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基于单片机和磁阻传感器的新型车辆检测器


基于单片机和磁阻传感器的新型车辆检测器
一、引言 随着经济的飞速发展, 基础设施的投资力度越来越大, 表现之一就是道路建设的规模也 越来越大。但是由于道路建设周期一般较长,其增长远远跟不上车辆的增长速度,使得交通 状况日益恶化, 这几乎成为所有城市的通病。 目前这种交通现状的有效解决办法就是在城市 交通管理部门建立完善的交通监控系统。 交通监控系统的主要目标是适应动态交

通状况的变 化。通过采集交通数据并将其传输到交通管理中心,在中心进行分析,根据分析结果,中心 通过控制车辆出入和信号灯, 从而更好地管制交通; 中心还可以利用这些数据在发生交通事 故时迅速采取措施。 同时管理中心可把采集到的交通数据传给司机, 这有助于减缓交通拥挤, 优化行车路线。 车辆检测传感器是数据采集系统的关键部分, 传感器的性能对数据采集系统 的准确性起决定作用。 目前在交通监控系统中广泛应用的是线圈式测量探测器, 其主要原理是通过流过环形线 圈的电流产生磁场。车身的铁质构件干扰磁场,并由检测器的电子装置进行检测。目前,国 内采用磁阻式车辆检测器的研究已有报道, 但还鲜有投放市场的产品。 本设计由于采用单片 机和磁阻传感器进行设计,性能稳定、小巧、灵活、方便[1]。 二、基本检测原理 1、磁阻效应 物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等强磁性金 属,当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时,电阻几乎不随外加磁场变化;当外加磁场偏离 金属的内磁化方向时,此类金属的电阻值将减小,这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 2、磁阻传感器 HMC1021S 型磁阻传感器由长而薄的薄膜合金(铁镍合金)制成,利用标准的半导体工 艺,将薄膜附着在硅片上,如图 1a)。 薄膜的电阻率依赖于磁化强度 M 和电流 I 方向的夹角θ,即 ρ(θ)=ρ1+(ρ2-ρ1)cos2θ 其中ρ1,ρ2 分别是电流 I 平行于 M 和垂直于 M 时的电阻率。当沿着铁磁合金带的长 度方向施加一个电流, 在垂直于电流的方向施加一个磁场时, 合金带自身的阻值会发生最大 变化。制作时还在硅片上设计了 2 条铝制电流带,一条是置位/复位带,当遇强磁场感应时, 将产生磁畴饱和现象,此偏置磁场带用来磁畴排列的复位(即恢复灵敏度),也可用来置位或

复位输出的极性;另一条是偏置磁场带,用来产生一个偏置磁场以补偿环境磁场。 HMC1021S 型磁阻传感器是一维磁阻微电路集成芯片,是一种单边封装的磁场传感器, 感应与管脚平行方向的磁场,其结构为惠斯登电桥,如图 1b)。其中供电电源为 Ub,在电阻 器中有电流流过。 在电桥上施加一个偏置磁场 H, 使得 2 个相对放置的电阻器的磁化方向朝 着电流方向转动, 引起电阻阻值增大; 另外 2 个相对放置的电阻器的磁化方向背向电流方向 转动,引起电阻阻值减小。这样就将磁场转换成差动输出的电压,该输出电压 Uout=(?R/ R)*Ub 其中:R 为薄膜电阻;ΔR/R 为阻值的相对变化量;Ub 为传感器的工作电压。

图 1 磁阻传感器 三、系统总体设计 1、系统设计 磁阻式车辆检测器是根据检测大地磁场扰动来判别有无车辆经过的仪器系统。 该系统能 够自动监测出经过其附近的地磁场扰动, 并且发出显示信号。 只需将该系统埋于公路的地下, 当有车辆经过时,车辆切割大地磁场,产生地磁扰动信号,磁阻传感器采集到地磁扰动信号 后将其转换为电压信号,并将其输入通用仪器放大器 INA114 放大,经放大的信号再次经过 放大滤波后输入到比较电路。 比较电路将该模拟信号转换为数字方波信号, 并输入微处理器。 微控制器经过判断后向显示电路发出检测车辆的信息,即车辆到位或通过信号。 本设计主要由置位/复位电路、传感器模块、放大滤波电路模块、比较电路、微处理器

及显示模块组成。总体框图如图 2 所示。

图 2 总体框图 (1)置位/复位电路 磁阻传感器的特性易受到外界强干扰磁场的破坏, 因此需对其施加一个瞬态的强恢复磁 场来恢复或保持传感器特性,即施加一个置位或复位脉冲。置位/复位电路的设计如图 3 所 示[2-3]。

图 3 置位/复位电路 (2)磁阻传感器 本系统采用磁阻传感器 HMC1021S。这种磁阻传感器按 4 元件惠斯顿电桥配置,将磁 场转换成差分输出电压,并能传感强度低至 30μG 的磁场。如图 4 所示。

