楊 威，郝潤科，高 峰，王 亮,郭樹皖

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

一種基于MSP430的車輛流量檢測器的設(shè)計(jì)

楊 威，郝潤科，高 峰，王 亮,郭樹皖

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

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)。

車流量；MSP430;紅外傳感器

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?；贛SP430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。根據(jù)車輛遮擋紅外線的時(shí)間，傳感器會輸出一個(gè)低脈沖信號給處理器。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，處理器接收到高電平信號時(shí)，不做處理，直到有車輛到來，出現(xiàn)低脈沖信號，微處理器MSP430單片機(jī)接收到信號，對信號進(jìn)行處理。若反射信號較短(大約在0.1 ms～3 ms之間)，這時(shí)反射信號的障礙物可能不是車輛，為行人或其他物體。當(dāng)反射信號大約在3 ms以上時(shí)為車輛。根據(jù)障礙物遮擋信號的時(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。

圖1 車輛流量檢測器的整體結(jié)構(gòu)框圖

圖3 紅外傳感器的接收和發(fā)射電路原理圖

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。

圖2 MSP430單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

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，因此對此信號不作處理。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 和自動應(yīng)答及自動重發(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)同型號的紅外傳感器集中采集信號，然后將采集信號脈沖輸送給微處理器MSP430處理。MSP430接收到的信號有脈沖信號和電平信號。MSP430單片機(jī)在處理信號數(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]。

圖4 無線收發(fā)器電路原理圖

圖5 車輛流量檢測系統(tǒng)軟件總體流程圖

3.1 檢測模塊程序設(shè)計(jì)

圖6 紅外傳感器的檢測流程圖

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。

圖7 無線收發(fā)模塊流程圖

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較高，只要有物體經(jīng)過時(shí)傳感器就會檢測到。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，這時(shí)檢測到的紅外光信號與上次檢測的信號作比較。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)。

[1] 陶漢卿.基于MSP430的感應(yīng)線圈車輛檢測器的設(shè)計(jì)[J].西部交通科技，2015(10):81-86.

[2] 胡凱峰，吳曉紅，楊毅，等.基于TMS320DM648的多車道車流量檢測系統(tǒng)[J].電視技術(shù)，2014,38(9):239-242.

[3] 張飛，王庫，史小磊.基于機(jī)器視覺的公路車流量檢測系統(tǒng)研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,24(2):138-140.

[4] 陸海全,李志軍，閆非凡，等.基于單片機(jī)的智能交通燈控制系統(tǒng)[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2016(3):51-53.

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The design of vehicle flow detector based on MSP430

Yang Wei, Hao Runke, Gao Feng, Wang Liang, Guo Shuwan

(School of Option-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The flow detector of vehicles is an important part of the traffic management system. The paper describes a flow detector meter of vehicle design. The MSP430 processor is used as a key core of the control module .And the infrared sensor is used as the vehicle flow detection component. There is a full description of system design program, which concludes the basic principles of the vehicle flow detector meter, the system’s hardware circuit structure and flow chart of software. The experimental result shows the system has higher accuracy, fast processing speed and other advantages.

vehicle flow; MSP430; infrared sensors

TM931

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.03.028

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.

2016-07-12)

楊威(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子應(yīng)用、電機(jī)控制及交通檢測控制等。

郝潤科(1963-)，通信作者，男，副教授，主要研究方向：電工電子、電力電子及電氣傳動、特種電機(jī)及控制等。E-mail:h-rk@163.com。