基于可变计数门限的车检器设计

摘  要： 设计了一种基于可变计数门限的车检器，用于公路上检测机动车行驶速度和统计行车流量。车检器以ATMEL公司的8 bit低功耗AVR单片机ATmega16A为控制器，通过LC谐振电路将车辆通过情况转化为谐振频率的变化，单片机对变化的谐振频率信号进行分析和处理，最后通过RS485总线将检测结果发送给上位机。此车检器在实验室环境下工作稳定，能够在2.5 ms内完成一次检测，对公路交通监测与管理有较大实用价值。
关键词： 可变计数门限；车检器；环形线圈；ATmega16A
       随着道路行车速度的提升及行车数量的剧增，要求车检器必须具有快速的响应时间、准确的判断能力和稳定的工作状态。车检器检测技术主要有：视频[1]、环形线圈[2]、数字微波[2]、激光和红外线等。虽然检测技术种类多，但也存在许多不足：一方面是抗干扰能力较差，产品成本也比较高；另一方面则是检测响应时间较长，难以及时准确地检测到高速通过的车辆。
     针对常规公路的道路环境及车辆通行情况，本文介绍的车检器采用的是环形线圈检测技术。该技术原理简单、实现成本低、工作稳定可靠。在信号分析处理方面，采用了性能稳定的ATmega16A单片机[3]。车辆检测信号直接由单片机综合分析处理，每个通道检测响应时间控制在2.5 ms内完成，检测结果通过车检器前面板上的指示灯指示，并且采用RS485总线向上位机或其他监控设备发送检测结果数据包。
1 系统工作原理
1.1 环形线圈检测原理
     埋在路面下的环形线圈通过馈线连接到车检器上，与车检器上的电容及三极管等器件构成LC谐振电路，所产生的正弦波振荡信号整理成方波信号后送到单片机。在无车辆通过时，可认为由环形线圈所形成的电感值是稳定不变的，因此LC谐振电路的谐振频率也不变，单片机将接收到固定频率的方波，记为F1。在有行车通过埋地环形线圈时，由于机动车是一个大金属体，埋地线圈产生的电感量将发生变化，使得LC谐振电路的频率也随之变化，单片机接收到的方波频率记为F1+ΔF；而当机动车离开埋地线圈后，LC谐振频率将恢复为F1，从而实现了将车辆通过的有无，转换为发送到单片机的方波频率的变化。
1.2 可变计数门限工作原理
     对于采用固定门限的计数方式[4]，是给主计数器一个固定时长的计数时间，以检测信号作为计数时钟，如图1所示。
   
   
2 系统功能及其硬件组成
2.1 系统功能简介
     (1)本设计采用可变计数门限检测法。单片机初始化时将根据主计数器的计数值N实现自动调节可变门限计数器的计数上限值M，使得其计数时长在要求之内，而主计数器也能得到具有明显区分度的计数值。实际上，就是在检测时间和检测灵敏度之间达到一个平衡。
     (2)车检器提供了两个检测通道，每个通道可以单独使用，也可以联合使用。单独使用时可检测车流量，即当检测到车辆通过环形线圈时则累加过车数量；联合使用时可检测车速，当车辆经过第一个线圈时记录车辆进入时间T1，进入第二个线圈时记录进入时间T2，则行车速度为V=S/(T2-T1)，其中S为两个线圈的间隔距离。
     (3)车检器具备上位机远程操控功能。上位机通过RS485总线实现远程操控车检器的工作模式及设定检测参数(包括检测灵敏度、自调谐、通信波特率、初始化、通道开启状况等)。输入输出数据格式可根据用户的要求进行组帧，提高了车检器的适用性。
     (4)参数设置及工作状态指示。采用两个8 bit拨码开关用于参数设置，其中一个在前面板上提供通道的检测灵敏度和存在时间设定，另一个在车检器电路板上提供地址码设定、节能模式、串口使能、自调谐等功能的设定。8个LED用于在前面板指示车检器工作状态(包括存在指示、故障指示、通信指示、电源指示和编程指示等)。
2.2 硬件组成
     车检器的硬件组成框图如图3所示，介绍如下：
     (1)LC谐振电路：采用了双通道时分复用的方式，外部的埋地环形线圈分别接入到车检器上的隔离线圈，通过单片机控制两个通道的选通情况，每次只能有一个通道被选通。这样不但能让电路更简单，而且避免了两个通道之间的互相干扰。