楊威，郝潤科，高峰，王亮,郭樹皖

　?。ㄉ虾＠砉ご髮W(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

       摘要： 汽車流量檢測計(jì)是交通管理系統(tǒng)的重要組成部分, 文章采用紅外傳感器作為車輛流量檢測元件，以MSP430處理器作為控制核心模塊，設(shè)計(jì)了一種車輛流量檢測系統(tǒng)。文中給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了車輛流量檢測系統(tǒng)的基本原理、系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)與軟件流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有精度高、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：車流量；MSP430;紅外傳感器

　　中圖分類號(hào)：TM931文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.03.028

　　引用格式：楊威，郝潤科，高峰，等.一種基于MSP430的車輛流量檢測器的設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（3）：96-98，102.

0引言

　　智能交通管理系統(tǒng)要求全面、準(zhǔn)確地采集交通信息，形成實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確高效的交通數(shù)據(jù)，從而為更好地營運(yùn)與管理交通，推動(dòng)城市進(jìn)步提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。車輛流量是智能交通中最重要且基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)之一。本文介紹了一種基于MSP430F6638(以下簡稱MSP430)的紅外傳感器的車流量檢測器的設(shè)計(jì)，以MSP430處理器作為控制核心模塊，在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測車輛流量、車輛速度等信息的同時(shí)，采用SD卡作為存儲(chǔ)信息的介質(zhì)，利用2.4G無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將車輛流量、車速等信息發(fā)送給指定的服務(wù)器，大大提高了交通信息化的實(shí)時(shí)性和效率。基于MSP430的紅外車輛流量檢測器具有比超聲波檢測器、視頻檢測器更加靈敏、比環(huán)流線圈檢測器成本低、易于安裝架設(shè)的優(yōu)點(diǎn)［1］。

1車輛流量檢測器的工作原理

　　在要檢測的路段，等距離安裝n個(gè)紅外傳感器；首先調(diào)制脈沖發(fā)生器進(jìn)行調(diào)制脈沖的輸出，然后紅外傳感器的發(fā)射管發(fā)射紅外線，紅外接收管接收紅外線，當(dāng)紅外傳感器的輻射區(qū)域有車輛經(jīng)過時(shí)，車體會(huì)遮擋紅外傳感器發(fā)射出來的紅外線，紅外接收管接收不到信號(hào)。根據(jù)車輛遮擋紅外線的時(shí)間，傳感器會(huì)輸出一個(gè)低脈沖信號(hào)給處理器。當(dāng)紅外傳感器的輻射區(qū)域沒有車輛經(jīng)過時(shí)，沒有車輛遮擋紅外線，這時(shí)紅外接收管始終接收一個(gè)高電平信號(hào)，處理器接收到高電平信號(hào)時(shí)，不做處理，直到有車輛到來，出現(xiàn)低脈沖信號(hào)，微處理器MSP430單片機(jī)接收到信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。若反射信號(hào)較短（大約在0.1 ms~3 ms之間），這時(shí)反射信號(hào)的障礙物可能不是車輛，為行人或其他物體。當(dāng)反射信號(hào)大約在3 ms以上時(shí)為車輛。根據(jù)障礙物遮擋信號(hào)的時(shí)間可以判斷車的速度。同時(shí)MSP430將檢測處理的結(jié)果通過LCD1602顯示出來。在LCD1602液晶會(huì)顯示通過車輛的車速和在這條道路上通過的車輛的統(tǒng)計(jì)數(shù)。并且同時(shí)把這些數(shù)據(jù)保存在SD卡內(nèi)，也可通過無線傳輸模塊傳送到上位機(jī)，以便查詢和防止數(shù)據(jù)的丟失。車輛流量檢測器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2車輛流量檢測器硬件電路設(shè)計(jì)

　　車流量檢測器的硬件電路主要包括處理器、紅外傳感器、無線模塊和其他部分(電源和最小系統(tǒng)部分)。處理器主要功能是處理經(jīng)過紅外傳感器檢測到的車流信息，并把處理結(jié)果通過LCD1602顯示出來，同時(shí)還要將檢測處理的結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊主要負(fù)責(zé)檢測器與上位機(jī)之間的信息傳遞。這些模塊的組合實(shí)現(xiàn)車輛流量的檢測、信息處理、保存等功能。下面分別介紹各個(gè)模塊的選取及每個(gè)模塊的功能［2］。

