高速公路多车道车辆智能计数系统的设计

    近年来，高速公路的建设步伐很快，对高速公路进行科学管理势在必行，如对车辆的流量统计和分析，可以实现高速公路载荷的有效控制与管理。

    目前，高速公路上对车辆的计数方法有的是使用环形感应线圈检测器，检测系统检测送出的信号脉冲电平比较高，很容易放大和滤波，但是信号很容易受到电磁干扰，而且这种系统比较庞大，制造成本高，也有采用红外热释电传感器的单车道车辆计数器，计数器用中规模IC构成，具有结构简单等特点，但仅仅适用于单车道且计数的数据不能长期保存，也无法与大型机之间实现通信[1]。为此设计了一种基于单片机的红外热释电传感的多车道车辆计数。

1 系统组成

    本系统由信号拾取、信号处理、单片机计数系统等部分组成。多车道车辆计数系统原理框图如图1所示，考虑实际情况和为方便讨论，这里取4车道。

     红外热释电传感器设置高速公路各车道正上方的监测点，当车辆经过时，它将车中人体辐射的红外光变换成电信号，由信号处理电路进行放大、滤波、门限比较，输出脉冲信号，经光电隔离耦合可将4路脉冲信号并行输入到单片机，通过单片机计数系统进行计数和显示，并由键盘设定计数值，当计数达到设定值或计满时发出声光报警信号，通过人工干预，手动可以解除计数器报警和完成计数清零。此外，本系统具有通信功能，能与上位机进行实时数据交换。

2.电路设计

2.1 信号处理电路

    信号处理电路如图2所示。

    信号处理电路包括信号拾取、放大及双限比较3部分，根据车辆计数的特点，选用被动式P2288型热释电用红外传感器作为探头[2]，将车辆信息转换成电信号，该传感器若加菲涅尔透镜，对活动人体的探测距离可达10m以上，且通过对电路的灵敏度进行调节，使其对人的灵敏度距离仅为1.5m左右时，对20m远处快速通过的车辆检测十分灵敏可靠。

    当车辆进入探测器的有效探测距离时，热释电红外传感器引脚2输出一个微弱的交变红外辐射信号直接送到IC1a放大器的同相输入端，由其放大2500倍后再从引脚1输出，通过C8耦合到IC1b进行进一步的放大。

    由运放IC2a和IC2b构成窗口式的双限比较器，用两个二极管IN4148组成或门选择有效电平输出，当IC1b的引脚7电压U7幅度Ua和Ub之间时，IC2的输出为低电位（Up=Uol）；当U7不在门限电位范围之间时（U7>UB或U7

    放大电路输出的信号中，不仅有被传感器检测到的有用信号，而且还包括了许多干扰信号，为了将被检测信号从众多的干扰信号中分离出来，比较器UA与UB间接入电位器R11用力调节窗口电压ΔU，使ΔU在0-1.71V之间变化，以达到调节电路灵敏度的目的，窗口电压ΔU=UB-UA，可用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间，车道上每经过一辆车，P点就输出一个脉冲。

    IC1选用低噪声低漂移高速运算放大器，R2-R8尽可能选用误差小、噪声小的金属氧化膜电阻器，C4、C8、C9选用漏电小的无极性电容器或钽电容器。

    电源电路可采用交直流自动切换供电的方式，以保证电网停电时计数系统仍然能继续正常工作。

2.2 光电隔离耦合电路

    光电隔离耦合电路的作用是将上述电路输出的UP脉冲信号转换成符合单片机要求的计数脉冲，且输出的脉冲个数等于被检测的行驶车辆个数[3]。

2.3 单片机计数系统电路

    计数显示电路可完成对上述脉冲信号的计数和显示。图3是由单片机构成的计数系统框图。

    计数系统以MCS-51系列单片机的8031为核心，8013单片机的外围扩展了程序存储器27C256和数据存储器WM0016DRH，此外，用8255扩展了I/O口，同时具有时钟单元、掉电保护、看门狗单元、通信单元以及LED（发光二极管）显示器、键盘等。

1）8031单片机及存储器

    8031内含4kb EEPROM程序存储器，具有功耗低、抗干扰能力强的特点，可安置于监测现场，数据存储器WM0016DRH是一种多功能非易失性SRAM，特点如下：高速高抗干扰自保持，不怕掉电，上下电百万次数据无丢失，断电保护10年有效，既可高速连续读写，也可任意地址单字节操作，无需拼凑页面，随机读写不需等待，立即有效，输入输出TTL/CMOS兼容，上电复位输出，掉电保护，内置看门狗，电源监测，不用外加电路和电池，且引脚与标准SRAM兼容。

