检测等构成。单片机是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。整体方案为单片机实时发射超声波信号，当超声波遇到障碍物将产生回波信号，系统将接收到的回波信号送到控制器，计算机判断出距离是否在8m以上，如果小于等于8m，则认为有前方有小车，发出高电平信号给上级控制器，告知不能放下栏杆。工作过程：开机，单片机复位，程序通过实时检测环境温度计算超声波速度,然后控制程序使单片机输出载波为40kHz的10个脉冲信号加到超声波传感器上，使超声波发射器发射超声波。当第一个超声波脉冲群发射结束后，单片机片内计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数，这样就得到了从发射到接收的时间差t;根据公式、计算出被测距离。 系统软件流程图项目选型超声波模块主要参数：产品型号：US40-25A产品分类：防水型产品类别：收发一体标称频率：40.01.0KHz声压：120dB min.灵敏度：-90dB min.静态电容：2200Pf20%余振：1.7ms max.最高输入电压：160Vp-p方向角：3010 (-6dB)检测范围：0.28m（反射）分辨率：10mm 工作温度：-40C+80C储存温度：-40C+85C外壳材料：铝壳尺寸图:单片机主要参数：精确的内部振荡器：出厂时精度已校准到 1%软件可选择频率范围： 8 MHz 到 125 kHz宽工作电压范围 （ 2.0V-5.5V）工业级和扩展