CN103308710A - 一种基于压电式传感器的机动车速度检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于压电式传感器的机动车速度检测装置及方法，该装置包括第一压电式传感器、第二压电式传感器、I/O输入缓冲器、主控制器、定时脉冲发生器、显示数据锁存器、显示位选通锁存器、集成数码显示器、LED灯驱动器、LED指示灯；第一压电式传感器和第二压电式传感器埋设于固定间距的机动车行驶道路中。本发明为智能交通和违章抓拍取证系统，提供一种既经济又准确的机动车速度检测新方法。基于单片机控制，结合压电式传感器对机动车速度进行检测。利用压电式传感器技术和廉价的单片机结合，可以像环形线圈一样即经济又实用，又克服环形线圈对机动车速度检测精度低、误差大的缺点。能够像雷达一样得到高精度检测的速度值，而又比雷达产品的价格经济、实惠。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种基于压电式传感器的机动车速度检测装置及方法。
背景技术
随着机动车的不断增多和交通流量的快速增加，机动车速度检测技术在智能交通和机动车违法抓拍系统中，是非常重要的一个部分。机动车速度检测装置的传感器，根据采用不同技术主要分为：环形线圈检测、视频检测、微波雷达、激光雷达等常规几种检测方式和方法。
环形线圈检测方式是一种比较成熟的机动车检测技术，其主要是一种针对机动车的存在或是通过的检测方式。但由于其自身的缺陷，该方法检测速度时则无法得到准确、高精度的速度值。
环形线圈速度的检测通常是靠两个环形线圈完成，测得机动车经过第一环形线圈和第二环形线圈的时间，然后利用第一环形线圈和第二环形线圈之间的距离，根据V=S/T来获得机动车的速度。由于机动车行驶轨迹的不确定性，如：非直线行驶、非匀速行驶、周围磁场作用、环形线圈形状、大小等因素，往往使得前后两个环形线圈对同一辆车的检测不够一致，从而导致获得的机动车行驶速度与实际速度偏差过大，容易出现漏车、冒高速、冒低速、测速精度低等缺陷。由此也产生了误抓、误判和法律纠纷等现象。
视频检测方式是一种利用图像处理技术实现机动车视频测速的方法。通过视频图像的采集实现了对行驶中的机动车的速度检测,经过对采集数据后期处理：背景估计、运动检测、目标分割、目标位置确定、目标跟踪等方法，利用相应的计算方法和计算公式，计算出机动车的速度。目前视频检测机动车速度的精度还很差，主要是由于视频检测受外界复杂景物、环境光线变化、安装位置等因素。同时，需要大量地采集视频图像和相关的数学计算，占用了许多时间。因此避免不了地产生了速度误差。其检测的速度值只能作为数据参考，不能作为高质量的计量工具使用。
目前在所有对机动车速度方面的检测设备中，微波雷达、激光雷达的测速精度是最好的产品。
微波雷达测速主要是利用多普勒效应（Doppler Effect）原理：当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射机频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射机频率，即可借助频率的数值改变，计算出目标与雷达的相对速度。
激光雷达测速是激光技术与雷达技术相结合的产物 。包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。由于光速是固定，激光脉冲传送到目标再折返的时间会与距离成正比。以固定间隔发射两个脉冲，即可测得两个距离；将此二距离之差除以发射时间间隔即可得到目标的速度。理论上，发射两次脉冲即可量测速度；实际上，为避免误测，激光雷达测速器（枪）在瞬间发射高达七组的脉冲波求其平均值计算目标速度。
微波雷达、激光雷达测速现已经被广泛用于警察超速测试等行业中。但是由于相对价格较贵和安装的问题，大部分是用在移动抓拍设备中。同时雷达的测速是对一个断面的目标检测，不能分辨一个断面的单一车道，所以其实用性受到了很大地限制。
压电式传感器是近几年新研发出的一种基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成，当压电材料受力后在其表面产生电荷，此电荷经电荷放大器、检测电路放大和变换阻抗后，就成为正比于所受外力的电量输出。
压电式传感器用于检测力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。它广泛应用于工程力学、生物医学、电声学等技术领域。
现有压电式传感器的应用，在我国正处于刚刚起步阶段，基本是以道路动态称重为主，作为超载违章的处罚依据，而作为纯机动车速度检测还很少。
