压电薄膜传感器在自动车型分类器的应用

江西方兴科技有限公司，江西南昌 330025

一、引言

随着人工成本不断上升，越来越多的高速公路入口将采用自动发卡机，为了杜绝在高速公路的出口收费员配合司机作弊而人为改变车型达到少交通行费，在车辆进入高速公路入口从自动发卡机取卡的同时把车型信息写入通行卡，在出口根据通行卡内保存的该车辆信息进行收费，有效的减少了人为原因造成高速公路运营方通行费的损失。自动车型分类器是高速公路无人值守发卡系统的重要组成部分，车辆经过自动车型分类器后自动检测出车辆的车长、轴距和轴型，并通过这些参数结合车辆轮廓对车辆进行自动分类，最后将车辆分类信息通过串口发送至自动发卡机。

本文介绍了压电薄膜传感器在自动车型分类器中对车辆的各种参数（车长、轴距和轴型）的检测原理，并描述了该项目的硬件设计和软件设计。该车型分类器对车辆各种参数的检测主要通过压电薄膜传感器，无任何机械机构，具有准故障率低、确率高和使用寿命长等特点，在高速公路车型分类设备中具有很高应用前景。

二、系统设计

压电薄膜传感器由金属编织芯线、压电材料和金属外壳制成同轴结构。当车辆经过传感器时，产生一个与施加到传感器上的压力成正比的模拟信号，并且该信号输出的时间与轮胎停留在传感器上的时间相同。每当一个轮胎经过传感器时，传感器就会产生一个新的电子脉冲。

自动发卡系统由自动发卡机、自动车型分类器和栏杆机组成，示意图见图1。其中虚线内为自动车型分类器，主要由压电传感器、红外光幕和主机等组成。红外光幕用于检测车辆和扫描车辆轮廓，当车辆进入自动车辆分类器工作区域时，红外光幕检测到车辆并启动压电传感器进行数据采集。当红外光幕检测到车辆离开，单片机根据检测到的压电传感器数据和光幕轮廓数据判断车辆的具体型号（客1～客4，货1～货5），然后通过串口将车型数据发送至自动发卡机。

如图1所示，在路面上布置有4根压电传感器，其中1、3、4号传感器与车辆行驶方向垂直，用于检测车辆行驶速度，2号传感器斜置用于检测轮胎单双胎。当一根轴上的轮胎压过这3根传感器时会产生3个峰波，3个峰波之间的时间即为车辆经过这3根压电传感器的时间，已知1、3、4号传感器之间的距离，根据距离和时间可以算出车辆经过4、3号传感器的速度和车辆经过3、1号传感器的速度，取平均值作为车辆经过自动车型分类器的平均速度。

同一根压电传感器产生的前后两个峰波为车辆的两轴经过该压电传感器的时间，该时间乘以车辆行驶平均速度为这两根轴的轴距，两轴汽车有一个轴距，三轴汽车有两个轴距，以此类推。

车辆经过红外光幕产生的开关量触发单片机采集压电传器的时间乘以车辆行驶的平均速度就是该车的车长。

斜置的压电传感器与路面的斜角为45°，用于检测轮胎的单双胎，车辆经过时产生的峰波为双峰波说明是双胎，单峰波则为单胎。

三、硬件电路设计

自动车型分类器的硬件电路主要由单片机、电源电路、压电传感器及电荷放大电路、红外光幕及RS232转换电路、2.5V基准电压电路、与自动发卡机串口通信的RS232转换电路和外置RAM组成，硬件框图见图2。

主控单片机采用STM32F101Z，该单片机自带A/D转换器，并可外接基准电压。为了提高A/D采样的精度和稳定性，采用精度为0.2%、温漂为15ppm/℃（0℃～70℃）电压基准芯片REF3125为ADC提供2.5V基准电压。外部扩展IS61LV25616AL为A/D采集和光幕轮廓数据提供缓存，该存储器为512K字节的静态存储器。电源电路共有3组电源输出，3.3V为单片机系统供电，+5V和-5V为运放组成的电荷放大器供电。单片机的三个串口分别连接红外光幕、调试电脑和自动发卡机，其中串口0接红外光幕用于单片机接收车辆轮廓数据，串口1接调试电脑用于上位机接收并显示车辆轮廓和压电传感器的波形，串口2接自动发卡机用于将车型分类结果发送至自动发卡机。

由于压电薄膜传感器产生的信号十分微弱，而且输出阻抗极高，必须通过电荷放大器就将此微弱电荷变换成与其成正比的电压，并将高输出阻抗变为低输出阻抗。采用输入偏置电流和失调电流都比较低的TL062运放组成电荷放大器，放大压电传感器产生的信号，电荷放大器电路见图3。

四、软件设计

本软件主要由定时采集压电传感器数据、串口接收车辆轮廓数据、车辆参数计算、车型判断和车型数据发送等程序组成。

软件具体工作为，当车辆进入车型分类器工作区内，红外光幕检测到车辆并输出高电平，单片机产生外部中断，启动定时2ms间隔时间采集压电传感器数据，同时接收来自红外光幕的车辆轮廓数据，并将两者数据存入外部RAM中。当车辆离开车型分类器工作区域，红外光幕检测信号恢复成低电平，单片机停止采集数据，读取存储在外部RAM中的压电传感器波形数据和车辆轮廓数据，根据压电传感器波形数据和光幕触发时间计算车长、轴距、是否为单双胎，判断轴型，根据光幕扫描的轮廓计算车辆高度和底盘高度。综合车辆的各种参数对车辆进行分类，并将车型分类数据通过RS232串口发送至自动发卡机，程序流程图如图4。

五、系统测试

为了观察压电传感器采集的波形是否光滑无毛刺、车辆轮廓是否完整，通过串口连接PC电脑，由上位机软件对这两者数据进行复原，如图5。

图5中，压电传感器波形用4种颜色区分，分别代表4根压电传感器，由波形图可以看出波形无毛刺，红外光幕基本上把车辆的轮廓真实的扫描出来了。通过查找尖峰波的峰值确定轮胎压过压电传感器的时间点。t1为车辆经过4、3号传感器的时间，t2为车辆经过3、1号传感器的时间。根据距离和时间计算速度v1和v2，取平均值作为车辆经过车型识别器的平均速度va。t3为车辆两轴经过4号压电传感器的时间，有轴距L=va×t3。2号传感器的尖峰波为单峰波，说明该车辆胎型为单胎。

六、结语

传统的自动车型分类器主要为轮胎检测器，它由多个压力开关排列组成，通过轮胎压力触发压力开关的通断检测轮胎经过。由于压力开关为机械结构装置，实际应用时由于自身的机械磨损和灰尘污垢等影响容易导致压力开关接触不良或失效。本系统采用压电薄膜传感器，没有机械结构的开关，同时具有安装时路面破损小、使用寿命长和性能稳定可靠等特点，通过在高速公路入口站的实际应用证明，该系统具有性能稳定可靠、车型分类准确率高等特点。