图 4 磁阻传感器 HMC1021S (3)放大滤波电路 放大滤波电路主要由精密仪用放大器 INA114 和基本放大滤波电路组成。INA114 是一 种通用仪用放大器,尺寸小,精度高,价格低廉,可用于电桥、热电偶、数据采集、RTD 传感器和医疗仪器等。 INA114 只需一个外部电阻就可以设置 1 至 10 000 之间的任意增益值。 在此设计放大倍数为 50。 基本放大滤波电路主要由运算放大器 LF324 构成。LF324 由 4 个放大器构成。信号由 精密仪用放大器 INA114 输出后经过 LF324,再经过 2 级放大器放大,每一级的放大倍数分 别为 100 和 10。然后进行低通滤波,截至频率为 10 Hz。滤波后的信号再经过放大器放大 5 倍。因此,经过放大滤波后,信号被放大了 250 000 倍,具有很高的灵敏度[4-5]。 (4)比较电路 比较电路主要由比较器构成, 其作用是将模拟信号转换成方波信号, 通过设置比较器的 阈值电压,可调节地磁传感器的灵敏度。当阈值电压调大时,灵敏度就会降低。 (5)显示信号电路 由微处理器输出的脉冲信号驱动发光二极管显示车辆的到位或经过。 (6)微处理器控制原理 本系统中心控制芯片采用 LPC901 微处理器,通过对有无脉冲信号到达的检测,可判断 是否有地磁扰动,即是否有车辆经过,之后通过对相邻脉冲间隔时间的检测,可断定车辆通 过的情况。 2、软件部分 本设计单片机主程序流程如图 5 所示。

图 5 单片机主程序流程 重点是控制判断部分, 通过对有无脉冲信号的检测来判断有无车辆经过, 通过对脉冲信 号时间间隔的检测, 来判断是某一辆车停在原位还是多辆车经过, 从而输出相应的显示信号
[6]

。若是多辆车经过,则每经过一辆车就输出相应的一个脉冲,若是某辆车停在地磁传感器

附近,则也只输出相应的一个脉冲,表示是同一辆车,从而使每一个脉冲都对应一辆车。 四、仿真分析及结果 用该车辆检测器检测地磁扰动信号,相应的结果如图 6~9 所示。 图 6 中,u0 为地磁传感器检测到的地磁扰动信号的波形,u1 为该信号经过放大滤波电 路及比较电路的输出波形。 图 7~9 为不同情况下地磁传感器检测到的地磁扰动信号及经过微处理器处理后的波形, 其中:u0 为地磁传感器检测到的地磁扰动信号的波形;u1 为该信号经过放大滤波电路及比 较电路的输出波形;u2 为经过微处理器处理过得信号波形。 地磁传感器是用来检测车辆经过或到位的检测器,性能稳定,灵敏度高,小巧灵活。可 广泛应用于城市交通、高速公路、停车场和小区进行车辆检测和交通信息的采集。

图 6 车辆检测器检测到的地磁扰动信号波形

图 7 2 辆车经过情况下车辆检测器检测到的地磁扰动信号及经过微处理器处理后的波形

图 8 1 辆车停滞情况下车辆检测器检测到的地磁扰动信号及经过微处理器处理后的波形

图 9 不同速度的车辆经过时车辆检测器检测到的地磁扰动信号 及经过微处理器处理后的波形 五、实现中还需考虑的问题 1、信号传输。传感器与接收板之间,是采用有线还是无线传输?如果从智能化、可移 动性及可靠性角度考虑,无线好;从成本低、结构简单考虑,有线好。拟开发两种传输方式 拟开发两种传输方式 的地磁车辆检测器,以便在不同情况下使用。通常在停车场内安装采用有线方式, 的地磁车辆检测器,以便在不同情况下使用。通常在停车场内安装采用有线方式,公用道 路上安装使用无线方式。 路上安装使用无线方式。 线方式 2、重量判决。就目前而言,车辆检测很重要的一个指标是重量,比如收费站,收费和 吨位有关。此项目中只有地磁传感器,是不是可以考虑加入压力传感器,组成传感器网络? 这个硬件上实现起来并不难。 3、成本和制作周期问题。目前调研了解的器件产品价格如下: 1) HMC1021S 磁阻传感器: 100.00 元/1 片; 80.00 元/100 片; 35.00 元/1K; 28.00 元/10K。 2)放大器:INA114,一个 25 元。 3)运放作滤波放大:LF324,一个 5 元。 4)单片机:philips 的 LPC90x 系列,或者 MAXIM 的低功耗单片机 Z86x 系列:一个 10 元左右。需要注意选一个自带 A/D 通道的。 5)贴片封装费用,估计 30 元。 6)PCB 板,价格和层数、面积及材料有关,估计 40 元(如果用好材料的话就贵一些) 。 7)RS232 串口:max232 一个 10 元。 8)无线 T/R 组件×2:nRF905(12 元) ,PTR8000(135 元) 。 最后,还有很重要的一点就是系统的封装和功耗问题,因为是埋在地下,所以这两点必须考 虑好, 最关键! 而且估计还需要用一片电源转换芯片, 因为各个器件的驱动电压可能不一致,

有的是 3.3v,有的是 5v,有的可能是 12v,可以找一款同时具备三个输出的。型号就是上面 大概写的,当然不一定非要用上面这些,而且具体实现过程中肯定有些型号还要调整。 制作周期的话估计是 3 个月以内,要得到成熟的产品估计是 6 个月时间。 参考文献 [1] 王国余,张欣,景亮。新型磁阻传感器在地磁场测量中的应用[J]。传感器技术,2002, 21(10),1000-9787。 [2] 霍尼韦尔商业开关与传感器[EB/OL]。 [2003-01-13]。 http: //www。 honeywell。 com/sensing。 [3] 武林。自适应可变磁阻传感器放大器及其应用[J]。今日电子,2002(2):17-18。 [4] 尹宝智,老文蔚,谢华,等。Insb 磁阻型传感器在弱信号识别中的噪声抑制方法[J]。 技术与应用,1998(6):33-37。 [5] 樊小明,经亚枝,张焕春,等。开关磁阻电机的一种无位置检测器方案的研究[J]。电

工技术学报,1997,12(6):27-31。 [6] 广州周立功单片机发展有限公司[EB/OL]。[2002-03-06]。http://www。zlgmcu。com。


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