基于環(huán)形感應(yīng)線圈的車輛檢測器

1、1任務(wù)要求11任務(wù)要求本課程設(shè)計的主要任務(wù)是設(shè)計基于環(huán)形感應(yīng)線圈的車輛檢測器，運用電路設(shè)計與制版工具PROTEUS軟件對環(huán)形感應(yīng)線圈車輛檢測器進行硬件電路設(shè)計。檢測器的主要工作原理是當(dāng)有車輛經(jīng)過時，環(huán)形線圈將感應(yīng)到電感的變化，經(jīng)振蕩電路將電感變化轉(zhuǎn)換為頻率變化信號，然后經(jīng)放大、濾波、整形電路將信號轉(zhuǎn)換成矩形波信號，最后通過51單片機得到隨環(huán)形電感變化的頻率值。通過本次課程設(shè)計，達到熟悉環(huán)形線圈車輛檢測器的工作原理，了解環(huán)形線感應(yīng)線圈原理及輸出信號特點，設(shè)計出可將環(huán)形線感應(yīng)線圈的電感變化信號轉(zhuǎn)換為頻率變化信號的振蕩電路及放大、濾波、整形和檢測電路的目的。設(shè)計內(nèi)容中涉及到的具體工作包括對環(huán)形感應(yīng)線

2、圈、車輛檢測器的工作原理進行介紹、包括參數(shù)計算和元器件引腳圖在內(nèi)的各單元電路的設(shè)計、總電路圖的繪制及各單元電路的可行性仿真等。12原理介紹環(huán)形線圈車輛檢測器的工作原理是：埋設(shè)在道路下面的環(huán)形線圈電感元件與檢測器內(nèi)的電容及附加電路組成電容三點式振蕩電路。車輛通過時對檢測器最直接的作用的是引起整個回路的總電感變化，其中包括兩個部分，一部分是環(huán)形線圈的自感，另一部分是環(huán)形線圈與車輛金屬底盤之間的互感。具體地說是當(dāng)車輛經(jīng)過埋有環(huán)形線圈的道路上方時，根據(jù)電磁感應(yīng)原理和楞次定理，車體的金屬底盤產(chǎn)生自成閉合回路的感應(yīng)渦流，這個渦流又產(chǎn)生了與原閉合回路中磁場相反的新磁場，導(dǎo)致線圈的總電感量減小，但是，車輛底盤

3、作為金屬導(dǎo)體通過擁有環(huán)形線圈的道路上方時能夠增加線圈周圍空間的導(dǎo)磁率，是環(huán)形線圈的電感量又有增加的趨勢。所以，在車輛通過環(huán)形線圈時，對環(huán)形線圈電感量同時具有增大和減小的作用。一輛車，無論它的形狀有多么復(fù)雜，當(dāng)它通過環(huán)形線圈時，在底盤中引起渦流是必然的，渦流對環(huán)興地埋線圈的影響也是必然的。所以車輛可以被看成一個具有電感和電阻的短環(huán)路，這個短環(huán)路通過互感與環(huán)形線圈相耦合。和分別是環(huán)形線圈的電阻和電感，等效電路圖如圖1所示。假設(shè)環(huán)形線圈的電壓為，則，和分別為車輛回路電流。圖1 環(huán)形線圈與車輛的等效電路2.總體方案選擇與設(shè)計2.1背景車輛檢測系統(tǒng)概述隨著現(xiàn)如今經(jīng)濟的飛速發(fā)展，智能交通已經(jīng)在我國各大小城

4、市悄然興起，車輛檢測器作為交通信息采集的一個重要組成部分，越來越受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。車輛檢測器以機動車輛為檢測目標，檢測車輛的通過或存在狀況等數(shù)據(jù)，為智能交通控制系統(tǒng)提供足夠的信息以便進行最優(yōu)的控制?，F(xiàn)行的車輛檢測器種類較多，主要有線圈式車輛檢測器、微波車輛檢測器、視頻檢測器等。傳統(tǒng)車輛檢測系統(tǒng)的不足相對于現(xiàn)在普遍使用的線圈式車輛檢測系統(tǒng)，傳統(tǒng)的微波車輛檢測器和視頻檢測器存在較多不足之處。此外的磁頻檢測器和機械壓電檢測器都存在較多不合理的地方。波頻車輛檢測器多為吊掛式檢測體系，利用微波、超聲波和紅外線等對車輛發(fā)射電磁波經(jīng)反射前后進行數(shù)據(jù)檢測的車檢器，其檢測基理是按照特定地區(qū)的全部車型假定一個牢

