【正文】 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁 共 46 頁 1 緒論 研究現(xiàn)狀 這些年來我們國家的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，而作為城市發(fā)展最主要的問題就是交通問題，交通工具已經(jīng)增長，道路上的車流量也在逐步增多 ， 所以認(rèn)識 路況交通實(shí)時(shí)信息讓司機(jī) 抉擇路線通順 的路段是處理 道路 擁擠 的一個(gè)重要 方法 [1]。 隨著經(jīng) 濟(jì)的飛速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施的投資力度越來越大，表現(xiàn)之一就是道路建設(shè)。改變這種交通現(xiàn)狀的有效解決辦法就是在城市交通管理部門建立完善的交通監(jiān)控系統(tǒng)。即通過采集交通數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)浇煌ü芾碇行?，在中心進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果，中心通過控制車輛出入，從而更好地管制交通；中心還可以利用這些數(shù)據(jù)在發(fā)生交通事故時(shí)迅速采取措施。運(yùn)用交通監(jiān)控系統(tǒng)可以提高現(xiàn)有道路的通行能力，協(xié)調(diào)處理突發(fā)性交通事件，緩和交通阻塞，從而改善交通狀況。車流量檢測系統(tǒng)以道路上過往車輛為檢測目標(biāo)，統(tǒng)計(jì)車輛經(jīng)過的個(gè)數(shù)，其作用是為智能交通控制系統(tǒng)提供足夠的信息以便實(shí)施最優(yōu)的管理。目前，實(shí)現(xiàn)車輛實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)的方法主要有 :視頻法、紅外法、車載無線系統(tǒng)輔助法與地磁方法等。根據(jù)實(shí)際道路自然條件多變特點(diǎn)，其中基于單片機(jī)和地磁法道路車流量計(jì)檢測由于其高準(zhǔn)確率，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，低成本和高可靠性而被廣泛利用。如今的車流量檢測器則不需要埋在地下 ， 由一種類型向多種組合類型展開。 因?yàn)楝F(xiàn)今的任何一種檢測器都不能很齊全的達(dá)到交通監(jiān)控的全部要求，他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)都非常顯著。 早在 60年代末 ， 70年代初國外的科學(xué)家就對車輛的自動識別進(jìn)行了研討 ， 因?yàn)楫?dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展的影響曾采納照相 ， 聲表面波等技術(shù)來完成車輛的自動識別 ， 但都因現(xiàn)場的詳細(xì)環(huán)境復(fù)雜一直沒有解決系統(tǒng)辨別精度不高抗干擾功能差這一技術(shù)難題因而沒有得到廣泛使用。 因此地磁法檢作 為一種新型被動式車輛檢測簡單 ， 可靠經(jīng)濟(jì)。 本文介紹了一種基于 單片機(jī) 的道路 車流量計(jì)設(shè)計(jì)的 方法。 地磁傳感器 以機(jī)動車輛為檢測目標(biāo)檢測車輛的通過或存在狀況，其作用是為智能交通控制系統(tǒng)提供足夠的信息以便進(jìn)行最優(yōu)的控制。 地磁傳感器發(fā)展前景 地磁傳感器是可以將各種磁場及其變化的量轉(zhuǎn)變成電信號輸出的裝置。利用人工設(shè)置的永久磁體產(chǎn)生的磁場， 可作為許多種信息的載體。在當(dāng)今的信息社會中，地磁傳感器已成為信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)中不可缺少的基礎(chǔ)元件。早先的地磁傳感器， 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁 共 46 頁 是伴隨測磁儀器的進(jìn)步而逐步發(fā)展的。在測磁儀器中“探頭”或“取樣裝置”就是磁場傳感器。 綜合起來，可以看出，要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)， 首先必須有產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用市場，同時(shí) ， 傳感器生產(chǎn)者應(yīng)具有可滿足市場需求的產(chǎn)品，而且，產(chǎn)品的性能／價(jià)格比必須能和相同的或具有同樣功能參數(shù)的產(chǎn)品競爭。例如 IBM、東芝 、 索尼、松下、 Siemens Akt、 Honeywell、 Akkegro 等等 .在這些企業(yè)中 ,起碼有兩點(diǎn)明顯的優(yōu)勢：一是研制 — 生產(chǎn) — 使用的緊密結(jié)合；另一個(gè)就是一旦要迅速擴(kuò)大生產(chǎn)時(shí)、可調(diào)動巨大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力給予 支持，使產(chǎn)品能占領(lǐng)市場。 [3]地磁傳感器可用于檢測車輛的存在和車型識別。