交通控制中運(yùn)用磁感線圈進(jìn)行車流量檢測(cè)的方案

交通控制一直是社會(huì)的一個(gè)大問題，隨著社會(huì)節(jié)奏的加快，效率逐漸成為人們的重點(diǎn)考慮的問題，有效地疏導(dǎo)和提高十字路口的通行效率顯得越來越重要。在普通的交通燈設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，顯示時(shí)間是固定的，這樣就無法有效地利用道路交通資源。為了解決這個(gè)問題，引入了車流量檢測(cè)，通過檢測(cè)車流量的大小，來自動(dòng)調(diào)節(jié)紅綠燈的顯示時(shí)間。為此本文通過在地面鋪設(shè)環(huán)形線圈傳感器，測(cè)量車輛通過情況，然后傳輸?shù)娇刂葡?。文中主要介紹車流量測(cè)器的具體設(shè)計(jì)。

1 環(huán)形線圈傳感器電路

將環(huán)形線圈埋入地面下，當(dāng)有車輛經(jīng)過時(shí)，車的鐵外殼使得磁感線圈電感發(fā)生變化，將此環(huán)形電感接入振蕩電路，使電感量的變化轉(zhuǎn)換成諧振頻率的變化，通過檢測(cè)頻率的變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的檢測(cè)。

1．1 振蕩器的原理

振蕩電路由決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)和維持振蕩的正反饋放大器組成，其中反饋振蕩器由主網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)組成，如圖1所示。其中Ui，Uo，Uf分別為輸入電壓，主網(wǎng)絡(luò)輸出電壓，反饋電壓。設(shè)A=Uo／Ui，F(xiàn)=Uf／Uo。其中A為主網(wǎng)絡(luò)增益，F(xiàn)為反饋系數(shù)。振幅起振條件為AF>1，相位起振條件為φT(ω0)=2nπ，只有同時(shí)滿足振幅起振條件和相位起振條件才能起振。另外，還必須滿足振蕩的穩(wěn)定條件，才能是電路穩(wěn)定振蕩，即選頻網(wǎng)絡(luò)的相頻特性為負(fù)斜率。

1．2 電容三點(diǎn)式電路

基于電容三點(diǎn)式電路的振幅起振條件容易滿足，且并聯(lián)LC回路的阻抗特性也為負(fù)斜率，該電路的反饋電壓中高次諧波分量小，輸出波形較好等原因，這里將使用電容三點(diǎn)式振蕩電路，電容三點(diǎn)式電路圖如圖2所示。其中C1，C2為回路電容，L為回路電感，C3，C1分別為高頻旁路電容和耦合電容，且有C3，C4比回路電容C1，C2大一個(gè)以上數(shù)量級(jí)。電路中的三極管實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大，以便為后邊的檢測(cè)提供方便。先選定檢測(cè)頻率為440 kHz，又由于電容容量一般都是固定的，不容易改變，而電感可以很容易通過改變線圈的圈數(shù)和形狀來改變。取電容C1，C2等于1 nF，由此求出的電感為130μH，即130μH的電感是有車經(jīng)過時(shí)的電感。經(jīng)過模型測(cè)試，有車經(jīng)過時(shí)電感的變化量大概為20μH，所以選定無車經(jīng)過時(shí)電感為110μH。圖2中電感量為無車輛經(jīng)過時(shí)的電感。

2 鎖相環(huán)檢測(cè)頻率變化

NE567是音頻解碼集成電路，其基本組成為鎖相環(huán)、直角相位檢波器、放大器和一個(gè)輸出晶體管。NE567的基本狀況猶如一個(gè)低壓電源開關(guān)，當(dāng)其接收到一個(gè)位于所選定的窄頻帶內(nèi)的信號(hào)時(shí)，開關(guān)就接通。此芯片所能檢測(cè)到的中心頻率范圍為0～500 kHz，檢測(cè)帶寬可以設(shè)定為中心頻率14％內(nèi)的任何值，另外輸出開關(guān)延遲也可以根據(jù)外電阻和電容改變。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2．1 檢測(cè)原理

將振蕩電路的輸出信號(hào)接NE567芯片的輸入引腳，設(shè)定芯片外部器件參數(shù)，使得當(dāng)無車經(jīng)過時(shí)輸入頻率不在環(huán)路鎖定范圍內(nèi)，而有車經(jīng)過時(shí)，環(huán)路立即鎖定，使得輸出引腳8由高電平轉(zhuǎn)換成低電平，從而只需檢測(cè)一段時(shí)間內(nèi)8引腳低電平的次數(shù)即可得到車流量。

2．2 中心頻率的確定

在系統(tǒng)中，中心頻率即是有車輛經(jīng)過時(shí)的諧振頻率。芯片外部的R1，C1用來設(shè)定中心頻率的大小，可以用公式f0=1．1／(R1C1)設(shè)定。其中f0單位為kHz，R1單位為kΩ，C1單位為μF。R1范圍為2～20 kΩ，可以先設(shè)定R1的大小，再根據(jù)頻率跟電阻求出電容大小。

2．3 帶寬的確定

NE567能根據(jù)外部參數(shù)設(shè)定檢測(cè)范圍，也即檢測(cè)帶寬。帶寬由公式確定。其中BW單位為中心頻率的百分?jǐn)?shù)，Vi單位為V且需滿足Vi≤200 mV，f0單位為kHz，C2單位為μF。開始時(shí)可以將C2選擇成2C1，隨后根據(jù)需要調(diào)整C2的大小。

除了對(duì)上述中心頻率和帶寬的確定外，還需調(diào)整C3的大小，以避免重復(fù)檢測(cè)。

2．4 參數(shù)的設(shè)置

由頻率設(shè)定公式，已知f0=440 kHz，得R1C1=2．5，可以設(shè)定R1=2．5 kΩ，C1=1 nF。再根據(jù)帶寬公式設(shè)置C2=50 nF，電容C3則需具體情況來調(diào)整，對(duì)于8引腳上負(fù)載RL的確定，由于RL上最大課吸收電流為100 mA，當(dāng)電源為5 V時(shí)，負(fù)載RL最小為5 kΩ，因此設(shè)定RL=10 kΩ。除此之外，NE567芯片3引腳接輸入信號(hào)，7引腳接地，4引腳接電源。當(dāng)NE567的3引腳接受到一個(gè)帶寬內(nèi)信號(hào)時(shí)，芯片內(nèi)部三極管導(dǎo)通，電源通過RL后接地，8引腳有高電平變成地電平，因此只需檢測(cè)在一段時(shí)間內(nèi)8引腳低電平的次數(shù)即可檢測(cè)車流量。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

圖4和圖5分別為無車經(jīng)過和有車經(jīng)過時(shí)的正弦振蕩信號(hào)。由圖4可知無車經(jīng)過時(shí)振蕩頻率為485 kHz，圖5中顯示有車經(jīng)過時(shí)振蕩頻率為444 kHz，分別與理論值的480 kHz和441 kHz相比相差很小，且頻率改變量為41 kHz，小于中心頻率的14％，滿足NE567芯片的使用要求，證明了此系統(tǒng)的正確性。

4 結(jié)語

本文針對(duì)午流量檢測(cè)部分做了較為系統(tǒng)的分析，此檢測(cè)系統(tǒng)已通過仿真實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證，并在檢測(cè)模型中已經(jīng)通過。其中的參數(shù)足根據(jù)設(shè)定模型而設(shè)計(jì)，在工程設(shè)計(jì)中，具體參數(shù)還需根據(jù)情況而定。