5、固的車長，經(jīng)由檢測到投影地區(qū)內(nèi)的車輛的進入與分開過程的時候間來計算車速。其缺點是在車流擁堵以及車型較多、車輛漫衍不勻稱的路段，測量精度會受到較大的影響。此外，微波檢測器要求較大的空間和安裝高度，因此不適合在橋梁、立交、高架路段進行檢測，價格也相對昂貴。視頻車輛檢測器是由視頻攝像機作傳感器，在視頻范疇內(nèi)配置檢測區(qū)，車輛進入檢測區(qū)時使配景灰度值產(chǎn)生較大變化，從而得知車輛的存在，并以此檢測車輛的流量和速率。其不足之處在于安置調(diào)試艱苦，造價比較高，輕易受惡劣氣候、燈光、暗影等情況的影響，汽車的動態(tài)暗影也會帶來滋擾，特別是晚上誤報率高。我國車輛檢測系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀我國機動車計量檢測事業(yè)的發(fā)展大致可分為三個

6、階段。第一階段是自上世紀六十年代引入汽車檢測這一概念開始直到九十年代初我國第一套國家機動車計量檢測標準裝置的建立，這一跨度達30年得時期是我國汽車檢測事業(yè)的萌芽、起步階段。第二階段是從九十年代初到2004年道路交通安全法的實施，這一階段我國車輛檢測事業(yè)得到了長足的發(fā)展，全國各地先后建立了各類車輛檢測機制。第三階段由04年至今，從前一階段數(shù)量上的急劇增長逐漸實現(xiàn)著質(zhì)量上的質(zhì)的提高。但在這些參差不齊的車輛檢測器中，存在的問題依舊很多，像車檢器的精度、成本等都成為車檢系統(tǒng)發(fā)展的礙腳石。出于目前國內(nèi)的創(chuàng)新體系的羸弱，車輛檢測器的進一步發(fā)展提升仍有較大的空間，而若想進一步發(fā)掘這些技術(shù)，就得做出進一步的創(chuàng)

7、新與提高。研究的意義隨著檢測事業(yè)的發(fā)展，線圈車輛檢測系統(tǒng)憑借其高準確率、低成本和高可靠性而被大量使用?，F(xiàn)階段國內(nèi)生產(chǎn)車輛檢測器的廠家并不多，產(chǎn)品性能也較低，而國外進口的產(chǎn)品價格高昂，外圍接口也較少，沒有車型分類功能，基于這一現(xiàn)狀，我們試著著手基于環(huán)形線圈的車輛檢測器研究。2.2總體方案的設(shè)計 由設(shè)計任務(wù)和要求可知，要完成預(yù)定功能，需要地埋感應(yīng)線圈、電容三點式LC振蕩電路、運算放大器、濾波電路、整形電路及單片機系統(tǒng)。如圖2所示框圖結(jié)構(gòu)。圖2 環(huán)形線圈車輛檢測器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)環(huán)形地埋感應(yīng)線圈是基于電磁感應(yīng)原理的車輛檢測器的傳感頭部分，是一個埋在路面下，通有一定工作電流的環(huán)形線圈，一般為2米1.5米。當(dāng)

8、車輛通過環(huán)形地埋線圈或停在環(huán)形地埋線圈上，車輛自身鐵質(zhì)切割磁通線，引起線圈回路電感量的變化，檢測器通過檢測該電感變化量就可以檢測出車輛的存在。檢測電感量的變化一般來說有兩種方式，一是利用相位鎖存器和相位比較器，對相位的變化進行檢測，另一種方式則是利用由環(huán)形地埋線圈構(gòu)成回路的耦合電路對其振蕩頻率進行檢測。此處將采用第二種檢測方式。 電容反饋式振蕩電路包含了放大電路、選頻網(wǎng)絡(luò)、反饋網(wǎng)絡(luò)和非線性原件晶體管四個部分，而且放大電路能正常工作。只要電路參數(shù)選擇得當(dāng)，電路就可滿足幅值條件產(chǎn)生正弦波振蕩。電容反饋式振蕩電路的輸出電壓波形好，但若用改變電容的方法來調(diào)節(jié)振蕩頻率，則會影響電路的起振條件，若用改變電

