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杨威,郝润科,高峰,王亮,郭树皖

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093)

: 汽车流量检测计是交通管理系统的重要组成部分, 文章采用红外传感器作为车辆流量检测元件,以MSP430处理器作为控制核心模块,设计了一种车辆流量检测系统。文中给出了系统设计方案,详细介绍了车辆流量检测系统的基本原理、系统的硬件电路结构与软件流程。实验结果表明,该系统具有精度高、处理速度快等优点。

:车流量;MSP430;红外传感器

:TM931文献标识码:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.03.028

引用格式:杨威,郝润科,高峰,等.一种基于MSP430的车辆流量检测器的设计[J].微型机与应用,2017,36(3):96-98,102.

0引言

智能交通管理系统要求全面、准确地采集交通信息,形成实时、准确高效的交通数据,从而为更好地营运与管理交通,推动城市进步提供重要的数据基础。车辆流量是智能交通中最重要且基础的数据之一。本文介绍了一种基于MSP430F6638(以下简称MSP430)的红外传感器的车流量检测器的设计,以MSP430处理器作为控制核心模块,在实现实时检测车辆流量、车辆速度等信息的同时,采用SD卡作为存储信息的介质,利用2.4G无线数据传输模块将车辆流量、车速等信息发送给指定的服务器,大大提高了交通信息化的实时性和效率。基于MSP430的红外车辆流量检测器具有比超声波检测器、视频检测器更加灵敏、比环流线圈检测器成本低、易于安装架设的优点[1]。

1车辆流量检测器的工作原理

在要检测的路段,等距离安装n个红外传感器;首先调制脉冲发生器进行调制脉冲的输出,然后红外传感器的发射管发射红外线,红外接收管接收红外线,当红外传感器的辐射区域有车辆经过时,车体会遮挡红外传感器发射出来的红外线,红外接收管接收不到信号。根据车辆遮挡红外线的时间,传感器会输出一个低脉冲信号给处理器。当红外传感器的辐射区域没有车辆经过时,没有车辆遮挡红外线,这时红外接收管始终接收一个高电平信号,处理器接收到高电平信号时,不做处理,直到有车辆到来,出现低脉冲信号,微处理器MSP430单片机接收到信号,对信号进行处理。若反射信号较短(大约在0.1 ms~3 ms之间),这时反射信号的障碍物可能不是车辆,为行人或其他物体。当反射信号大约在3 ms以上时为车辆。根据障碍物遮挡信号的时间可以判断车的速度。同时MSP430将检测处理的结果通过LCD1602显示出来。在LCD1602液晶会显示通过车辆的车速和在这条道路上通过的车辆的统计数。并且同时把这些数据保存在SD卡内,也可通过无线传输模块传送到上位机,以便查询和防止数据的丢失。车辆流量检测器的整体结构如图1所示。

2车辆流量检测器硬件电路设计

车流量检测器的硬件电路主要包括处理器、红外传感器、无线模块和其他部分(电源和最小系统部分)。处理器主要功能是处理经过红外传感器检测到的车流信息,并把处理结果通过LCD1602显示出来,同时还要将检测处理的结果发送给上位机。无线数据传输模块主要负责检测器与上位机之间的信息传递。这些模块的组合实现车辆流量的检测、信息处理、保存等功能。下面分别介绍各个模块的选取及每个模块的功能[2]。

2.1处理器MSP430的选择

车辆检测器通常安装在各个必要的路口,要求芯片具有处理速度快而且功耗比较低等优点。本文在设计车辆流量检测器时选择了具有超低功耗的16 bit混合信号处理器芯片MSP430系列的单片机芯片。MSP430单片机是一个16 bit、具有精简指令集、超低功耗的混合信号处理器。MSP430单片机的超低功耗与强大的模拟和数字接口能从周围环境中采集被浪费掉的能量,从而可实现无须更换电池的自动供电系统。MSP430单片机的结构如图2所示。其特点有:(1)超低功耗;(2)强大的处理能力;(3)高性能模拟技术及丰富的片上外设;(4)系统工作稳定;(5)高效灵活的开发环境。

2.2红外传感器电路

本文设计的车流量检测器是利用红外传感器来测量车流量。由于红外传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的感应器件,其测量时不需要与被测物体直接接触,因而不存在与被测物摩擦,并且具有灵敏度高、响应速度快等优点。红外传感器的接收和发射电路如图3所示。D1为红外线发射管,D2为红外线接收管。发射电路由红外发射管发射红外线。当没有物体遮挡红外线时,D2接收D1发出的红外线的时间为一个定值。当存在物体遮挡红外线时,D2接收D1发出的红外线的时间就会存在变化。根据这个特点,在检测路段等距离地放置n个红外传感器的发射端和接收端。当没有物体遮挡时,接收红外的时间为一个定值,单片机检测的时间为定值,因此对此信号不作处理。当存在物体遮挡时,接收端接收到红外线的时间就会存在变化,单片机根据这个变化,计算出该路段内的车速和经过的车辆数[3]。

