【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 表示衷心的感謝！ 高速路口車速及車流量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 1 1 高速路口監(jiān)測(cè)技術(shù)總體分析 高速路口車速常用檢測(cè)現(xiàn)狀分析 隨著我國(guó)高速公路網(wǎng)的快速發(fā)展，高速公路給人們的生活帶來了很大的便利，同時(shí)車輛在高速公路上的超速行駛很容易引發(fā)交通事故。為了防止這種不幸事件的發(fā)生，很多專家學(xué)者都在研究高速公路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中主要的有雷達(dá)測(cè)速方式、視頻測(cè)速方式、激光測(cè)速方式和 IC 卡測(cè)速方式。 雷達(dá)測(cè)速方式是一種新型的利用微波測(cè)速的方式。它通過多普勒效應(yīng)對(duì)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。雷達(dá)測(cè)速方式是通過向被測(cè)汽車發(fā)射出 1000MHZ左右的脈沖微波，如果脈沖微波射到靜止的 汽車上，那么被反射回來的微波頻率不變；如果汽車運(yùn)動(dòng)的速度很快，那么，根據(jù)多普勒效應(yīng)反射波的頻率與發(fā)射波的頻率就會(huì)有很大的不同，通過對(duì)這種微波頻率差異的測(cè)定，再通過比對(duì)頻率的差異與速度的關(guān)系，建立速度頻率關(guān)系表，處理器就能自動(dòng)換算車汽車速度和計(jì)算車流量。 激光測(cè)速方式是采用激光測(cè)距原理的方式。激光測(cè)距是通過利用向被測(cè)車輛發(fā)射激光束，并接受該激光束的反射波，記錄時(shí)間差，來確定被測(cè)車輛與測(cè)試點(diǎn)的間距。激光測(cè)速是對(duì)被測(cè)車輛進(jìn)行兩次有特定時(shí)間間隔的激光測(cè)量，取得在該一時(shí)間段內(nèi)的被測(cè)物體移動(dòng)的距離，從而計(jì)算車輛的移動(dòng)速 度。生活中我們看到交警在警車內(nèi)測(cè)量車速，其實(shí)就是利用這個(gè)原理測(cè)得的。 高速公路視頻超速監(jiān)控系統(tǒng)是利用視頻圖像處理技術(shù)，來對(duì)高速公路車道上的車輛進(jìn)行非接觸式監(jiān)控，以獲得超速車輛的車速。通過在一定時(shí)間的連續(xù)兩次對(duì)車輛進(jìn)行圖像的抓捕，利用圖像特征點(diǎn)相對(duì)位移計(jì)算車速。 IC 卡測(cè)速方式是一種最簡(jiǎn)便、最有效的新測(cè)速方式。根據(jù) IC 卡計(jì)算出每輛車在高速公路行駛期間的平均速度。這種方法的主要原理是：通過司機(jī)所用的IC 卡，利用車輛進(jìn)出高速公路的準(zhǔn)確時(shí)刻和運(yùn)行里程，測(cè)量車輛平均行駛速度。這是一種全天候的測(cè)速方法，讓司機(jī)意識(shí)到車輛 一旦上了高速公路就被測(cè)速的道理，從而達(dá)到威懾的效果，以減少高速公路因超速而造成的交通事故的發(fā)生。 高速路口車流量常用檢測(cè)現(xiàn)狀分析 高速路口車速及車流量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 2 按照獲得行駛車輛信息方式的不同，高速路口車輛監(jiān)控實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)使用的技術(shù)有：空氣管道檢測(cè)技術(shù)、磁感應(yīng)檢測(cè)技術(shù)和波頻檢測(cè)技術(shù)。 空氣管道檢測(cè)技術(shù)是一種接觸式的檢測(cè)方法，在高速公路主線的檢測(cè)點(diǎn)拉一條空心的塑料管道并加以固定，一端封閉，另一端連接計(jì)數(shù)器，當(dāng)有車輛經(jīng)過塑料管道時(shí)，車輪擠壓空氣管道，管內(nèi)空氣被擠壓而觸動(dòng)計(jì)數(shù)器以計(jì)算車流量的方法。顯然，此方法只能獲取單一的車輛信息，且壽 命短，方法繁瑣，已經(jīng)被磁感應(yīng)檢測(cè)等技術(shù)取代。 