9、容的方法來調(diào)節(jié)振蕩頻率，則較困難，所以常常用在固定振蕩頻率的場合。數(shù)據(jù)放大器是數(shù)據(jù)采集、精密測量以及工業(yè)自動控制系統(tǒng)中的重要組成部分，其主要要求是高增益、高輸入阻抗和高共模抑制比?？晒┻x用的數(shù)據(jù)放大器產(chǎn)品很多，但三運放數(shù)據(jù)放大器的各方面特性都相對比較好。但是，由查分比例運算電路的特點出發(fā)，電路中的相關(guān)電阻必須采用高精密度電阻，并要精確匹配，否則將影響輸入輸出關(guān)系，也會降低電路的共模抑制比。根據(jù)振蕩電路特性及要求，20kHz-200kHz區(qū)間的某個頻率要求濾波電路采用帶通濾波器電路。帶通濾波器電路可簡單理解為低通濾波器與高通濾波器串聯(lián)而成。實用電路中常采用單個集成運放構(gòu)成壓控電源二階帶通濾波電路

10、。整形電路可采用反相器整形，也可采用單限比較器如過零比較器整形。此處采用過零比較器對輸入正弦波整形，可得到上升沿和下降沿都比較理想的矩形波信號。過零比較器，顧名思義，其閾值電壓U=0V。其集成運放工作在開環(huán)狀態(tài)，其輸出電壓為+12V或者-12V。圖3 AT89C51單片機封裝方案最后對矩形波頻率計數(shù)模塊采用了51單片機。51系列單片機具有性價比高、集成度高、體積小、高可靠性、控制功能強、易于擴展應(yīng)用等優(yōu)點。憑借其性能優(yōu)點，已在工業(yè)自動化方面、儀器儀表方面、家用電器方面、信息與通信產(chǎn)品方面、軍事方面等到廣泛應(yīng)用。因此在車輛檢測器中運用51單片機對電路輸出矩形波的頻率進行計數(shù)是一個很合適的選擇。圖

11、3為51系列單片機中AT89C51的引腳封裝圖。3單元電路的設(shè)計31環(huán)形感應(yīng)線圈的工作原理及輸出信號特點環(huán)形感應(yīng)線圈檢測器的工作原理是由檢測單元同環(huán)形線圈與饋線線路組成一個耦合電路，當(dāng)電流通過環(huán)形線圈時，在其周圍形成一個電磁場。在正常情況下，在機動車輛沒處在環(huán)形地埋線圈所在位置的時候，耦合電路振蕩頻率保持恒定，單片機在單位時間段測得的脈沖個數(shù)基本保持不變，當(dāng)機動車輛經(jīng)過環(huán)形地埋線圈所在位置時，在金屬車體中感應(yīng)出渦流電流，渦流電流又產(chǎn)生與環(huán)路相交互但方向相反的電磁場，即互感。由此導(dǎo)致渦合電路振蕩頻率的變化，使得單片機在單位時間段測得的脈沖個數(shù)也相應(yīng)變化，只要檢測到此變化的信號，就可檢測出是否有車

12、輛通過。具體來說，車輛通過時將使環(huán)路電感值減少，從而使得輸出信號頻率增加，一般頻率增加值在160Hz-250Hz的范圍內(nèi)。由于機動車自身鐵質(zhì)是不均勻的，所以當(dāng)他經(jīng)過環(huán)形地埋線圈時單片機在單位時間段測得的脈沖個數(shù)又是變化的，故在軟件設(shè)計與數(shù)據(jù)處理方面可采用閾值比較法。由電容三點式振蕩電路的特點可知，輸出信號為正弦波，但由于地表環(huán)境、溫度、濕度等的影響及引線的干擾，輸出信號中存在低頻干擾信號及有效正弦波上的毛刺等高頻噪聲，且輸出信號幅值較小，因此在后續(xù)電路中需對其進行放大及濾波，同時由于單片機只能對矩形波進行計數(shù)，故還得對正弦波進行整形。3.2振蕩電路的設(shè)計如電路總體方案中所述，采用了電容反饋式振

13、蕩電路，亦即電容三點式振蕩電路。設(shè)計電路如圖4所示。振蕩頻率圖4 耦合振蕩電路圖中為穩(wěn)定振蕩頻率采取了一些措施。為提高電容反饋式振蕩電路的振蕩頻率，需減少、的電容量和L的電感量。實際上，當(dāng)、減少到一定程度時，晶體管的極間電容和電路中的雜散電容將影響振蕩頻率。由于極間電容受溫度的影響，雜散電容又難于確定，為了穩(wěn)定振蕩頻率，在設(shè)計電路時，必須能夠使極間電容和雜散電容對選頻特性的影響忽略不計。具體的方法是在電感的支路串聯(lián)一個小容量電容C，而且CC，CC，這樣總電容約為C，因而電路的振蕩頻率幾乎與、無關(guān)，當(dāng)然，也就幾乎與極間電容和雜散電容無關(guān)了。參數(shù)計算：根據(jù)公式取中心頻率=50kHz，由實際應(yīng)用情況

