基于HC-SR04超声测距的高速公路车辆轮廓检测系统*

高　晶

(山西省自动化研究所，山西 太原 030012)



基于HC-SR04超声测距的高速公路车辆轮廓检测系统*

高晶

(山西省自动化研究所，山西 太原 030012)

摘要：基于HC-SR04超声测距技术设计了一种高速公路车辆轮廓检测系统。该系统集成三个超声测距单元，利用89C54RD+单片机、上位机及数据库构成控制系统，实现了车辆宽高尺寸的动态不停车快速检测。经测试，系统测量误差小，测量速度快，能够满足高速公路治理超限超载工作自动化的要求。

关键词：超声测距；89C54RD+单片机；车辆轮廓检测

截止2015年底，山西省全省高速通车里程达到5 028公里，119个县(市、区)中有112个通了高速，公路交通运输，已成为山西省经济发展的重要基础。随着公路交通运输的快速发展，受利益驱动的超限超载现象更加突出，为保障道路运输安全，针对运输车辆的治超工作愈发重要[1]。传统的治超工作通过人工方式完成车辆宽高尺寸的测量，存在工作效率低、人员工作量大、路面测量安全隐患多等问题，已不能满足当前治超工作的需要。基于此，本文研究设计将成熟的超声波测距技术应用于超限车辆轮廓自动检测系统中，实现治超过程中车辆宽高尺寸的自动测量，对推进治超工作的信息化与自动化具有非常重要的现实意义。

1系统结构设计

本系统应用于高速公路治超站，系统结构如图1。

图1　系统结构图

如图1所示，车辆轮廓检测系统主要分为四部分，分别是：外场超声测距单元、控制及数据处理单元、上位机系统及数据库。外场超声测距单元由3个HC-SR04超声测距模块构成，分别布置在龙门架的顶端及左右两侧，实现对通过车辆的动态扫描测量；控制及数据处理单元实现对测距模块工作流程的控制及针对原始数据的计算处理，并将初步处理的距离信息传送至上位机；上位机实现系统初始化、车辆宽高尺寸的计算及数据显示等功能；数据库实现车辆宽高历史数据的保存与整理[2]。

2硬件设计

本系统的硬件设计主要包括89C54RD+单片机对超声测距模块的控制及各系统间的通信方式设计。

2.189C54RD+单片机对超声测距模块的控制

本系统基于高速公路超限检测站的工作环境对系统硬件进行选型设计，根据运输车辆的平均高度(4 m)及龙门架高度(约6 m)，要求超声测距模块的有效工作距离≥3 m，并保证测量精度在厘米级。本系统的超声测距模块采用HC-SR04。

HC-SR04超声波测距模块可提供2 cm～400 cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3 mm；观测角度15°，工作电压为5V DC。模块设置高电平信号作为触发信号，触发后自动发送8个40 kHz的方波并检测是否有信号返回，如果有信号返回，输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。模块结构如图2所示。TRIG作为触发信号的输入，ECHO作为回响信号的输出[3]。

图2　超声测距模块结构

本系统采用89C54RD+单片机对超声测距模块进行逻辑控制，根据模块工作时序图，单片机需要向TRIG端提供一个10 μs以上脉冲触发信号，并检测来自ECHO输出的高电平，记录高电平时间，并保存至数据处理单元中。其控制电路设计如图3所示。

图3　控制电路示意图

三个超声测距模块分别接在了89C54RD+单片机的P0、P1、P2口上，单片机提供触发信号并接收回响信号。

2.2模块间通信方式

本系统模块间通信主要是单片机与上位机的数据传输，

采用RS-232接口的串行异步通信方式。在特殊的现场条件下，根据外场控制设备到上位机之间的距离及数据可靠性要求，也可采用RS-485或者TCP/IP的方式进行数据通信。

