基于环形线圈采集车流量原理简易实训设计＊

2013-06-10商林

武汉交通职业学院学报 2013年4期

商林

（武汉交通职业学院，湖北武汉 430065）

武汉交通职业学院通过交通安全与智能控制专业湖北省实训基地的建设，使本专业的实训条件大为改善，其中专业核心课程《交通信息采集与处理》也建成了交通信息采集实训室，可以开展本核心课程中的七个实验，基于环形线圈采集交通流量是其中实训之一。在做该实训时，学生一边观看路面埋设的线圈、路边的立杆、闪光灯、红绿灯、信号机等设备，一边听老师讲解实验原理，当学生去实训室做实验时，都会操作相关设备，但有关实验原理，能完整说出的学生不多，对毕业后想从事交通智能设备开发的学生，不了解实验原理或一知半解，不利他们以后专业的发展。学生不了解实验原理的主要原因是：这些设备很多都是埋在地下，或者是架设在立杆上，整个系统都是经过系统集成的，是个“黑盒”，不能拆开每一个部分进行分析，然后再让学生组装，所以学生不能很好地了解实验原理。针对实训中存在的这个不足，我们组织部分动手能力强的学生，设计了简易的基于环形线圈采集车流量原理实验装置，让学生动手做，这一教学处理，提高了实验效果，也加深学生对环形线圈采集车流量原理的理解程度。

1 实验原理

环形线圈检测器是一种基于电感应用原理的车辆检测技术，其传感器是一个埋在路面下、通过一定工作电流的环形线圈。当车辆停在或驶过线圈时，车辆的金属部分产生涡流电流，且电流方向与线圈中电流的方向相反，因此，引起涡流电流产生的磁场与线圈电流产生的磁场方向也相反，使得线圈磁场场强减小，而线圈磁场场强的减小使得振荡电路的振荡频率增加，从而引发电子元件向控制箱发出脉冲，以表征车辆的出现和经过。所以可以通过检测线圈中电流相位、频率等发生改变，达到检测车辆通过、采集车流量的目的。其等效电路如图1所示。

图1 环形线圈与车辆等效电路

本实训中利用地埋环形线圈构成回路的耦合电路对其振荡频率进行检测，振荡电路产生正弦波，经过放大电路放大幅值使信号更加明显，再通过滤波电路使通过20KHZ到100KHZ的频带，最后通过整形电路使正弦波转换为矩形波，产生一个5V左右的正脉冲，送到单片机P3.2口，设置GATE＝1，单片机的计数器为高电平触发，这样在环形线圈上每通过一辆车时，电路中会产生一个5V的高电平，从而计数器中断触发，产生加1操作，达到采集车流量目的。

2 模块设计

2.1 振荡电路

振荡电路是本实训的信号输入电流时产生正弦波的振荡电路，选择的是三点式振荡电路，因为三个端子和器件的三个电极相连如图2所示。图中Rb1＝62KΩ，Ce＝Cb＝10uf，C1＝0.1pf，L为电感线圈。晶体管VT1处于共射放大组态，工作在放大状态。系统工作在正常状态下，振荡电路输出信号是正弦波，频率为

由公式（1）知，f与电路中电感L、电容c1、c2有关，但c1、c2为固定值，所以f只与L有关，当L发生变化时，振荡电路的振荡频率也发生反方向的变化，从而实现对车辆的探测。图中感应线圈L是产生电感量的，一般施工时，要绕4－5圈，由学生自己用铜丝绕，如图3所示。

图2 振荡电路模块

图3 自制感应线圈

2.2 滤波电路

带通滤波器的作用是允许某一段频带范围内的信号通过，而将此频带以外的信号阻断。带通滤波器经常用于抗干扰设备中，以便接收某一频带范围内的有效信号，而消除高频段和低频段的干扰和噪声。

从原理上讲，将一个通带截止频率为f2的低通滤波器与一个通带截止频率为f1的高通滤波器串联起来，当满足条件f2＞f1时，即可构成带通滤波器。

当输入信号通过电路时，低通滤波器将f＞f2的高频信号阻断，而高通滤波器将f＜f1的低频信号阻断，最后，只有频率范围在f1＜f＜f2的信号才能通过电路，于是电路成为一个带通滤波器，其频带宽度等于f2－f1。设计的带通滤波电路如图4所示。

图4 滤波电路模块

2.3 整形电路

整形电路核心是电压比较器，其原理是将一个模拟电压信号与一个参考电压相比较，输出一定的高低电平。由于振荡电路产生的是正弦波，不利于单片机中断的识别，所以要设计电路，将正弦波整形为方波。处于开环工作状态的集成运放是一种最简单的过零比较器，此时，集成运放工作在非线性区，因此，当U1＜0时，Uo＝＋Uopp；当U1＞0时，Uo＝－Uopp。其中Uopp是集成运放的最大输出电压，这里我们选择5V的输出电压，如图5所示。