壓電薄膜傳感器在自動(dòng)車型分類器的應(yīng)用

江西方興科技有限公司，江西南昌 330025

一、引言

隨著人工成本不斷上升，越來(lái)越多的高速公路入口將采用自動(dòng)發(fā)卡機(jī)，為了杜絕在高速公路的出口收費(fèi)員配合司機(jī)作弊而人為改變車型達(dá)到少交通行費(fèi)，在車輛進(jìn)入高速公路入口從自動(dòng)發(fā)卡機(jī)取卡的同時(shí)把車型信息寫入通行卡，在出口根據(jù)通行卡內(nèi)保存的該車輛信息進(jìn)行收費(fèi)，有效的減少了人為原因造成高速公路運(yùn)營(yíng)方通行費(fèi)的損失。自動(dòng)車型分類器是高速公路無(wú)人值守發(fā)卡系統(tǒng)的重要組成部分，車輛經(jīng)過(guò)自動(dòng)車型分類器后自動(dòng)檢測(cè)出車輛的車長(zhǎng)、軸距和軸型，并通過(guò)這些參數(shù)結(jié)合車輛輪廓對(duì)車輛進(jìn)行自動(dòng)分類，最后將車輛分類信息通過(guò)串口發(fā)送至自動(dòng)發(fā)卡機(jī)。

本文介紹了壓電薄膜傳感器在自動(dòng)車型分類器中對(duì)車輛的各種參數(shù)（車長(zhǎng)、軸距和軸型）的檢測(cè)原理，并描述了該項(xiàng)目的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。該車型分類器對(duì)車輛各種參數(shù)的檢測(cè)主要通過(guò)壓電薄膜傳感器，無(wú)任何機(jī)械機(jī)構(gòu)，具有準(zhǔn)故障率低、確率高和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在高速公路車型分類設(shè)備中具有很高應(yīng)用前景。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

壓電薄膜傳感器由金屬編織芯線、壓電材料和金屬外殼制成同軸結(jié)構(gòu)。當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)與施加到傳感器上的壓力成正比的模擬信號(hào)，并且該信號(hào)輸出的時(shí)間與輪胎停留在傳感器上的時(shí)間相同。每當(dāng)一個(gè)輪胎經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，傳感器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的電子脈沖。

自動(dòng)發(fā)卡系統(tǒng)由自動(dòng)發(fā)卡機(jī)、自動(dòng)車型分類器和欄桿機(jī)組成，示意圖見(jiàn)圖1。其中虛線內(nèi)為自動(dòng)車型分類器，主要由壓電傳感器、紅外光幕和主機(jī)等組成。紅外光幕用于檢測(cè)車輛和掃描車輛輪廓，當(dāng)車輛進(jìn)入自動(dòng)車輛分類器工作區(qū)域時(shí)，紅外光幕檢測(cè)到車輛并啟動(dòng)壓電傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)紅外光幕檢測(cè)到車輛離開(kāi)，單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)到的壓電傳感器數(shù)據(jù)和光幕輪廓數(shù)據(jù)判斷車輛的具體型號(hào)（客1～客4，貨1～貨5），然后通過(guò)串口將車型數(shù)據(jù)發(fā)送至自動(dòng)發(fā)卡機(jī)。

如圖1所示，在路面上布置有4根壓電傳感器，其中1、3、4號(hào)傳感器與車輛行駛方向垂直，用于檢測(cè)車輛行駛速度，2號(hào)傳感器斜置用于檢測(cè)輪胎單雙胎。當(dāng)一根軸上的輪胎壓過(guò)這3根傳感器時(shí)會(huì)產(chǎn)生3個(gè)峰波，3個(gè)峰波之間的時(shí)間即為車輛經(jīng)過(guò)這3根壓電傳感器的時(shí)間，已知1、3、4號(hào)傳感器之間的距離，根據(jù)距離和時(shí)間可以算出車輛經(jīng)過(guò)4、3號(hào)傳感器的速度和車輛經(jīng)過(guò)3、1號(hào)傳感器的速度，取平均值作為車輛經(jīng)過(guò)自動(dòng)車型分類器的平均速度。

同一根壓電傳感器產(chǎn)生的前后兩個(gè)峰波為車輛的兩軸經(jīng)過(guò)該壓電傳感器的時(shí)間，該時(shí)間乘以車輛行駛平均速度為這兩根軸的軸距，兩軸汽車有一個(gè)軸距，三軸汽車有兩個(gè)軸距，以此類推。

車輛經(jīng)過(guò)紅外光幕產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)量觸發(fā)單片機(jī)采集壓電傳器的時(shí)間乘以車輛行駛的平均速度就是該車的車長(zhǎng)。

斜置的壓電傳感器與路面的斜角為45°，用于檢測(cè)輪胎的單雙胎，車輛經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的峰波為雙峰波說(shuō)明是雙胎，單峰波則為單胎。

三、硬件電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)車型分類器的硬件電路主要由單片機(jī)、電源電路、壓電傳感器及電荷放大電路、紅外光幕及RS232轉(zhuǎn)換電路、2.5V基準(zhǔn)電壓電路、與自動(dòng)發(fā)卡機(jī)串口通信的RS232轉(zhuǎn)換電路和外置RAM組成，硬件框圖見(jiàn)圖2。

