基于磁感线圈的车流量检测的研究

摘要：为了解决车辆计数问题，将环形线圈作为传感器，铺设在公路行车道上。当车辆通过线圈上面时，由于电感L发生变化，引起振荡电路的频率发生变化；通过锁相环芯片检测频率的变化，使模拟信号转化成数字信号，将锁相环产生的输出信号传入单片机；当单片机检测到锁相环的输出电平由高变到低时，便计数一次，从而完成对车流量的检测。在检测模型的测试中，该系统表现出较快的检测速率和较低的误检率，具有一定的抗干扰能力。
关键词：车流量检测；环形线圈；振荡电路；锁相环

交通控制一直是社会的一个大问题，随着社会节奏的加快，效率逐渐成为人们的重点考虑的问题，有效地疏导和提高十字路口的通行效率显得越来越重要。在普通的交通灯设计系统中，显示时间是固定的，这样就无法有效地利用道路交通资源。为了解决这个问题，引入了车流量检测，通过检测车流量的大小，来自动调节红绿灯的显示时间。为此本文通过在地面铺设环形线圈传感器，测量车辆通过情况，然后传输到控制系。文中主要介绍车流量测器的具体设计。

1 环形线圈传感器电路
将环形线圈埋入地面下，当有车辆经过时，车的铁外壳使得磁感线圈电感发生变化，将此环形电感接入振荡电路，使电感量的变化转换成谐振频率的变化，通过检测频率的变化来实现对车辆的检测。
1．1 振荡器的原理
振荡电路由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成，其中反馈振荡器由主网络和反馈网络组成，如图1所示。其中Ui，Uo，Uf分别为输入电压，主网络输出电压，反馈电压。设A=Uo／Ui，F=Uf／Uo。其中A为主网络增益，F为反馈系数。振幅起振条件为AF>1，相位起振条件为φT(ω0)=2nπ，只有同时满足振幅起振条件和相位起振条件才能起振。另外，还必须满足振荡的稳定条件，才能是电路稳定振荡，即选频网络的相频特性为负斜率。

1．2 电容三点式电路
基于电容三点式电路的振幅起振条件容易满足，且并联LC回路的阻抗特性也为负斜率，该电路的反馈电压中高次谐波分量小，输出波形较好等原因，这里将使用电容三点式振荡电路，电容三点式电路图如图2所示。其中C1，C2为回路电容，L为回路电感，C3，C1分别为高频旁路电容和耦合电容，且有C3，C4比回路电容C1，C2大一个以上数量级。电路中的三极管实现信号放大，以便为后边的检测提供方便。先选定检测频率为440 kHz，又由于电容容量一般都是固定的，不容易改变，而电感可以很容易通过改变线圈的圈数和形状来改变。取电容C1，C2等于1 nF，由此求出的电感为130μH，即130μH的电感是有车经过时的电感。经过模型测试，有车经过时电感的变化量大概为20μH，所以选定无车经过时电感为110μH。图2中电感量为无车辆经过时的电感。

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2 锁相环检测频率变化
NE567是音频解码集成电路，其基本组成为锁相环、直角相位检波器、放大器和一个输出晶体管。NE567的基本状况犹如一个低压电源开关，当其接收到一个位于所选定的窄频带内的信号时，开关就接通。此芯片所能检测到的中心频率范围为0～500 kHz，检测带宽可以设定为中心频率14％内的任何值，另外输出开关延迟也可以根据外电阻和电容改变。内部结构如图3所示。

2．1 检测原理
将振荡电路的输出信号接NE567芯片的输入引脚，设定芯片外部器件参数，使得当无车经过时输入频率不在环路锁定范围内，而有车经过时，环路立即锁定，使得输出引脚8由高电平转换成低电平，从而只需检测一段时间内8引脚低电平的次数即可得到车流量。
2．2 中心频率的确定
在系统中，中心频率即是有车辆经过时的谐振频率。芯片外部的R1，C1用来设定中心频率的大小，可以用公式f0=1．1／(R1C1)设定。其中f0单位为kHz，R1单位为kΩ，C1单位为μF。R1范围为2～20 kΩ，可以先设定R1的大小，再根据频率跟电阻求出电容大小。
2．3 带宽的确定
NE567能根据外部参数设定检测范围，也即检测带宽。带宽由公式确定。其中BW单位为中心频率的百分数，Vi单位为V且需满足Vi≤200 mV，f0单位为kHz，C2单位为μF。开始时可以将C2选择成2C1，随后根据需要调整C2的大小。
除了对上述中心频率和带宽的确定外，还需调整C3的大小，以避免重复检测。
2．4 参数的设置
由频率设定公式，已知f0=440 kHz，得R1C1=2．5，可以设定R1=2．5 kΩ，C1=1 nF。再根据带宽公式设置C2=50 nF，电容C3则需具体情况来调整，对于8引脚上负载RL的确定，由于RL上最大课吸收电流为100 mA，当电源为5 V时，负载RL最小为5 kΩ，因此设定RL=10 kΩ。除此之外，NE567芯片3引脚接输入信号，7引脚接地，4引脚接电源。当NE567的3引脚接受到一个带宽内信号时，芯片内部三极管导通，电源通过RL后接地，8引脚有高电平变成地电平，因此只需检测在一段时间内8引脚低电平的次数即可检测车流量。

3 仿真实验
图4和图5分别为无车经过和有车经过时的正弦振荡信号。由图4可知无车经过时振荡频率为485 kHz，图5中显示有车经过时振荡频率为444 kHz，分别与理论值的480 kHz和441 kHz相比相差很小，且频率改变量为41 kHz，小于中心频率的14％，满足NE567芯片的使用要求，证明了此系统的正确性。

4 结语
本文针对午流量检测部分做了较为系统的分析，此检测系统已通过仿真实验得到验证，并在检测模型中已经通过。其中的参数足根据设定模型而设计，在工程设计中，具体参数还需根据情况而定。