磁感應(yīng)檢測(cè)器方法可以分為線圈和磁阻傳感器兩種。環(huán)形線圈檢測(cè)是現(xiàn)在高速路口應(yīng)用最廣泛的一種檢測(cè)設(shè)備。這種設(shè)備主要由埋在路表下的線圈和能夠測(cè)量此線圈電感的電子設(shè)備組成。車輛經(jīng)過線圈，引起線圈磁場(chǎng)的緩慢變化，檢測(cè)器據(jù)此計(jì)算出車流量、速度、時(shí)間占有率和長(zhǎng)度等交通參數(shù)信息。磁感應(yīng)檢測(cè)技術(shù)受惡劣天氣氣候、日照光線強(qiáng)弱影響的影響小，性能比較穩(wěn)定，并目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、交通控制等方面。 波頻車輛檢測(cè)技術(shù)是對(duì)車輛發(fā)射電磁波產(chǎn)生感應(yīng)的檢測(cè)方法。根據(jù)發(fā)射電磁波的不同可分為 雷達(dá)檢測(cè)、超聲波檢測(cè)和紅外檢測(cè)等。雷達(dá)檢測(cè)方式：車輛檢測(cè)雷達(dá)通過調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)，雷達(dá)發(fā)出電磁波頻率隨線性調(diào)制信號(hào)電壓的變化而變化。將該雷達(dá)安裝在馬路邊的高桿上，俯向下往各車道發(fā)射微波，并接收各車道上車輛反射回來的微波信號(hào)。由于不存在多普勒的頻移，各車道上車輛和雷達(dá)之間的距離不同，反射回來的電磁波普與當(dāng)前雷達(dá)發(fā)射的電磁波頻率之差也不同，雷達(dá)通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，判斷各車道對(duì)應(yīng)頻率分量的強(qiáng)弱程度即可知道各道有沒有車輛存在。 超聲波檢測(cè)器是利用聲波傳播和反射原理，通過對(duì)發(fā)射波和反射波的時(shí)間差測(cè)量實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量的設(shè) 備。由超聲波發(fā)生器發(fā)射出一束超聲波，再接收從車輛或地面反射波，根據(jù)反射波返回時(shí)間的差別，判斷有無車輛通過。 紅外檢測(cè)器是頂置式或路側(cè)式的交通流檢測(cè)設(shè)備，一般是采用反射式檢測(cè)技術(shù)。反射式檢測(cè)探頭通常由一個(gè)紅外發(fā)光管和一個(gè)紅外接收管組成。由調(diào)制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生調(diào)制脈沖波，經(jīng)紅外探頭向道路上輻射，如果有車輛通過，紅外脈沖從車體反射回來，被接收管接收后經(jīng)過解調(diào)、放大、整流濾波后輸出一個(gè)檢測(cè)信號(hào)并送入單片機(jī)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字圖像處理、人工智能和模式識(shí)別等技術(shù)的快速發(fā)展，高速路口車速及車流量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 3 計(jì)算機(jī)視頻技術(shù)在交通信息檢測(cè)中占據(jù)越來越重要 的地位。目前常用的視頻車輛檢測(cè)算法主要有：灰度比較法、背景差法、幀差法、邊緣檢測(cè)法?；谝曨l圖像的車流量與車速檢測(cè)技術(shù)的基本思想是在視頻圖片中的每條車道上設(shè)置一個(gè)固定區(qū)域，作為虛擬的檢測(cè)線，再對(duì)該區(qū)域內(nèi)圖像進(jìn)行處理，完成對(duì)車輛信息的及時(shí)獲取。背景差法將當(dāng)前輸入幀圖像與背景圖像進(jìn)行快速的差值計(jì)算，以分離出車輛。但背景圖像需要實(shí)時(shí)不停刷新，影響因素較多。幀差法則是對(duì)相鄰的兩幀圖像進(jìn)行差值計(jì)算，但不能排除攝像頭抖動(dòng)引起的干擾，對(duì)靜止或速度慢的車輛無法有效檢測(cè)。邊緣檢測(cè)法主要通過對(duì)幀圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，以提取車輛的邊 緣特征進(jìn)行信息識(shí)別。 