压电式传感器与环形线圈、雷达检测方式的比较如下：
压电式传感器与环形线圈安装方法基本一样，需要埋设在机动车行驶的道路中。但是与环形线圈的使用方式上还是有很大的差别。
差别一：安装方法
环形线圈为矩形、菱形、正八字等形状方式安装，而压电式传感器是窄条形状方式安装，两者安装方式的对比如图7所示。所以后者在速度检测精度上误差极小。
差别二：检测方式
环形线圈检测方式：当有机动车经过环形线圈时，改变了原来正常的环形线圈周围磁场，使环形线圈振荡电路的频率发生变化。利用这一变化率达到对机动车检测的目地。需要A/D采样和滤波计算。周期长、误差大。
压电式传感器检测方式：当有机动车分别经过压电式传感器时，压电式传感器在受到外压力触发后立即就产生电脉冲，经过放大、整形电路处理后作为计算机能够识别的I/O信号。因此，压电式传感器在响应速度上要比环形线圈快。
压电式传感器与雷达相比其检测精度基本一致，但是压电式传感器成本和造价比雷达相比确占优。压电式传感器可以对单一车道的机动车进行速度检测。可以准确对机动车抓拍定位。但是雷达确达不到这一要求。
因此，在上述的机动车速度检测中，压电式传感器即有雷达的高精度，而又有相对于环形线圈的经济实用性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于压电式传感器的机动车速度检测装置及方法。
本发明的技术方案是：
一种基于压电式传感器的机动车速度检测装置，包括第一压电式传感器、第二压电式传感器、I/O输入缓冲器、主控制器、定时脉冲发生器、显示数据锁存器、显示位选通锁存器、集成数码显示器、LED灯驱动器和LED指示灯；
第一压电式传感器和第二压电式传感器埋设于固定间距的机动车行驶道路中，第一压电式传感器的输出端和第二压电式传感器的输出端均经过I/O接口连接至I/O输入缓冲器的输入端，I/O输入缓冲器的输出端连接主控制器的输入端，定时脉冲发生器的输出端连接主控制器的另一输入端，主控制器的三个不同输出端分别连接显示数据锁存器的输入端、显示位选通锁存器的输入端和LED灯驱动器的输入端，显示数据锁存器的输出端和显示位选通锁存器的输出端均连接集成数码显示器，LED灯驱动器的输出端连接LED指示灯。
所述主控制器的输出端连接有通讯控制器，该通讯控制器通过通讯接口与远端系统进行数据通讯。
将所述的基于压电式传感器速度检测装置按3U工业标准结构尺寸制成板卡，可以插入3U标准工业机箱内。
所述定时脉冲发生器是用于向主控制器提供标准时钟信号的装置。
所述主控制器是用于根据第一压电式传感器输出的电脉冲信号和第二压电式传感器输出的电脉冲信号完成对机动车速度检测，并将测试结果实时输出显示的装置。
所述显示数据锁存器是用于对主控制器输出的速度数据进行锁存的装置。
所述显示位选通锁存器是用于对主控制器输出的速度数据对应的位地址进行锁存的装置。
所述第一压电式传感器和第二压电式传感器外可以以相同的固定间距设置第三压电式传感器。
采用所述的基于压电式传感器的机动车速度检测装置进行机动车速度检测的方法，包括如下步骤：
步骤1：当机动车依次通过埋设有第一压电式传感器和第二压电式传感器道路时，第一压电式传感器和第二压电式传感器将分别输出电脉冲信号至主控制器；
步骤2：主控制器通过LED灯驱动器控制第一压电式传感器和第二压电式传感器对应的LED灯状态显示；
步骤3：电脉冲信号通过I/O接口传至I/O输入缓冲器进行整形，整形后的电脉冲信号再经由I/O端口输入至主控制器；
步骤4：主控制器根据定时脉冲发生器提供的标准时钟脉冲信号，对整形后的压电式传感器输入电脉冲信号进行计数计时，将该计数计时再转换为机动车通过第一压电式传感器和第二压电式传感器所用的时间；
步骤5：根据机动车通过第一压电式传感器和第二压电式传感器所用的时间和第一压电式传感器和第二压电式传感器间的固定间距，计算出机动车通过该固定间距的速度值，并将机动车车速单位转换为公里/小时；
步骤6：将测量的机动车速度数据传至显示数据锁存器进行锁存输出，同时将该速度数据位对应的地址传至显示位选通锁存器进行锁存输出；
步骤7：将速度数据对应的数据位在集成数码显示器上进行显示；
步骤8：主控制器可以将速度数据传输至通讯控制器，再经通讯接口传至远端系统，进行数据通讯。
步骤2所述的主控制器通过LED灯驱动器控制第一压电式传感器和第二压电式传感器对应的LED灯显示状态。具体是：当机动车经过第一压电式传感器时，与该传感器对应的LED显示灯点亮，当机动车驶离第一压电式传感器时，与该传感器对应的LED显示灯熄灭，当机动车经过第二压电式传感器时，与该传感器对应的LED显示灯点亮，当机动车驶离第二压电式传感器时，与该传感器对应的LED显示灯熄灭。
