基于環(huán)形線圈采集車流量原理簡易實訓設計＊

商 林

（武漢交通職業(yè)學院，湖北 武漢 430065）

武漢交通職業(yè)學院通過交通安全與智能控制專業(yè)湖北省實訓基地的建設，使本專業(yè)的實訓條件大為改善，其中專業(yè)核心課程《交通信息采集與處理》也建成了交通信息采集實訓室，可以開展本核心課程中的七個實驗，基于環(huán)形線圈采集交通流量是其中實訓之一。在做該實訓時，學生一邊觀看路面埋設的線圈、路邊的立桿、閃光燈、紅綠燈、信號機等設備，一邊聽老師講解實驗原理，當學生去實訓室做實驗時，都會操作相關設備，但有關實驗原理，能完整說出的學生不多，對畢業(yè)后想從事交通智能設備開發(fā)的學生，不了解實驗原理或一知半解，不利他們以后專業(yè)的發(fā)展。學生不了解實驗原理的主要原因是：這些設備很多都是埋在地下，或者是架設在立桿上，整個系統(tǒng)都是經過系統(tǒng)集成的，是個“黑盒”，不能拆開每一個部分進行分析，然后再讓學生組裝，所以學生不能很好地了解實驗原理。針對實訓中存在的這個不足，我們組織部分動手能力強的學生，設計了簡易的基于環(huán)形線圈采集車流量原理實驗裝置，讓學生動手做，這一教學處理，提高了實驗效果，也加深學生對環(huán)形線圈采集車流量原理的理解程度。

1 實驗原理

環(huán)形線圈檢測器是一種基于電感應用原理的車輛檢測技術，其傳感器是一個埋在路面下、通過一定工作電流的環(huán)形線圈。當車輛停在或駛過線圈時，車輛的金屬部分產生渦流電流，且電流方向與線圈中電流的方向相反，因此，引起渦流電流產生的磁場與線圈電流產生的磁場方向也相反，使得線圈磁場場強減小，而線圈磁場場強的減小使得振蕩電路的振蕩頻率增加，從而引發(fā)電子元件向控制箱發(fā)出脈沖，以表征車輛的出現(xiàn)和經過。所以可以通過檢測線圈中電流相位、頻率等發(fā)生改變，達到檢測車輛通過、采集車流量的目的。其等效電路如圖1所示。

圖1 環(huán)形線圈與車輛等效電路

本實訓中利用地埋環(huán)形線圈構成回路的耦合電路對其振蕩頻率進行檢測，振蕩電路產生正弦波，經過放大電路放大幅值使信號更加明顯，再通過濾波電路使通過20KHZ到100KHZ的頻帶，最后通過整形電路使正弦波轉換為矩形波，產生一個5V左右的正脈沖，送到單片機P3.2口，設置GATE＝1，單片機的計數(shù)器為高電平觸發(fā)，這樣在環(huán)形線圈上每通過一輛車時，電路中會產生一個5V的高電平，從而計數(shù)器中斷觸發(fā)，產生加1操作，達到采集車流量目的。

2 模塊設計

2.1 振蕩電路

振蕩電路是本實訓的信號輸入電流時產生正弦波的振蕩電路，選擇的是三點式振蕩電路，因為三個端子和器件的三個電極相連如圖2所示。圖中Rb1＝62KΩ，Ce＝Cb＝10uf，C1＝0.1pf，L為電感線圈。晶體管VT1處于共射放大組態(tài)，工作在放大狀態(tài)。系統(tǒng)工作在正常狀態(tài)下，振蕩電路輸出信號是正弦波，頻率為

由公式（1）知，f與電路中電感L、電容c1、c2有關，但c1、c2為固定值，所以f只與L有關，當L發(fā)生變化時，振蕩電路的振蕩頻率也發(fā)生反方向的變化，從而實現(xiàn)對車輛的探測。圖中感應線圈L是產生電感量的，一般施工時，要繞4－5圈，由學生自己用銅絲繞，如圖3所示。

圖2 振蕩電路模塊

圖3 自制感應線圈

2.2 濾波電路

帶通濾波器的作用是允許某一段頻帶范圍內的信號通過，而將此頻帶以外的信號阻斷。帶通濾波器經常用于抗干擾設備中，以便接收某一頻帶范圍內的有效信號，而消除高頻段和低頻段的干擾和噪聲。

從原理上講，將一個通帶截止頻率為f2的低通濾波器與一個通帶截止頻率為f1的高通濾波器串聯(lián)起來，當滿足條件f2＞f1時，即可構成帶通濾波器。

當輸入信號通過電路時，低通濾波器將f＞f2的高頻信號阻斷，而高通濾波器將f＜f1的低頻信號阻斷，最后，只有頻率范圍在f1＜f＜f2的信號才能通過電路，于是電路成為一個帶通濾波器，其頻帶寬度等于f2－f1。設計的帶通濾波電路如圖4所示。

圖4 濾波電路模塊

2.3 整形電路

整形電路核心是電壓比較器，其原理是將一個模擬電壓信號與一個參考電壓相比較，輸出一定的高低電平。由于振蕩電路產生的是正弦波，不利于單片機中斷的識別，所以要設計電路，將正弦波整形為方波。處于開環(huán)工作狀態(tài)的集成運放是一種最簡單的過零比較器，此時，集成運放工作在非線性區(qū)，因此，當U1＜0時，Uo＝＋Uopp；當U1＞0時，Uo＝－Uopp。其中Uopp是集成運放的最大輸出電壓，這里我們選擇5V的輸出電壓，如圖5所示。

圖5 整形電路

2.4 單片機編程

編程思路：首先設置方式寄存器TOM的值，確定計數(shù)器T0、T1的工作方式，其中GATE＝1，表示計數(shù)器啟動受外部中斷請求信號引腳p3.2的控制，只有外部中斷請求信號為高電平時才啟動計數(shù)器，這正好和前面的整形電路輸出＋5V的方波對應。

程序如下：

3 總結

測試時，由于沒有車輛，我們選擇磁鐵來模擬車輛。當磁鐵經過線圈時，用萬用表微伏檔可以看到指針有偏轉，測量單片機p3.2口，有5V左右的電壓，同時數(shù)碼管顯示加1。

通過本次實訓的小制作，學生了解了基于環(huán)形線圈采集車流量的原理，彌補了在實訓室做實驗只會操作，不了解實驗原理的不足，對將來從事智能交通設備開發(fā)的學生有很大的收益。

［1］肖前紅.基于環(huán)形線圈的車輛檢測器設計［J］.科技廣場，2010，（7）：153－155.

［2］弓晉麗.基于檢測線圈數(shù)據(jù)的道路交通瓶頸分析［J］.公路交通科技，2010，（7）：122－126.

［3］鄭建湖.基于環(huán)形線圈檢測器信息的交通狀態(tài)模糊識別方法［J］.昆明理工大學學報（理工版），2009，（2）：77－81.

［4］初彥龍.環(huán)形線圈實現(xiàn)電子警察對逆行闖紅燈車輛的抓拍［J］.交通與運輸，2012，（2）：157－159.