14、，約為20mH-2000mH左右，故有，其它電路元器件參數(shù)圍繞中心頻率進行合理調(diào)節(jié)得出。所采用的晶體管如圖5所示。電路的振蕩頻率在50kHz左右，兩個反接的4.3V穩(wěn)壓管使正弦振蕩信號被抑制在-5V至+5V的范圍內(nèi)，耦合變壓器原副邊匝數(shù)比為1:1,是一個瞬間抑制二極管用于抑制由靜電等原因產(chǎn)生的瞬間高壓。圖5 晶體管2N3702符號與PCB引腳2N3702參數(shù)表如下圖所示。圖6 晶體管2N3702參數(shù)表一路環(huán)形地埋線圈對應(yīng)一個檢測通道，共有四路檢測通道，在設(shè)計電路中只畫出了其中一路，是用電感代替的。環(huán)形地埋線圈如圖7所示。圖7 環(huán)形地埋線圈的表示3.3放大電路的設(shè)計放大電路我采用了三運放數(shù)據(jù)放大

15、器，如圖8所示。電路中的三個運放都接成比例運算電路的形式，電路包含兩個放大級，、組成第一級，二者均為同相輸入方式，因而輸入電阻很高。由于電路結(jié)構(gòu)對稱，因此漂移可以相互抵消。第二級的為差分輸入方式，將差分輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出。在本電路中，要求元件參數(shù)對稱，即,當(dāng)加上差模輸入電壓U時，與的輸入電壓和大小相等，極性相反，且，此時可以認為的中點電位保持不變，即在/2處相當(dāng)于交流接地。由圖8可得圖8 三運放數(shù)據(jù)放大器原理圖同理則 為差分輸入比例運算電路，已知,，則因此，該數(shù)據(jù)放大器總的輸入輸出關(guān)系為由上式可知，只要改變電阻，即可靈活地調(diào)節(jié)輸出電壓和輸入電壓之間的比例關(guān)系。結(jié)合本設(shè)計電路電阻值數(shù)據(jù)可知AD8

16、047引腳塊圖和典型特性分別如圖9和圖11所示所示。圖9 運放AD8047引腳簡圖PROTEUS軟件中模擬器件AD8047的電路符號和PCB封裝如圖10所示。圖10 運放AD8047電路符號及引腳封裝Description:Single,250MHz,General purpose,Voltage Feedback Operational Amplifiers Gain 1 Stable(250MHz,750V/us,6V-12V)圖11 AD8047典型特性分析圖必須指出，由差分比例運算電路的特點出發(fā)，電路中、和四個電阻必須采用高精密度電阻，并要精確匹配，否則不僅給輸入輸出關(guān)系帶來誤差，而且

17、將降低電路的共模抑制比。3.4濾波電路的設(shè)計帶通濾波器的作用是允許某一段頻帶范圍內(nèi)的信號通過，而將此頻帶以外的信號阻斷。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，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的低通濾波器與一個通帶截止頻率為的高通濾波器串聯(lián)起來，當(dāng)滿足條件時，即可構(gòu)成帶通濾波器。當(dāng)輸入信號通過電路時，低通濾波器將的高頻信號阻斷，而高通濾波器將的低頻信號阻斷，最后，只有頻率范圍在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。設(shè)計的帶通濾波電路如圖12所示。圖12 帶通濾波器電路圖及參數(shù)設(shè)為同相比例運算電路的輸入，比例系

18、數(shù)當(dāng),時，電路的傳遞函數(shù)令中心頻率，電壓放大倍數(shù)當(dāng)時，得出通帶放大倍數(shù)由此可得下限截止頻率和上限截止頻率因此，通頻帶電路的幅頻特性如圖13所示。圖13 壓控電壓源二階帶通濾波電路幅頻特性參數(shù)簡單計算：由設(shè)計方案知，取，可得RC的乘積值及其它有關(guān)參數(shù)，經(jīng)考慮，取,由此，其它阻值亦可確定，得到的參數(shù)值如圖15所描述。下圖濾波器中用到的運放AD8001的引腳圖。圖14 AD8001引腳簡圖Description:800MHz,50mW Current Feedback Amplifier3.5整形電路的設(shè)計 依據(jù)總設(shè)計方案，整形電路核心是利用過零比較器。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