高速路口車速及車流量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 4 2 系統(tǒng) 工作原理與 總體方案 選擇 系統(tǒng)的工作原理 車流量 與車速 檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理 紅外線矩陣法是 一種利用 紅外傳感器組成的 紅外線矩陣檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)道路上機(jī)動(dòng)車流量 和車速 的方法。 它是利用紅外線發(fā)射和接收方向較強(qiáng)的特點(diǎn)，在車輛經(jīng)過的路面上安裝密度適當(dāng)?shù)膸着偶t外線發(fā)射接收電路，由此組成紅外線矩陣， 紅外線檢測(cè)矩陣由兩排嵌入路面內(nèi)的接收器和安裝在其上方幾米處的發(fā)射器組成，兩排接收器之間的距離為 ～ 2 米，每排接收器由若干間隔 ～ 米的接收管 和接收電路組成。接收管在沒有遮擋的情況下可以接收發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)，接收電路中產(chǎn)生低電平，接收管在受到 遮蔽 的 狀況下 下收不到發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)，接收電路中 出現(xiàn) 高電平 信號(hào)。 因此根據(jù)車 輛 駛?cè)?、 通過 、 駛出 檢測(cè)區(qū)域 ，以及 車輛行駛方向 ，并排 行駛車輛 的 流 量等 情況 引起的矩陣 內(nèi)部 各 測(cè)試 點(diǎn)高低電平 信號(hào) 的變化， 經(jīng)過 硬件電路設(shè)計(jì)和軟件 編程計(jì)算方法 ，最終統(tǒng)計(jì)計(jì)算 出經(jīng)過該測(cè)量區(qū)域內(nèi)雙向并排經(jīng)過的多輛車的車流量測(cè)量 與車速測(cè)量 。 系統(tǒng)需求分析 隨著 我國(guó) 城市車輛 使用 的增多，道路 狀 況 同時(shí)也 變得復(fù)雜，如何對(duì)道路車流量 及車速 進(jìn)行 實(shí)時(shí) 監(jiān)控， 對(duì)統(tǒng)計(jì)、預(yù)測(cè) 高速 道路交通 狀況十分 重要， 并且同時(shí)這 也是對(duì) 高速 道路 車輛 運(yùn)行情況 高效 調(diào)度的 一項(xiàng)十分的 重要 參考 依據(jù)。 而且當(dāng) 前對(duì) 高速 道路監(jiān)測(cè)多 使用 視頻 方法 ， 有事還可能 采 用 人工 計(jì) 數(shù) 方法 ， 此方法對(duì)每條 高速公路 在某個(gè) 時(shí)間段車輛行駛情況 不 容 易做到長(zhǎng) 時(shí)間 、 高效 的統(tǒng)計(jì)。因此 我們 需要 進(jìn)行 一種低成本、高 準(zhǔn)確率 的智能識(shí)別裝 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ， 由此 促進(jìn)對(duì) 高速路口 交通情況的 檢測(cè) 水 準(zhǔn) 。 系統(tǒng)總體模塊設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)是利用單片機(jī)并且采用模塊化設(shè)計(jì)來設(shè)計(jì)車流量及車速檢測(cè)系統(tǒng)，只要有車輛經(jīng)過，就會(huì)擋住兩個(gè)發(fā)射和接收紅外線傳感器之間的傳感信 號(hào)，這樣就能根據(jù)車量的流動(dòng)情況對(duì)車流量進(jìn)行檢測(cè)并利用單片機(jī)計(jì)算出車速。當(dāng)然高速路口車速及車流量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 5 對(duì)于正常的情況下還會(huì)有并行的車量經(jīng)過，本系統(tǒng)也做了設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的總體模塊如圖 所示： 圖 系統(tǒng)總體模塊圖 本系統(tǒng)采用紅外線傳感器組成的矩陣作為采集信號(hào)對(duì)車流量進(jìn)行檢測(cè)，紅外線傳感器采集到信號(hào)之后，經(jīng)電源電路和以及濾波放大電路之后，再傳送到單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)再將處理結(jié)果由 LCD 顯示。