基于HC-SR04超聲測距的高速公路車輛輪廓檢測系統(tǒng)*

高　晶

(山西省自動化研究所，山西 太原 030012)

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基于HC-SR04超聲測距的高速公路車輛輪廓檢測系統(tǒng)*

高晶

(山西省自動化研究所，山西 太原 030012)

摘要：基于HC-SR04超聲測距技術(shù)設(shè)計了一種高速公路車輛輪廓檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成三個超聲測距單元，利用89C54RD+單片機(jī)、上位機(jī)及數(shù)據(jù)庫構(gòu)成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了車輛寬高尺寸的動態(tài)不停車快速檢測。經(jīng)測試，系統(tǒng)測量誤差小，測量速度快，能夠滿足高速公路治理超限超載工作自動化的要求。

關(guān)鍵詞：超聲測距；89C54RD+單片機(jī)；車輛輪廓檢測

截止2015年底，山西省全省高速通車?yán)锍踢_(dá)到5 028公里，119個縣(市、區(qū))中有112個通了高速，公路交通運(yùn)輸，已成為山西省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。隨著公路交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，受利益驅(qū)動的超限超載現(xiàn)象更加突出，為保障道路運(yùn)輸安全，針對運(yùn)輸車輛的治超工作愈發(fā)重要[1]。傳統(tǒng)的治超工作通過人工方式完成車輛寬高尺寸的測量，存在工作效率低、人員工作量大、路面測量安全隱患多等問題，已不能滿足當(dāng)前治超工作的需要?；诖?，本文研究設(shè)計將成熟的超聲波測距技術(shù)應(yīng)用于超限車輛輪廓自動檢測系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)治超過程中車輛寬高尺寸的自動測量，對推進(jìn)治超工作的信息化與自動化具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)應(yīng)用于高速公路治超站，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，車輛輪廓檢測系統(tǒng)主要分為四部分，分別是：外場超聲測距單元、控制及數(shù)據(jù)處理單元、上位機(jī)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫。外場超聲測距單元由3個HC-SR04超聲測距模塊構(gòu)成，分別布置在龍門架的頂端及左右兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)對通過車輛的動態(tài)掃描測量；控制及數(shù)據(jù)處理單元實(shí)現(xiàn)對測距模塊工作流程的控制及針對原始數(shù)據(jù)的計算處理，并將初步處理的距離信息傳送至上位機(jī)；上位機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、車輛寬高尺寸的計算及數(shù)據(jù)顯示等功能；數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)車輛寬高歷史數(shù)據(jù)的保存與整理[2]。

2硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括89C54RD+單片機(jī)對超聲測距模塊的控制及各系統(tǒng)間的通信方式設(shè)計。

2.189C54RD+單片機(jī)對超聲測距模塊的控制

本系統(tǒng)基于高速公路超限檢測站的工作環(huán)境對系統(tǒng)硬件進(jìn)行選型設(shè)計，根據(jù)運(yùn)輸車輛的平均高度(4 m)及龍門架高度(約6 m)，要求超聲測距模塊的有效工作距離≥3 m，并保證測量精度在厘米級。本系統(tǒng)的超聲測距模塊采用HC-SR04。

HC-SR04超聲波測距模塊可提供2 cm～400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)3 mm；觀測角度15°，工作電壓為5V DC。模塊設(shè)置高電平信號作為觸發(fā)信號，觸發(fā)后自動發(fā)送8個40 kHz的方波并檢測是否有信號返回，如果有信號返回，輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。TRIG作為觸發(fā)信號的輸入，ECHO作為回響信號的輸出[3]。

圖2　超聲測距模塊結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用89C54RD+單片機(jī)對超聲測距模塊進(jìn)行邏輯控制，根據(jù)模塊工作時序圖，單片機(jī)需要向TRIG端提供一個10 μs以上脈沖觸發(fā)信號，并檢測來自ECHO輸出的高電平，記錄高電平時間，并保存至數(shù)據(jù)處理單元中。其控制電路設(shè)計如圖3所示。

圖3　控制電路示意圖

三個超聲測距模塊分別接在了89C54RD+單片機(jī)的P0、P1、P2口上，單片機(jī)提供觸發(fā)信號并接收回響信號。

2.2模塊間通信方式

本系統(tǒng)模塊間通信主要是單片機(jī)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，

采用RS-232接口的串行異步通信方式。在特殊的現(xiàn)場條件下，根據(jù)外場控制設(shè)備到上位機(jī)之間的距離及數(shù)據(jù)可靠性要求，也可采用RS-485或者TCP/IP的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為兩部分：1) 控制及數(shù)據(jù)處理單元工作流程；2) 上位機(jī)工作流程。