2）计数及显示

    多车道车流量数对应的脉冲通过光电隔离耦合并行输入至8031单片机的P1口，通过软件控制和键盘设定计数值并用LED加以显示，可自动循环显示或定点显示两种方式，且两者相互间可任意切换[4]。

    当热释电传感器安装位置固定后，输入脉冲的脉宽和占空比均取决于高速公路上车辆的车速和车距（脉宽对应车辆传感器有效监视方位内的时间，车速和车距有限定），占空比q小于50%，为了准确拾取车流量信息，通过软件可实现单片机对每一路并行输入数据的读取周期小于脉宽，且将每路各自相邻的两读取周期读取的数据进行运算（暂存前一个周期读取的数据），若两数据为01，则自动计1，否则计0。其中0为前一个周期的读取数据，此时脉冲为低电平，1为后一个周期的读取数据，此时脉冲为高电平，从而避免了对脉冲的漏计和重复计数，再把4路的读数每一周期进行一次加运算，累加后的和就是总的车流量。

    将8031单片机内的定时器/计数器设定为工作方式1，构成16位二进制计数器[5]，采用动态扫描方式直接驱动5位十进制计数器[5]。采用动态扫描方式直接驱动5位十进制LED显示，最大计数值达到65536，可记录4车辆的车流量并显示一个月内的日流量，累计4车道一个月内的日流量总和，计数器内数据保护时间可达一个月之久。当计数器达到设定值时，声光报警，可存储数据，并手动复位。

3）时钟单元

    采用DS12C887实时时钟芯片，具有显示具体时间信息的功能，若设计调整和设置按键，可方便地对时间进行调整和设置，从而为车流量的统计提供准确的时间数据。

4）串行通信单元

    由于单片机系统的数据存储能力和数据处理能力有限，以及现场实时性要求较高，故单片机现场只能暂时存储采集到的数据和对数据进行简单处理，至于大量的数据存储和后续复杂的数据处理可交给上位机完成，由于大型机具有RS-232标准串行口，所以通过8031单片机TTL电平全双工串行口，附加RS-232电平转换电路MAX3232可与上位机实现数据通信。

3 软件设计

    计数系统的程序主要包括系统自检程序、系统初始化程序、键盘扫描程序、按键处理程序、显示程序以及数据采集处理程序等，图4所示为主程序流程。

4 安装与调试

    本系统能否安全可靠地工作，与传感器安放、探测灵敏度和门限比较器的域值密切相关，同时还要有较好的抗干扰措施。

    为防止车辆之外的闲杂人员引起的误检，可同时采用两种措施，传感器安放于公路各车道之正上方，且各车道互不干扰，仔细调节探测灵敏度，使之在人体移动速度之外和在车辆通过速度之内起作用。

    值得注意的是，门限比较器的域值取法很重要，它直接影响计数器的可靠性，域值太高，则灵敏度低，虽然对外界的干扰信号有所抑制，对信号的响应能力减弱，甚至不能响应，域值太低，则灵敏度高，对外界的干扰抑制能力减弱，外界干扰信号的输入有可能产生误计数，仔细调节电位器R11可以实现对20m处快速行驶的车辆检测灵敏可靠。

    本系统设计采用了以下硬件抗干扰技术[5]：

a）系统主控部件及检测电路的供电均采用交直流二级稳压，以提高电源的稳定性；

b）检测电路中设计的无源滤波环节可抑制低频、高频电磁干扰的串入；

c）通过门限“窗口”作用，对环境变化引起的越限行为进行有效的抑制；

d）严格的屏蔽和接地技术，信号线均采用金属屏蔽线，以消除空间的电磁噪声；

e）意防止雷、雨环境因素的影响，同时采用了软件抗干扰技术以进一步提高系统的可靠性。

5 结束语

    根据实际应用的需要，本系统采用了相关领域的新技术和新器件，具有多种功能，实现了智能化的监测，通过对本系统的研制和测试，该系统具有结构简单、性能可靠、灵敏度高、智能化等特点，研究结果表面：本系统对于高速公路上20m远处快速通过的车辆可以准确计数、显示，并存储和处理，为高速公路的科学管理提供原始数据。