系統(tǒng)會(huì)通過出現(xiàn)低電平的次數(shù)來統(tǒng)計(jì)車流量及車速。 系統(tǒng)總體硬件方案選擇 核心 控制器 對(duì)于該系統(tǒng)，控制 部分無疑是整個(gè)系統(tǒng)的最核心部分，其功能可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信并且接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)和控制指令，經(jīng)處理過后控制顯示屏顯示內(nèi)容。其電子設(shè)計(jì)制作中常用的方法有單片機(jī)、 DSP、及 EDA 技術(shù)。 方案一： 單片機(jī) 單片機(jī)是內(nèi)部集成了 CPU， ROM， RAM 和 I/ O 口等的微型計(jì)算機(jī)。它本身具有很強(qiáng)的接口性能，非常適合于應(yīng)用在工業(yè)控制，因此又叫微控制器(MCU)。單片機(jī)品種十分齊全，型號(hào)多樣 ， CPU 從 8， 16， 32 到 64 位，其中多采用 RISC 技術(shù)，片上 I/O 非常豐富，有的單片機(jī)內(nèi)部集成有 A/ D，“ 看門狗”， PWM， 顯示驅(qū)動(dòng)，波形發(fā)生器，鍵盤電路等。它們具有高低不等的價(jià)格，因此極大地促進(jìn)了開發(fā)者的選擇應(yīng)用自由。除此之外單片機(jī)還具有低電壓和低 單 片 機(jī) 控 制 器 紅外線傳感器 濾波放大電路 電源電路 A/D轉(zhuǎn)換 報(bào)警器 鍵盤 LCD 顯示 高速路口車速及車流量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 6 功耗的特點(diǎn)。伴隨著超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，單片機(jī)在便攜式電子產(chǎn)品中已被廣泛使用。 方案二： DSP 芯片 DSP 芯片又叫數(shù)字信號(hào)處理的器件。 DSP 主要應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理的各項(xiàng)領(lǐng)域中，十分適合高精度，復(fù)雜運(yùn)算信息處理。現(xiàn)在 DSP 已經(jīng)大規(guī)模使用在信息、便攜式設(shè)備以及儀表儀器、雷達(dá)、圖像、航空電子、實(shí)用電器、醫(yī)療設(shè)施等領(lǐng)域。 DSP 區(qū)別于一般微處理器的另一重要標(biāo)志是硬件乘法器以及特殊指令 ，一般微處理器用軟件方法實(shí)現(xiàn)乘法，單條執(zhí)行指令，速度慢。 DSP 依靠硬件乘法器單周期完成乘法運(yùn)算，而且還具有專門的信息處理指令。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。芯片內(nèi)置 544 字的高速SRAM。外部可尋址 64K 字程序 /數(shù)據(jù)及 I/O，令周期在 25ns～ 50ns 之間，實(shí)時(shí)性處理比 16 位單片機(jī)快 2 倍以上，可取代一般常用的的單片機(jī)。 方案三： EDA EDA 即我們所說的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化。 EDA 是以電子計(jì)算機(jī)為輔助工具，在EDA 軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)上，針對(duì)用 VHDL 生成的設(shè)計(jì)文件進(jìn)行自動(dòng)邏輯編譯、邏輯 簡(jiǎn)化、邏輯分塊、邏輯合成及優(yōu)化、邏輯布局和布線、邏輯仿真，直至對(duì)于特定目標(biāo)芯片進(jìn)行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。