2.3无线收发器电路

无线收发器模块主要是将检测的车辆流量数据传送给上位机,用上位机保存每次检测的数据。这样设计的车辆流量检测器有以下3个优点:(1) 单片机处理器每次检测数据之后将检测的数据实时地传送,从而提高单片机的运行效率;(2) 防止停电或其他意外事件使数据丢失,保证了数据的长期有效保存;(3) 有利于实时有效地查看,以便于人为地减少交通压力。

无线收发器模块电路使用2.4 GHz的nRF24L01无线射频收发芯片。该无线发射器电路包括了功率放大器、输出功率频道选择和协议的设置、解调器等芯片器件。该无线收发器模块可以通过SPI接口进行调制设置。无线收发电路图如图4所示。在该电路中,nRF24L01作为无线收发器电路的主芯片,具有3个主要特点:(1)nRF24L01具有真正的GFSK单收发芯片和内置链路层;(2)具有增强型Shock Burst TM 和自动应答及自动重发功能;(3)数据传输率为1 Mb/s或2 Mb/s,SPI接口数据速率为0~8 Mb/s。

3车辆流量检测器的软件程序的设计

基于MSP430的红外传感器的车辆流量检测器的整体设计,硬件设计相对比较简单,主要是软件程序的编写使操作方便,实用性较强。车辆流量检测器的整个系统主要包括红外传感器、LCD1602液晶显示、微处理器MSP430和其他部分(电源模块和最小系统)。每个模块对整体设计都非常重要。本文采用等距离安置n个同型号的红外传感器集中采集信号,然后将采集信号脉冲输送给微处理器MSP430处理。MSP430接收到的信号有脉冲信号和电平信号。MSP430单片机在处理信号数据时主要将采集的数据进行计数和通过电平信号处理计算出此时通过车辆的车速,然后将处理结果通过并行通信的方式在LCD1602图4无线收发器电路原理图液晶显示。车辆流量检测器的软件整体程序流程图如图5所示。在微处理器处理信号之后首先将结果保存在SD卡中,在必要查询时,可以将SD卡中的数据信息转移到上位机PC中,从而提高处理器MSP430的处理速度[4]。

3.1检测模块程序设计

本文设计的车流量检测器检测部分采用红外传感器。与其他传感器相比,红外传感器的检测精度较高而且性价比较好。红外传感器的红外发射管对外发出红外线,当没有物体遮挡红外传感器时,红外接收管接收到红外光,此时传感器输出为高电平;当存在物体遮挡时,红外接收管接收不到红外光,此时传感器输出低电平。微处理器MSP430根据接收到的电平变化,检测过往的车辆数和车速[5]。红外传感器的检测流程如图6所示。

3.2无线收发模块程序设计

无线收发模块作为整个系统的重要信息传输部分,主要功能是将单片机MSP430处理后的数据传输给上位机。微处理器MSP430将处理后的信息通过并行通信的方式传递到LCD1602液晶显示器显示车辆数和车速,并且通过无线收发模块将信息传递给上位机PC。这样不仅便于保存数据而且还便于日后数据信息的查询。无线收发模块程序流程图如图7所示。

4实验与实验结果分析

实验环境是根据道路交通实际情况在实验室进行模拟的。通过编程软件完成程序编写后,将程序下载到试验箱。实验模拟过程:当有障碍物遮挡红外传感器时,传感器都会检测到低电平,然后将检测的低电平发送到单片机的MSP430。信号经单片机处理之后通过LCD1602显示。同时还通过无线传感器模块将检测的结果传送到上位机。在检测过程中由于红外传感器的灵敏度相对较高,只要有物体经过时传感器就会检测到。所以在检测时是否为车辆经过成为检测的关键。因此本文采用延迟双重检测比较法来处理。当红外传感器检测到过往的障碍物时,单片机会控制红外传感器发射管发出红外光的时间。在第一次检测到时,将时间延迟1 μs之后再发出红外光信号,这时检测到的红外光信号与上次检测的信号作比较。若两次检测的结果误差在0.5%以内,则说明检测到的为过往车辆,同时计算车辆的车速和累加车辆数。

单片机将处理结果不仅保存到SD卡中同时还将数据传递给上位机,以便交通调度和保存交通信息,为智能化交通提供有利数据。

参考文献

[1] 陶汉卿.基于MSP430的感应线圈车辆检测器的设计[J].西部交通科技,2015(10):81-86.

[2] 胡凯峰,吴晓红,杨毅,等.基于TMS320DM648的多车道车流量检测系统[J].电视技术,2014,38(9):239-242.

[3] 张飞,王库,史小磊.基于机器视觉的公路车流量检测系统研究[J].微计算机信息,2008,24(2):138-140.

[4] 陆海全,李志军,闫非凡,等.基于单片机的智能交通灯控制系统[J]. 电子技术与软件工程,2016(3):51-53.

[5] 高敬红,杨宜民.道路交通车辆检测技术及发展综述[J].公路交通技术,2012(1):116-119.

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