地磁傳感器利用車輛通過道路時(shí)對地球磁場的影響來完成車輛檢測的傳感器與常用的地磁線圈（又稱地感線圈）檢測器相比，具有安裝尺寸小、靈敏度高、施工量小、使用壽命長，對路面的破壞?。ㄓ芯€安裝只需要在路面開一條 5 毫米寬的縫，無線安裝只需要在路面打一個(gè)直徑 55 毫米深 150 毫米的洞，當(dāng)在檢測點(diǎn)吊架或側(cè)面安裝時(shí)不用破壞路面）等優(yōu)點(diǎn)，在智能交通系統(tǒng)的信息采集中必將起到非常重要的作用。優(yōu)點(diǎn)如下： ，不用封閉道路，只需要安裝在馬路表面就可以，對路面幾乎沒有任何損壞，當(dāng)在檢測點(diǎn)吊架或從側(cè)面安裝時(shí)不必破壞路面 ,維修的時(shí)候也只需要查看地磁傳感器就可以，而且檢測點(diǎn)不會很容易受到破壞，不會受道路移動而影響； 二 .地磁傳感器按照地球磁場在鐵磁物體通過傳感器時(shí)的變化程度來檢測 ,所以它不受天氣的響； 三 .通過對傳感器靈敏度的設(shè)置能夠辨別鐵磁性物體的大小，可以大概判斷出來往車輛的個(gè)數(shù) ； 四 .由于對非鐵磁性 的 物體沒 有反應(yīng) ， 所以能夠有效地降低失誤，使檢測效率得到大幅度提高； 五 . 簡單實(shí)用，經(jīng)濟(jì)可靠，對磁通變化反映靈敏。STM32 是基于 ARM 公司最新一代 cortexM 內(nèi)核芯片，意法半導(dǎo)體公司推出的，因?yàn)槠涑叩男詢r(jià)比和簡單函數(shù)庫編程方式而被廣泛使用。 STM32 的運(yùn)算速度大約是 51 單片機(jī)的幾十倍 ， 而且外圍接口功能比 51強(qiáng)大 ， STM32 系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的 ARM CortexM3內(nèi)核。而 51 的自身功能少 ,需要外圍元件多 ,要求對電子熟悉 ， 所以本設(shè)計(jì)選擇 STM32系列單片機(jī)。本系統(tǒng)的時(shí)間開發(fā)提高臨時(shí) 道路車流量的計(jì)數(shù) 效率。 系統(tǒng)框圖 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 (1)地磁傳感器模塊：安裝在 道路 的地面 上 邊，用于檢測汽車的駛?cè)?。地磁傳感器模塊是由 X、 Y、 Z 三軸地磁線的變化來判斷檢測信 號。然后將分析后的數(shù)據(jù)再經(jīng)過串口傳給 PC。 工作過程 當(dāng)汽車進(jìn)入 到地磁傳感器所在范圍 時(shí)，地磁傳感器的 X、 Y、 Z 三軸磁力線 中的某一個(gè)方向 會受到汽車的干 擾而變化， MAG3110 地磁傳感器將 變化后 的信號傳給單片機(jī)， 并且 經(jīng)過單片機(jī)對其計(jì)算，將計(jì)算后的結(jié)果再傳給 PC 機(jī)，在 PC 上運(yùn)行 串口 ，由于當(dāng)?shù)卮艂鞲衅魃嫌写判晕矬w時(shí)，經(jīng)過計(jì)算后的數(shù)值一般會在某個(gè)范圍內(nèi)，當(dāng)?shù)卮艂鞲衅魃蠠o磁性物體時(shí)，經(jīng)過計(jì)算后的數(shù)值一般會在另一個(gè)范圍內(nèi)，所以這樣就會方便 串口 分析其數(shù)據(jù)，并且對其進(jìn)行處理。與此同時(shí)， 數(shù)據(jù)更新方式為定時(shí) 10s 周期更新 ， 同時(shí)在檢測 到新的流量信息時(shí)立即更新 ，車輛每經(jīng)過一次就計(jì)數(shù)一次， 10 秒為數(shù)字統(tǒng)計(jì)更新。 本文研究內(nèi)容 根據(jù) 道路車流量 情況實(shí)時(shí)顯示的需要，采用模塊化、可配置的思想設(shè)計(jì) 道路 車輛無線監(jiān)測系統(tǒng)。地磁場信號檢測的信號傳給單片機(jī)，經(jīng)過 STM32 單片機(jī)處理，再將分析后的結(jié)果傳給外圍設(shè)備，處理后就可以判斷 是否有車輛經(jīng)過 ，最后將 車流量 情況在液晶顯示屏中顯示出來。 2：根據(jù)單片機(jī)的工作原理，設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)和地磁傳感器來檢測道路車流量計(jì)的設(shè)計(jì)，利用 STM32 單片機(jī)分析并計(jì)算的道路車流量計(jì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 46 頁 3 主要的功能器件介紹及相應(yīng)程序 元器件介紹 本節(jié)將介紹 MAG3110 地磁傳感器、 STM32 系列單片機(jī)、 PL2303 串口 主要是介紹 MAG3110 及其特點(diǎn)、原理圖、引腳及引腳功能，在程序中的使用。 MAG3110 磁力計(jì)可以測量所處位置磁場（由地磁場和電路板組件產(chǎn)生的磁場加在一起的總和）的三個(gè)軸向的組成部分。 如果 VDDIO 被移除時(shí) ，控制信號 SCL 和 SDA 將鉗位任何邏輯信號，其內(nèi)部 ESD 保護(hù)二極管。 