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(lái)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(wú)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(lái)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(lái)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(lái)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(wú)車經(jīng)過時(shí)電感為110μH。圖2中電感量為無(wú)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(wú)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(lái)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(lái)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(wú)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(wú)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(yǔ)
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。
評(píng)論