商 林

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

武漢交通職業(yè)學(xué)院通過(guò)交通安全與智能控制專業(yè)湖北省實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)，使本專業(yè)的實(shí)訓(xùn)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(shí)訓(xùn)室，可以開(kāi)展本核心課程中的七個(gè)實(shí)驗(yàn)，基于環(huán)形線圈采集交通流量是其中實(shí)訓(xùn)之一。在做該實(shí)訓(xùn)時(shí)，學(xué)生一邊觀看路面埋設(shè)的線圈、路邊的立桿、閃光燈、紅綠燈、信號(hào)機(jī)等設(shè)備，一邊聽(tīng)老師講解實(shí)驗(yàn)原理，當(dāng)學(xué)生去實(shí)訓(xùn)室做實(shí)驗(yàn)時(shí)，都會(huì)操作相關(guān)設(shè)備，但有關(guān)實(shí)驗(yàn)原理，能完整說(shuō)出的學(xué)生不多，對(duì)畢業(yè)后想從事交通智能設(shè)備開(kāi)發(fā)的學(xué)生，不了解實(shí)驗(yàn)原理或一知半解，不利他們以后專業(yè)的發(fā)展。學(xué)生不了解實(shí)驗(yàn)原理的主要原因是：這些設(shè)備很多都是埋在地下，或者是架設(shè)在立桿上，整個(gè)系統(tǒng)都是經(jīng)過(guò)系統(tǒng)集成的，是個(gè)“黑盒”，不能拆開(kāi)每一個(gè)部分進(jìn)行分析，然后再讓學(xué)生組裝，所以學(xué)生不能很好地了解實(shí)驗(yàn)原理。針對(duì)實(shí)訓(xùn)中存在的這個(gè)不足，我們組織部分動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的基于環(huán)形線圈采集車流量原理實(shí)驗(yàn)裝置，讓學(xué)生動(dòng)手做，這一教學(xué)處理，提高了實(shí)驗(yàn)效果，也加深學(xué)生對(duì)環(huán)形線圈采集車流量原理的理解程度。

1 實(shí)驗(yàn)原理

環(huán)形線圈檢測(cè)器是一種基于電感應(yīng)用原理的車輛檢測(cè)技術(shù)，其傳感器是一個(gè)埋在路面下、通過(guò)一定工作電流的環(huán)形線圈。當(dāng)車輛停在或駛過(guò)線圈時(shí)，車輛的金屬部分產(chǎn)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(chǎn)生的磁場(chǎng)與線圈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也相反，使得線圈磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)減小，而線圈磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)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(jīng)過(guò)。所以可以通過(guò)檢測(cè)線圈中電流相位、頻率等發(fā)生改變，達(dá)到檢測(cè)車輛通過(guò)、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(shí)訓(xùn)中利用地埋環(huán)形線圈構(gòu)成回路的耦合電路對(duì)其振蕩頻率進(jìn)行檢測(cè)，振蕩電路產(chǎn)生正弦波，經(jīng)過(guò)放大電路放大幅值使信號(hào)更加明顯，再通過(guò)濾波電路使通過(guò)20KHZ到100KHZ的頻帶，最后通過(guò)整形電路使正弦波轉(zhuǎn)換為矩形波，產(chǎn)生一個(gè)5V左右的正脈沖，送到單片機(jī)P3.2口，設(shè)置GATE＝1，單片機(jī)的計(jì)數(shù)器為高電平觸發(fā)，這樣在環(huán)形線圈上每通過(guò)一輛車時(shí)，電路中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)5V的高電平，從而計(jì)數(shù)器中斷觸發(fā)，產(chǎn)生加1操作，達(dá)到采集車流量目的。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 振蕩電路

振蕩電路是本實(shí)訓(xùn)的信號(hào)輸入電流時(shí)產(chǎn)生正弦波的振蕩電路，選擇的是三點(diǎn)式振蕩電路，因?yàn)槿齻€(gè)端子和器件的三個(gè)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(hào)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(guān)，但c1、c2為固定值，所以f只與L有關(guān)，當(dāng)L發(fā)生變化時(shí)，振蕩電路的振蕩頻率也發(fā)生反方向的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的探測(cè)。圖中感應(yīng)線圈L是產(chǎn)生電感量的，一般施工時(shí)，要繞4－5圈，由學(xué)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(yīng)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(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而將此頻帶以外的信號(hào)阻斷。帶通濾波器經(jīng)常用于抗干擾設(shè)備中，以便接收某一頻帶范圍內(nèi)的有效信號(hào)，而消除高頻段和低頻段的干擾和噪聲。

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

當(dāng)輸入信號(hào)通過(guò)電路時(shí)，低通濾波器將f＞f2的高頻信號(hào)阻斷，而高通濾波器將f＜f1的低頻信號(hào)阻斷，最后，只有頻率范圍在f1＜f＜f2的信號(hào)才能通過(guò)電路，于是電路成為一個(gè)帶通濾波器，其頻帶寬度等于f2－f1。設(shè)計(jì)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(gè)模擬電壓信號(hào)與一個(gè)參考電壓相比較，輸出一定的高低電平。由于振蕩電路產(chǎn)生的是正弦波，不利于單片機(jī)中斷的識(shí)別，所以要設(shè)計(jì)電路，將正弦波整形為方波。處于開(kāi)環(huán)工作狀態(tài)的集成運(yùn)放是一種最簡(jiǎn)單的過(guò)零比較器，此時(shí)，集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)，因此，當(dāng)U1＜0時(shí)，Uo＝＋Uopp；當(dāng)U1＞0時(shí)，Uo＝－Uopp。其中Uopp是集成運(yùn)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(jī)編程

編程思路：首先設(shè)置方式寄存器TOM的值，確定計(jì)數(shù)器T0、T1的工作方式，其中GATE＝1，表示計(jì)數(shù)器啟動(dòng)受外部中斷請(qǐng)求信號(hào)引腳p3.2的控制，只有外部中斷請(qǐng)求信號(hào)為高電平時(shí)才啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，這正好和前面的整形電路輸出＋5V的方波對(duì)應(yīng)。

程序如下：

3 總結(jié)

測(cè)試時(shí)，由于沒(méi)有車輛，我們選擇磁鐵來(lái)模擬車輛。當(dāng)磁鐵經(jīng)過(guò)線圈時(shí)，用萬(wàn)用表微伏檔可以看到指針有偏轉(zhuǎn)，測(cè)量單片機(jī)p3.2口，有5V左右的電壓，同時(shí)數(shù)碼管顯示加1。

通過(guò)本次實(shí)訓(xùn)的小制作，學(xué)生了解了基于環(huán)形線圈采集車流量的原理，彌補(bǔ)了在實(shí)訓(xùn)室做實(shí)驗(yàn)只會(huì)操作，不了解實(shí)驗(yàn)原理的不足，對(duì)將來(lái)從事智能交通設(shè)備開(kāi)發(fā)的學(xué)生有很大的收益。

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