19、較器，此時，集成運放工作在非線性區(qū)，因此，當(dāng)時，；當(dāng)時，。其中是集成運放的最大輸出電壓。圖15 整形電路設(shè)計的整形電路如圖15所示。整形電路中使用的AD811芯片的典型應(yīng)用接法如圖16所示接法。圖16 AD811典型應(yīng)用接法Description:High Performance Vedio Operational Amplifier3.6檢測電路的設(shè)計檢測電路主要實現(xiàn)的是對前續(xù)電路輸出的矩形波信號進行計數(shù)以便后續(xù)處理及應(yīng)用。對矩形波信號進行計數(shù)可以采用兩種方式，一種是利用D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器以及簡單門電路組成的計數(shù)器進行計數(shù)，二是利用單片機的定時及計數(shù)功能對矩形波信號進行計數(shù)。在這里，我將采

20、用第二種方法。檢測電路圖如圖17所示。由圖觀察可知，其主要由四部分構(gòu)成，單片機是核心，輔之以晶振和復(fù)位電路，單片機對輸入信號進行計數(shù)得出頻率值再借助于四位八段數(shù)碼管顯示出來。圖17 檢測電路PROTEUS圖3.7各單元電路的仿真對振蕩電路的輸出進行測試，其波形如下圖所示。圖18電容反饋式振蕩電路輸出波形及參數(shù)示波器中一格代表5uS，波形一個周期為4格，即20uS，轉(zhuǎn)換為頻率為50kHz，符合預(yù)期結(jié)果，從而驗證了設(shè)計電路的正確性。運用PRETEUS對放大電路進行模擬與仿真，結(jié)果如圖19所示。由圖可讀出輸入輸出數(shù)據(jù)，由此可得其放大倍數(shù)。輸入接的Channel A,輸出接的Channel B。輸入峰

21、峰值大小為0.5V/格4格=2V，輸出峰峰值大小為1V/格12格=12V，因此放大倍數(shù)與理論計算結(jié)果相符合，也證明了電路設(shè)計的正確性。圖19 三運放數(shù)據(jù)放大器電路仿真結(jié)果對設(shè)計的濾波器的效果進行仿真其結(jié)果如下列圖形結(jié)果所示輸入為設(shè)計示波器的中心頻率50kHz時的輸出波形：圖20 輸入為中心頻率50kHz時的輸入輸出波形由上圖可以看出，中心頻率輸入時傳遞性良好，輸出頻率也基本上為50kHz。由于濾波電路設(shè)計有一定大放大倍數(shù)，輸出信號被放大。實際上由于電容的阻抗效應(yīng)及同相和反向端的阻抗不能很好地得到匹配，實際放大倍數(shù)值比理論值偏小。如圖中所示，實際放大倍數(shù)約為1.5倍。但這并不影響其濾波功能。高頻

22、信號輸入濾波器時的傳遞特性：圖21 高頻信號輸入時示波器輸入輸出波形從上圖可看出對電路輸入較高頻率信號如200kHz信號時，輸出得到較明顯的衰減。輸入約為輸入的0.5倍。對高頻信號起主要作用的是電容和電阻,它們組成了一個低通濾波部分。低頻信號輸入時濾波器傳遞特性：低頻信號輸入時濾波器的作用效果如圖22所示。由圖可看出，雖輸入信號約為20kHz，較50kHz接近，但電路仍對其有較好的濾波效果，而對其起主要抑制作用的是電容和電阻，它們組成了一個高通濾波部分。由圖讀取數(shù)據(jù)可知，輸出信號越為輸入信號的0.35倍，抑制作用明顯。圖22 低頻信號輸入時濾波器作用效果輸入35kHz頻率濾波效果如圖23所示：圖23 中間偏低頻率濾波效果輸入120kHz時濾波器濾波效果如圖24所示：圖24 120kHz濾波效果整形電路整形效果仿真如圖25所示，經(jīng)整形電路后，黃色輸入正弦信號A已被整形為方波信號B，效果較理想。圖25 整形電路仿真檢測電路測試四位八段數(shù)碼管顯示情況如下圖。圖26 數(shù)碼管測試結(jié)果中心頻率為50