主控單片機(jī)采用STM32F101Z，該單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換器，并可外接基準(zhǔn)電壓。為了提高A/D采樣的精度和穩(wěn)定性，采用精度為0.2%、溫漂為15ppm/℃（0℃～70℃）電壓基準(zhǔn)芯片REF3125為ADC提供2.5V基準(zhǔn)電壓。外部擴(kuò)展IS61LV25616AL為A/D采集和光幕輪廓數(shù)據(jù)提供緩存，該存儲(chǔ)器為512K字節(jié)的靜態(tài)存儲(chǔ)器。電源電路共有3組電源輸出，3.3V為單片機(jī)系統(tǒng)供電，+5V和-5V為運(yùn)放組成的電荷放大器供電。單片機(jī)的三個(gè)串口分別連接紅外光幕、調(diào)試電腦和自動(dòng)發(fā)卡機(jī)，其中串口0接紅外光幕用于單片機(jī)接收車輛輪廓數(shù)據(jù)，串口1接調(diào)試電腦用于上位機(jī)接收并顯示車輛輪廓和壓電傳感器的波形，串口2接自動(dòng)發(fā)卡機(jī)用于將車型分類結(jié)果發(fā)送至自動(dòng)發(fā)卡機(jī)。

由于壓電薄膜傳感器產(chǎn)生的信號(hào)十分微弱，而且輸出阻抗極高，必須通過(guò)電荷放大器就將此微弱電荷變換成與其成正比的電壓，并將高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩?。采用輸入偏置電流和失調(diào)電流都比較低的TL062運(yùn)放組成電荷放大器，放大壓電傳感器產(chǎn)生的信號(hào)，電荷放大器電路見(jiàn)圖3。

四、軟件設(shè)計(jì)

本軟件主要由定時(shí)采集壓電傳感器數(shù)據(jù)、串口接收車輛輪廓數(shù)據(jù)、車輛參數(shù)計(jì)算、車型判斷和車型數(shù)據(jù)發(fā)送等程序組成。

軟件具體工作為，當(dāng)車輛進(jìn)入車型分類器工作區(qū)內(nèi)，紅外光幕檢測(cè)到車輛并輸出高電平，單片機(jī)產(chǎn)生外部中斷，啟動(dòng)定時(shí)2ms間隔時(shí)間采集壓電傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)接收來(lái)自紅外光幕的車輛輪廓數(shù)據(jù)，并將兩者數(shù)據(jù)存入外部RAM中。當(dāng)車輛離開(kāi)車型分類器工作區(qū)域，紅外光幕檢測(cè)信號(hào)恢復(fù)成低電平，單片機(jī)停止采集數(shù)據(jù)，讀取存儲(chǔ)在外部RAM中的壓電傳感器波形數(shù)據(jù)和車輛輪廓數(shù)據(jù)，根據(jù)壓電傳感器波形數(shù)據(jù)和光幕觸發(fā)時(shí)間計(jì)算車長(zhǎng)、軸距、是否為單雙胎，判斷軸型，根據(jù)光幕掃描的輪廓計(jì)算車輛高度和底盤高度。綜合車輛的各種參數(shù)對(duì)車輛進(jìn)行分類，并將車型分類數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口發(fā)送至自動(dòng)發(fā)卡機(jī)，程序流程圖如圖4。

五、系統(tǒng)測(cè)試

為了觀察壓電傳感器采集的波形是否光滑無(wú)毛刺、車輛輪廓是否完整，通過(guò)串口連接PC電腦，由上位機(jī)軟件對(duì)這兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)原，如圖5。

圖5中，壓電傳感器波形用4種顏色區(qū)分，分別代表4根壓電傳感器，由波形圖可以看出波形無(wú)毛刺，紅外光幕基本上把車輛的輪廓真實(shí)的掃描出來(lái)了。通過(guò)查找尖峰波的峰值確定輪胎壓過(guò)壓電傳感器的時(shí)間點(diǎn)。t1為車輛經(jīng)過(guò)4、3號(hào)傳感器的時(shí)間，t2為車輛經(jīng)過(guò)3、1號(hào)傳感器的時(shí)間。根據(jù)距離和時(shí)間計(jì)算速度v1和v2，取平均值作為車輛經(jīng)過(guò)車型識(shí)別器的平均速度va。t3為車輛兩軸經(jīng)過(guò)4號(hào)壓電傳感器的時(shí)間，有軸距L=va×t3。2號(hào)傳感器的尖峰波為單峰波，說(shuō)明該車輛胎型為單胎。

六、結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的自動(dòng)車型分類器主要為輪胎檢測(cè)器，它由多個(gè)壓力開(kāi)關(guān)排列組成，通過(guò)輪胎壓力觸發(fā)壓力開(kāi)關(guān)的通斷檢測(cè)輪胎經(jīng)過(guò)。由于壓力開(kāi)關(guān)為機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置，實(shí)際應(yīng)用時(shí)由于自身的機(jī)械磨損和灰塵污垢等影響容易導(dǎo)致壓力開(kāi)關(guān)接觸不良或失效。本系統(tǒng)采用壓電薄膜傳感器，沒(méi)有機(jī)械結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)，同時(shí)具有安裝時(shí)路面破損小、使用壽命長(zhǎng)和性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，通過(guò)在高速公路入口站的實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定可靠、車型分類準(zhǔn)確率高等特點(diǎn)。