　　2.1處理器MSP430的選擇

　　車輛檢測器通常安裝在各個(gè)必要的路口，要求芯片具有處理速度快而且功耗比較低等優(yōu)點(diǎn)。本文在設(shè)計(jì)車輛流量檢測器時(shí)選擇了具有超低功耗的16 bit混合信號(hào)處理器芯片MSP430系列的單片機(jī)芯片。MSP430單片機(jī)是一個(gè)16 bit、具有精簡指令集、超低功耗的混合信號(hào)處理器。MSP430單片機(jī)的超低功耗與強(qiáng)大的模擬和數(shù)字接口能從周圍環(huán)境中采集被浪費(fèi)掉的能量，從而可實(shí)現(xiàn)無須更換電池的自動(dòng)供電系統(tǒng)。MSP430單片機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其特點(diǎn)有：(1)超低功耗；(2)強(qiáng)大的處理能力；(3)高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外設(shè)；(4)系統(tǒng)工作穩(wěn)定；(5)高效靈活的開發(fā)環(huán)境。

　　2.2紅外傳感器電路

　　本文設(shè)計(jì)的車流量檢測器是利用紅外傳感器來測量車流量。由于紅外傳感器是利用紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測量的感應(yīng)器件，其測量時(shí)不需要與被測物體直接接觸，因而不存在與被測物摩擦，并且具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。紅外傳感器的接收和發(fā)射電路如圖3所示。D1為紅外線發(fā)射管，D2為紅外線接收管。發(fā)射電路由紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線。當(dāng)沒有物體遮擋紅外線時(shí)，D2接收D1發(fā)出的紅外線的時(shí)間為一個(gè)定值。當(dāng)存在物體遮擋紅外線時(shí)，D2接收D1發(fā)出的紅外線的時(shí)間就會(huì)存在變化。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，在檢測路段等距離地放置n個(gè)紅外傳感器的發(fā)射端和接收端。當(dāng)沒有物體遮擋時(shí)，接收紅外的時(shí)間為一個(gè)定值，單片機(jī)檢測的時(shí)間為定值，因此對(duì)此信號(hào)不作處理。當(dāng)存在物體遮擋時(shí)，接收端接收到紅外線的時(shí)間就會(huì)存在變化，單片機(jī)根據(jù)這個(gè)變化，計(jì)算出該路段內(nèi)的車速和經(jīng)過的車輛數(shù)［3］。

　　2.3無線收發(fā)器電路

　　無線收發(fā)器模塊主要是將檢測的車輛流量數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，用上位機(jī)保存每次檢測的數(shù)據(jù)。這樣設(shè)計(jì)的車輛流量檢測器有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1) 單片機(jī)處理器每次檢測數(shù)據(jù)之后將檢測的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送，從而提高單片機(jī)的運(yùn)行效率；(2) 防止停電或其他意外事件使數(shù)據(jù)丟失，保證了數(shù)據(jù)的長期有效保存；(3) 有利于實(shí)時(shí)有效地查看，以便于人為地減少交通壓力。

　　無線收發(fā)器模塊電路使用2.4 GHz的nRF24L01無線射頻收發(fā)芯片。該無線發(fā)射器電路包括了功率放大器、輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置、解調(diào)器等芯片器件。該無線收發(fā)器模塊可以通過SPI接口進(jìn)行調(diào)制設(shè)置。無線收發(fā)電路圖如圖4所示。在該電路中，nRF24L01作為無線收發(fā)器電路的主芯片，具有3個(gè)主要特點(diǎn)：(1)nRF24L01具有真正的GFSK單收發(fā)芯片和內(nèi)置鏈路層；(2)具有增強(qiáng)型Shock Burst TM 和自動(dòng)應(yīng)答及自動(dòng)重發(fā)功能；(3)數(shù)據(jù)傳輸率為1 Mb/s或2 Mb/s,SPI接口數(shù)據(jù)速率為0~8 Mb/s。

3車輛流量檢測器的軟件程序的設(shè)計(jì)