而且 MCU 和 DSP 都是實(shí)用串行操作指令來實(shí)現(xiàn)特定功能，不可避免速度低，而 FPGA/CPLD 則可完成硬件上的并行操作，在實(shí)時(shí)監(jiān)控和高速應(yīng)用領(lǐng)域中前景十分廣闊；另外，F(xiàn)PGA/CPLP 器件在使用開發(fā)中是用軟件編程實(shí)現(xiàn)的，但是物理結(jié)構(gòu)和純硬件設(shè)計(jì)電路確是一樣，可靠性很高。 基于以上分析，三種設(shè)計(jì)方式相比較各有優(yōu)點(diǎn)且都能夠?qū)崿F(xiàn)控制功能，但單片機(jī)的技術(shù)門檻較低開發(fā)成本也較低非常適合初學(xué)者進(jìn)行學(xué)習(xí)和鍛煉使用 ?，F(xiàn)在市場(chǎng)上常用的單片機(jī)主要有 MCS5 AVR、 ARM、 PIC 等。其中使用最流行的單片機(jī)首推 Intel 公司的 51 系列，因?yàn)楫a(chǎn)品硬件組成十分合理，指令體系十分規(guī)范，并且“悠久”的生產(chǎn)歷史，有先入為主的龐大優(yōu)勢(shì)常作為單片機(jī)學(xué)習(xí)的教材。所以決定選取 51 系列單片機(jī)作為控制部分的核心器件。 電源電路 方案一：采用普通家用的干電池作為 LED 系統(tǒng)的電源，由于點(diǎn)陣系統(tǒng)耗電高速路口車速及車流量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 7 量較大，點(diǎn)陣系統(tǒng)一般懸掛在高處上，一直不停的工作。使用干電池需經(jīng)常換電池，使用繁瑣，不符合節(jié)約型社會(huì)的要求。 方案二：采用一塊 LM7805 三端集成穩(wěn)壓器。把市電經(jīng)變壓器降壓輸入電路，而后經(jīng)過整流送到 LM7805 三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓輸出作為工作電壓。不僅功率上可以滿足系統(tǒng)需要，不需要更換電源，并且比較輕便便利，使用更加安全可靠。 基于以上分析，決定選取 LM7805 三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓器件作為系統(tǒng)供電電源。 I\O 口擴(kuò)展芯片 方案一：選取串口輸入并口輸出芯片 74LS164，雖然其 I/O 口使用較少，由于本次設(shè)計(jì)共需要 72 路 I/O 口，列驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)計(jì)算需要 8 塊 74LS164。顯示數(shù)據(jù)是先后順序給送去的，顯示一般會(huì)有延遲，而 LED 動(dòng)態(tài)顯示的刷新的時(shí)間控制大約 10ms，實(shí)時(shí)性差，效果不好。 方案二：采用邊沿觸發(fā) D 型觸發(fā)器 74LS574， 74LS574 是三態(tài)總線驅(qū)動(dòng)輸出器件，可以緩沖控制輸入，置數(shù)并行存取并且有改善抗擾度的滯后作用。輸出控制不影響觸發(fā)器的內(nèi)部工作，既老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉，新的數(shù)據(jù)依舊可以置入。時(shí)鐘上升沿輸入有效， 8 塊 74LS574 共用 16 個(gè) I/O 口，數(shù)據(jù)可以并行寫入芯片，延遲時(shí)間較少，滿足設(shè)計(jì)要求。 綜合以上比較，決定選取 74LS574 作為列線驅(qū)動(dòng) I\O 口擴(kuò)展芯片。 串口通訊芯片的選擇 AT89C51 串行口采用 的是 TTL 電平，如果與上位機(jī)通信時(shí)，必須要有電平轉(zhuǎn)換電路，我們可以選擇 1488， 1489， MAX232。 方案一：采用 1488 或 1489 芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)電平轉(zhuǎn)換，但在使用中發(fā)現(xiàn)這兩種芯片可靠性不高，且需要正負(fù) 12V 電源，電路搭建比較麻煩。 方案二：采用單電源電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232，這種器件電源與單片機(jī)供電相同，外圍電路簡(jiǎn)單、可靠，使用十分廣泛。采用 RS232 接口與上位機(jī)通信，方便后來設(shè)計(jì)的軟件