1) 控制及數(shù)據(jù)處理單元工作流程。

如圖4所示，當(dāng)前端設(shè)備(如地埋線圈、光柵等)檢測到有車輛進(jìn)入檢測區(qū)時，單片機(jī)通過P1^1向測距傳感器1的TRIG發(fā)出啟動電平信號，傳感器開始自動工作。單片機(jī)P1^2循環(huán)檢測ECHO端高電平信號并記錄持續(xù)時間t，通過距離S=t*聲速/2的計算公式，得到距離信息S1，檢測S1是否為有效數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)正常，則保存，若數(shù)據(jù)異常(超量程等)，則刪除；接下來依次啟動測距傳感器2及測距傳感器3，并對S2、S3做同樣保存處理。單片機(jī)對S1、S2、S3綜合判斷，若數(shù)據(jù)完整，則將其發(fā)送至上位機(jī)，若數(shù)據(jù)缺失，則結(jié)束本次測量并將錯誤信號發(fā)送至上位機(jī)。在測量系統(tǒng)的控制過程中，采用軟件直接查詢方式實(shí)現(xiàn)多個測量模塊的集成，并在關(guān)鍵邏輯點(diǎn)設(shè)置了合理的異常退出及報警機(jī)制，防止系統(tǒng)邏輯出現(xiàn)死循環(huán)[4]。

2) 上位機(jī)工作流程。

如圖5所示，上位機(jī)接收單片機(jī)的上傳信息，分析信息類型，如果是報警信息，則輸出至界面并提示；如果是數(shù)據(jù)信息，則保存至緩存；用戶手動輸入初始化距離信息，根據(jù)檢測車道環(huán)境的不同，初始化信息包括：橫向放置的兩個測距傳感器之間的距離L，頂部測距傳感器距離地面的高度H。軟件執(zhí)行w=L-S1-S2得到車道內(nèi)被測車輛的寬度，執(zhí)行h=H-S3得到被測車輛的高度。上位機(jī)將車輛寬高數(shù)據(jù)(w、h)、當(dāng)前時間、車道編號等信息保存至數(shù)據(jù)庫，并輸出至界面[5]。

圖5　上位機(jī)工作流程

4系統(tǒng)測試

測試中上位機(jī)軟件系統(tǒng)運(yùn)行于Win10系統(tǒng)下，被測車輛為普通轎車，系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6　軟件界面

車輛1車輛2車輛3車輛4車輛5系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)-寬19502500255025502550人工測量數(shù)據(jù)-寬19892475260126272627相對誤差2%1%2%3%3%系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)-高23804000356035503560人工測量數(shù)據(jù)-高23324120345336213453相對誤差2%3%3%2%3%

根據(jù)高速公路超限工作的相關(guān)規(guī)定，比對系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)與人工實(shí)際測量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的測量誤差能夠控制在5%以內(nèi)，本系統(tǒng)滿足超限檢測要求。

5結(jié)論

本文對高速公路車輛輪廓檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計做了詳細(xì)敘述，并利用89C54RD+單片機(jī)及Win10系統(tǒng)下的上位機(jī)軟件做了系統(tǒng)測試。根據(jù)系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)與人工測量數(shù)據(jù)的對比，系統(tǒng)的測量誤差滿足超限檢測工作的要求，系統(tǒng)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工測量方式，實(shí)現(xiàn)高速公路車輛寬高尺寸的不停車動態(tài)測量。

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Detection System of Vehicle Contour on Highway Based on HC-SR04 Ultrasonic Measurement

Gao Jing

(ShanxiAutomationResearchInstitute,TaiyuanShanxi030012,China)

Abstract:This paper designs a detection system of vehicle contour based on HC-SR04 ultrasonic measurement technology. The system integrates three ultrasonic ranging units, using 89C54RD+ MCU, host computer and database to constitute the control system and achieve the dynamic and rapid detection for vehicle contour without parking. The test shows that the system measurement error is small, the measurement speed is fast, and it can meet the requirements of highway overload management work.

Key words:ultrasonic measurement; 89C54RD+MCU; vehicle contour detection

收稿日期：2016-03-14

基金項(xiàng)目：2015年度山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目“基于輪廓檢測的綠通車智能識別系統(tǒng)”(2015031005)

作者簡介：高晶(1988- )，男，山西太原人，助理工程師，碩士，研究方向：高速公路機(jī)電自動化。

文章編號：1674- 4578(2016)03- 0027- 03

中圖分類號：U495；TP 274.53

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A