3软件设计

系统的软件设计主要分为两部分：1) 控制及数据处理单元工作流程；2) 上位机工作流程。

1) 控制及数据处理单元工作流程。

如图4所示，当前端设备(如地埋线圈、光栅等)检测到有车辆进入检测区时，单片机通过P1^1向测距传感器1的TRIG发出启动电平信号，传感器开始自动工作。单片机P1^2循环检测ECHO端高电平信号并记录持续时间t，通过距离S=t*声速/2的计算公式，得到距离信息S1，检测S1是否为有效数据，如果数据正常，则保存，若数据异常(超量程等)，则删除；接下来依次启动测距传感器2及测距传感器3，并对S2、S3做同样保存处理。单片机对S1、S2、S3综合判断，若数据完整，则将其发送至上位机，若数据缺失，则结束本次测量并将错误信号发送至上位机。在测量系统的控制过程中，采用软件直接查询方式实现多个测量模块的集成，并在关键逻辑点设置了合理的异常退出及报警机制，防止系统逻辑出现死循环[4]。

2) 上位机工作流程。

如图5所示，上位机接收单片机的上传信息，分析信息类型，如果是报警信息，则输出至界面并提示；如果是数据信息，则保存至缓存；用户手动输入初始化距离信息，根据检测车道环境的不同，初始化信息包括：横向放置的两个测距传感器之间的距离L，顶部测距传感器距离地面的高度H。软件执行w=L-S1-S2得到车道内被测车辆的宽度，执行h=H-S3得到被测车辆的高度。上位机将车辆宽高数据(w、h)、当前时间、车道编号等信息保存至数据库，并输出至界面[5]。

图5　上位机工作流程

4系统测试

测试中上位机软件系统运行于Win10系统下，被测车辆为普通轿车，系统界面如图6所示。

图6　软件界面

车辆1车辆2车辆3车辆4车辆5系统测量数据-宽19502500255025502550人工测量数据-宽19892475260126272627相对误差2%1%2%3%3%系统测量数据-高23804000356035503560人工测量数据-高23324120345336213453相对误差2%3%3%2%3%

根据高速公路超限工作的相关规定，比对系统测试数据与人工实际测量数据，验证了系统的测量误差能够控制在5%以内，本系统满足超限检测要求。

5结论

本文对高速公路车辆轮廓检测系统的系统结构及软硬件设计做了详细叙述，并利用89C54RD+单片机及Win10系统下的上位机软件做了系统测试。根据系统测试数据与人工测量数据的对比，系统的测量误差满足超限检测工作的要求，系统可以代替传统人工测量方式，实现高速公路车辆宽高尺寸的不停车动态测量。

参考文献

[1]高韬，刘正光，张军，等.交通车辆轮廓跟踪算法研究及其工程应用[J].应用基础与工程科学学报,2010,18(2):343-351.

[2]刘慧英，王小波.基于OpenCV的车辆轮廓检测[J].科学技术与工程,2010,10(12):2987-2991.

[3]琚晓涛，谷立臣，闫小乐，等.基于LTC1609的高精度超声测距系统设计[J].自动化与仪表,2010,25(11):14-17.

[4]熊春山，彭刚，黄心汉，等.基于超声测距的三维精确定位系统与设计[J].自动化仪表,2001,22(3):7-10.

[5]王荣扬，钱振华，殷勇辉，等.基于FPGA的互相关无串扰超声测距系统[J].计算机工程,2013,39(8):307-313.

Detection System of Vehicle Contour on Highway Based on HC-SR04 Ultrasonic Measurement

Gao Jing

(ShanxiAutomationResearchInstitute,TaiyuanShanxi030012,China)

Abstract:This paper designs a detection system of vehicle contour based on HC-SR04 ultrasonic measurement technology. The system integrates three ultrasonic ranging units, using 89C54RD+ MCU, host computer and database to constitute the control system and achieve the dynamic and rapid detection for vehicle contour without parking. The test shows that the system measurement error is small, the measurement speed is fast, and it can meet the requirements of highway overload management work.

Key words:ultrasonic measurement; 89C54RD+MCU; vehicle contour detection

收稿日期：2016-03-14

基金项目：2015年度山西省科技攻关项目“基于轮廓检测的绿通车智能识别系统”(2015031005)

作者简介：高晶(1988- )，男，山西太原人，助理工程师，硕士，研究方向：高速公路机电自动化。

文章编号：1674- 4578(2016)03- 0027- 03

中图分类号：U495；TP 274.53

文献标识码：A