　　基于MSP430的紅外傳感器的車輛流量檢測器的整體設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡單，主要是軟件程序的編寫使操作方便，實(shí)用性較強(qiáng)。車輛流量檢測器的整個(gè)系統(tǒng)主要包括紅外傳感器、LCD1602液晶顯示、微處理器MSP430和其他部分（電源模塊和最小系統(tǒng)）。每個(gè)模塊對(duì)整體設(shè)計(jì)都非常重要。本文采用等距離安置n個(gè)同型號(hào)的紅外傳感器集中采集信號(hào)，然后將采集信號(hào)脈沖輸送給微處理器MSP430處理。MSP430接收到的信號(hào)有脈沖信號(hào)和電平信號(hào)。MSP430單片機(jī)在處理信號(hào)數(shù)據(jù)時(shí)主要將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)和通過電平信號(hào)處理計(jì)算出此時(shí)通過車輛的車速，然后將處理結(jié)果通過并行通信的方式在LCD1602圖4無線收發(fā)器電路原理圖液晶顯示。車輛流量檢測器的軟件整體程序流程圖如圖5所示。在微處理器處理信號(hào)之后首先將結(jié)果保存在SD卡中，在必要查詢時(shí)，可以將SD卡中的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)移到上位機(jī)PC中，從而提高處理器MSP430的處理速度［4］。

　　3.1檢測模塊程序設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的車流量檢測器檢測部分采用紅外傳感器。與其他傳感器相比，紅外傳感器的檢測精度較高而且性價(jià)比較好。紅外傳感器的紅外發(fā)射管對(duì)外發(fā)出紅外線，當(dāng)沒有物體遮擋紅外傳感器時(shí)，紅外接收管接收到紅外光，此時(shí)傳感器輸出為高電平；當(dāng)存在物體遮擋時(shí)，紅外接收管接收不到紅外光，此時(shí)傳感器輸出低電平。微處理器MSP430根據(jù)接收到的電平變化，檢測過往的車輛數(shù)和車速［5］。紅外傳感器的檢測流程如圖6所示。

　　3.2無線收發(fā)模塊程序設(shè)計(jì)

　　無線收發(fā)模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的重要信息傳輸部分，主要功能是將單片機(jī)MSP430處理后的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。微處理器MSP430將處理后的信息通過并行通信的方式傳遞到LCD1602液晶顯示器顯示車輛數(shù)和車速，并且通過無線收發(fā)模塊將信息傳遞給上位機(jī)PC。這樣不僅便于保存數(shù)據(jù)而且還便于日后數(shù)據(jù)信息的查詢。無線收發(fā)模塊程序流程圖如圖7所示。

4實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　實(shí)驗(yàn)環(huán)境是根據(jù)道路交通實(shí)際情況在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬的。通過編程軟件完成程序編寫后，將程序下載到試驗(yàn)箱。實(shí)驗(yàn)?zāi)M過程：當(dāng)有障礙物遮擋紅外傳感器時(shí)，傳感器都會(huì)檢測到低電平，然后將檢測的低電平發(fā)送到單片機(jī)的MSP430。信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理之后通過LCD1602顯示。同時(shí)還通過無線傳感器模塊將檢測的結(jié)果傳送到上位機(jī)。在檢測過程中由于紅外傳感器的靈敏度相對(duì)較高，只要有物體經(jīng)過時(shí)傳感器就會(huì)檢測到。所以在檢測時(shí)是否為車輛經(jīng)過成為檢測的關(guān)鍵。因此本文采用延遲雙重檢測比較法來處理。當(dāng)紅外傳感器檢測到過往的障礙物時(shí)，單片機(jī)會(huì)控制紅外傳感器發(fā)射管發(fā)出紅外光的時(shí)間。在第一次檢測到時(shí)，將時(shí)間延遲1 μs之后再發(fā)出紅外光信號(hào)，這時(shí)檢測到的紅外光信號(hào)與上次檢測的信號(hào)作比較。若兩次檢測的結(jié)果誤差在0.5%以內(nèi)，則說明檢測到的為過往車輛，同時(shí)計(jì)算車輛的車速和累加車輛數(shù)。

　　單片機(jī)將處理結(jié)果不僅保存到SD卡中同時(shí)還將數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)，以便交通調(diào)度和保存交通信息，為智能化交通提供有利數(shù)據(jù)。

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