片 頂視圖 圖 頂視圖 所示 圖 MAG3110 原理圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 46 頁 表 MAG3110 地磁傳感器 引腳介紹 引腳 名稱 功能 1 CapA 旁路電容的內(nèi)部穩(wěn)壓器 2 VDD 電源 ,6V 3 NC 無連接或不連接 4 CapR 上限復(fù)位脈沖 5 GND GND 6 SDA I2 C串行數(shù)據(jù)（寫 =為 0x1c；讀 =0x1D） 7 SCL I2 C串行時(shí)鐘 8 VDDIO 電源 I/O 緩沖器， 9 INT1 中斷 高電平輸出 10 GND GND 總線 SCL 時(shí)鐘：最大 400KHz，建議從低速開始測試 寫地址： 0x1C 讀地址： 0x1D ： 寫時(shí)序： I2C 起始位 MAG3110 寫地址（ 0x1C） 目標(biāo)寄存器地址 寫入數(shù)據(jù) 停止位 讀時(shí)序： I2C 起始位 MAG3110 寫地址（ 0x1C） 目標(biāo)寄存器地址 重復(fù)起始位 MAG3110 讀地址（ 0x1D） 接收數(shù)據(jù) 停止位 注：一般一個(gè)寄存器只有 8 位，即一次只需讀或?qū)懽止?jié) 初始化 先將 MAG3110 設(shè)為 STANDBY 模式（ CTRL_REG1 寄存器低兩位 00） ， 配置 OSR， ODR（ CTRL_REG1 寄存器高 5 位，具體配置查數(shù)據(jù)手冊： Over Sampling Ratio and Data Rate Description， FR 位默認(rèn)為全 16 位數(shù)據(jù)） 將 MAG3110 設(shè)為 ACTIVE 模式（ CTRL_REG1 寄存器低兩位 01），傳感器開始轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù) 。0x08=1,一次轉(zhuǎn)換此時(shí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，那 么此時(shí)能夠讀出數(shù)據(jù)。 裝置默認(rèn)是水平放置的，所以只需要處理 X、 Y 軸的數(shù)據(jù) [4]。 如圖所示， N 為地磁場及四周干擾地磁合成而形成的磁力， XY 我們可以認(rèn)為是分解到兩個(gè)方向上的力，在周圍干擾磁場不是很強(qiáng)的情況下，就可以把 N 認(rèn)為是北向。 MAG3110 是一款小型的低功耗、數(shù)字三軸磁力計(jì)，內(nèi)涵廣闊的動態(tài)領(lǐng)域，可以在帶有外部磁場的印制電路 (PCB)中運(yùn)轉(zhuǎn)。 MAG3110 包含標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的 I2C 串行接口，可以測量高達(dá) 10 高斯的所在位置磁場，輸出數(shù)據(jù)的速率 (ODR)可達(dá) 80Hz。 MAG3110 提供塑料 DFN 封裝，可以在 40176。 C 的溫度范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。 系列單片機(jī) 系列介紹 不同的系列： STM32F103“增強(qiáng)型”系列和 STM32F101“基本型”系列。兩個(gè)系列都內(nèi)置 32K 到 128K 的閃存，不同的是 SRAM 的最大容量和外設(shè)接口的組合。 全新 STM32 互連型（ Connectivity）系列微控制器增加一個(gè)全速 USB（ OTG）接口，使終端產(chǎn)品在連接另一個(gè) USB 設(shè)備時(shí)既可以充當(dāng) USB 主機(jī)又可充當(dāng) USB 從機(jī)；還增加一個(gè)硬件支持 IEEE1588 精確時(shí)間協(xié)議 (PTP)的以太網(wǎng)接口，用硬件實(shí)現(xiàn)這個(gè)協(xié)議可降低 CPU開銷，提高實(shí)時(shí)應(yīng)用和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備同步通信的響應(yīng)速度。此外，新系列微控制器還支持以太網(wǎng)、 USB OTG 和 外設(shè)接口同時(shí)工作，因此，開發(fā)人員只需一顆芯片就能設(shè)計(jì)整合所有這些外設(shè)接口的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。結(jié)合 USB 主機(jī)或從機(jī)功能， STM32 可以從外部存儲器（ U 盤或 MP3 播放器）讀取、解碼和輸出音頻信號。這個(gè)功能使其可用于各種家庭音響設(shè)備，如音響底座系統(tǒng)、鬧鐘 /音樂 播放器和家庭影院。其它目標(biāo)應(yīng)用包括需要聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)記錄或 USB 外設(shè)擴(kuò)展功能的系統(tǒng)，如病患監(jiān)視、銷售終端機(jī)、自動售貨機(jī)和保安系統(tǒng)。意法 半導(dǎo)體還將推出一個(gè)新的評估板，目前正在向大客戶提供 STM32F105 和 STM32F107 互連型系列的樣片 ， STM32的運(yùn)算速度大約是 51單片機(jī)的幾十倍 ， 而且外圍接口功能比 51強(qiáng)大 ， STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的 ARM CortexM3 內(nèi)核。而 51 的自身功能少 ,需要外圍元件多 ,要求對電子熟悉 ， 所以本設(shè)計(jì)選擇 STM32 系列單片機(jī)。 C ~ 85176。 STM32