一种基于环形线圈的车辆检测器设计
日期：2009-3-27 23:20:21 来源：中国自动化网
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1 设计的意义及目的
近年来，高速公路收费站的控制手段由人工向自动化过渡，如车辆到离检测、道闸栏杆抬落等前端操作步骤已全部由智能交通系统控制，减轻了人工劳动强度，提高了通行效率。
智能交通系统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它现代技术集成应用于交通运输领域，建立起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。
2 发展概况
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。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。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悉尼协调自适应交通系统，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。
针对现阶段国内车辆检测器的生产厂家较少，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。
虽然计算机视频检测器具有识别范围广，能提供综合交通流信息的优点，但它一时难以解决视觉理论、关键技术与工程实现等问题，故研究智能环形线圈检测器具有比较现实的意义。
3 车辆检测器的设计
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。
3．1 工作原理
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2m×1．5m)。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。本设计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，目前在工程上应用很广。
3．2 硬件组成
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1O～20mm 下，挖掘一个2m×1．5m 左右的沟槽，沟槽宽度约10ram，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。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
PIC16F877单片机是PIC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MCS～51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。
3．3 检测电路
电路如图1所示。
匝数传感器的线圈电感
式(1)中，铁心的磁导率 μ 不是一个常数，而空气的磁导率 。μ0 是常数，所以 μ 对测量会产生影响。
的电容器，所以此有源网络作为一个电容接到方波发生器中，其方波发生器的输出频率为：
得到频率会增大。此频率经过光电耦合器送入PIC16F877中CCP1引脚。
3．4 设计时注意的问题
(1)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～8O km／h的行驶速度。由于地埋线圈沿车辆行驶方向的宽度约为1 ～1．5 m ，为了实现可靠的识别，必须确保车辆以8Okin／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25 ms。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MCU 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6O～200 kHz)；然后以25ms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F0进行比较，由此便可确定车辆的到离状态。
(2)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。
(3)震荡电路是由电感和电容组成的，在每次检测完毕后，由于震荡频率的变化，在电容上可能有多余的
电荷存在，经过若干次检测后，积累的电荷将击穿电容，使设备不能正常工作。所以在设计电路时应该考虑震荡电路的保护电路(快速放电电路)。
4 结论
本文着眼于智能交通系统中最基本、也是最重要的车辆检测器的研究。
(2)这种车辆检测器设计原理简单，电路实现方便，具有精度高、实时性强、性能稳定等优点。在实际工程应用中，设备安装简单，维护工作少，提高了高速公路的智能化管理程度。
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智能交通系统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它现代技术集成应用于交通运输领域，建立起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。
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2 发展概况
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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。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。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悉尼协调自适应交通系统，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。
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针对现阶段国内车辆检测器的生产厂家较少，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。
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虽然计算机视频检测器具有识别范围广，能提供综合交通流信息的优点，但它一时难以解决视觉理论、关键技术与工程实现等问题，故研究智能环形线圈检测器具有比较现实的意义。
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3 车辆检测器的设计
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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。
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3．1 工作原理
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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2m×1．5m)。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。本设计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，目前在工程上应用很广。
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3．2 硬件组成
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检测装置主要由传感器、微控制器、输入输出等三部分组成。
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(1)传感器部分
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在地面1O～20mm 下，挖掘一个2m×1．5m 左右的沟槽，沟槽宽度约10ram，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。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。
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(2)微控制器部分
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(3)输入输出部分
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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。
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3．3 检测电路
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电路如图1所示。
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匝数传感器的线圈电感
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式(1)中，铁心的磁导率 μ 不是一个常数，而空气的磁导率 。μ0 是常数，所以 μ 对测量会产生影响。
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(1)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～8O km／h的行驶速度。由于地埋线圈沿车辆行驶方向的宽度约为1 ～1．5 m ，为了实现可靠的识别，必须确保车辆以8Okin／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25 ms。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MCU 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6O～200 kHz)；然后以25ms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F0进行比较，由此便可确定车辆的到离状态。
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(2)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。
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(3)震荡电路是由电感和电容组成的，在每次检测完毕后，由于震荡频率的变化，在电容上可能有多余的
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电荷存在，经过若干次检测后，积累的电荷将击穿电容，使设备不能正常工作。所以在设计电路时应该考虑震荡电路的保护电路(快速放电电路)。
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4 结论
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本文着眼于智能交通系统中最基本、也是最重要的车辆检测器的研究。
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(2)这种车辆检测器设计原理简单，电路实现方便，具有精度高、实时性强、性能稳定等优点。在实际工程应用中，设备安装简单，维护工作少，提高了高速公路的智能化管理程度。
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