有益效果：
本发明中所采用的压电式传感器，在受到外力的作用下，将产生一个电脉冲信号，经过整形处理，形成一个方波脉冲。正是利用压电式传感器的这一特性，将两个传感器埋设在间距为一定距离的地面道路上，当机动车通过时将产生电脉冲信号，利用这两个传感器的电脉冲信号进行计时，经计算得出检测的速度值。
本发明装置是为智能交通和违章抓拍取证系统，提供一种既经济又准确的机动车速度检测新方法。本装置基于单片机控制，结合压电式传感器对机动车速度进行检测。利用压电式传感器技术和廉价的单片机结合，可以像环形线圈一样即经济又实用，而又可以克服环形线圈对机动车速度检测精度不高、误差大的缺点。能够像雷达一样得到高精度检测的速度值，而又比雷达产品的价格经济、实惠。
本装置结构简单，按3U工业标准结构尺寸制成板卡，可以方便地插入3U标准工业机箱内，替代原环形线圈检测板。本装置测速精度高、抗干扰性极强。与现有的环形线圈检测方式的违章抓拍系统比较，基本消除了原系统机动车测速不准的现象。极大地提高了机动车速度检测准确率。杜绝了原环形线圈检测系统对机动车测速误差大、误判、误抓的现象再次发生，减少了法律纠纷。本检测方法简单、实用、经济，优于现有常规的检测方法。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的基于压电式传感器的机动车速度检测装置结构框图；
图2是本发明具体实施方式的基于压电式传感器的机动车速度检测装置电路图；
图3是本发明具体实施方式的第一压电式传感器和第二压电式传感器位置布置示意图；
图4是本发明具体实施方式的第一压电式传感器和第二压电式传感器测速时序图；
图5是本发明具体实施方式的基于压电式传感器的机动车速度检测方法流程图；
图6是本发明具体实施方式的第一压电式传感器、第二压电式传感器和第三压电式传感器的位置布置示意图；
图7是本发明具体实施方式的压电式传感器安装位置与传统的环形线圈安装位置对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
如图1所示，本实施方式是基于压电式传感器的机动车速度检测装置，包括第一压电式传感器、第二压电式传感器、I/O输入缓冲器、主控制器、定时脉冲发生器、显示数据锁存器、显示位选通锁存器、集成数码显示器、LED灯驱动器和LED指示灯。
第一压电式传感器、第二压电式传感器均采用型号为9195F511的瑞士Kistler的压电式传感器；如图2所示，I/O输入缓冲器采用型号为SN74HC14的六路施密特触发反向器；主控制器选用美国ATMEL公司的型号为AT89C51的单片机；定时脉冲发生器选用美国ATMEL公司的型号为AT89C2051的单片机；显示数据锁存器选用型号为SN74HC273的具有清零功能的八路 D 类触发器；显示位选通锁存器选用型号为SN74HC373的具有三态输出的八路透明D类锁存器；集成数码显示器选用的型号为SR420401K（或XSM-S5641BB）；LED灯驱动器选用型号为SN74HC14的六路施密特触发反向器；LED指示灯选用直径 
3红色发光管。
如图3所示，第一压电式传感器和第二压电式传感器埋设于固定间距S的车辆行驶道路中，固定间距设定为S=2米（依情况也可设定其它间距如1米或3米），第一压电式传感器的输出端和第二压电式传感器的输出端均以压电式传感器信号馈线经过I/O接口连接至I/O输入缓冲器的输入端，I/O输入缓冲器的输出端连接主控制器的输入端，定时脉冲发生器的输出端连接主控制器的另一输入端，主控制器的三个不同输出端分别连接显示数据锁存器的输入端、显示位选通锁存器的输入端和LED灯驱动器的输入端，显示数据锁存器的输出端和显示位选通锁存器的输出端均连接集成数码显示器，LED灯驱动器的输出端连接LED指示灯。
主控制器的另一输出端连接有通讯控制器，该通讯控制器通过通讯接口与远端系统进行数据通讯。
将所述的基于压电式传感器速度检测装置按3U工业标准结构尺寸制成板卡，可以方便地插入3U标准工业机箱内。
定时脉冲发生器是用于向主控制器提供标准时钟信号的装置。
主控制器是用于根据第一压电式传感器输出的电脉冲信号和第二压电式传感器输出的电脉冲信号完成对机动车速度检测，并将测试结果实时输出显示的装置。
显示数据锁存器是用于对主控制器输出的速度数据进行锁存的装置。
显示位选通锁存器是用于对主控制器输出的速度数据对应的位地址进行锁存的装置。
第一压电式传感器和第二压电式传感器外可以以相同的固定间距设置第三压电式传感器。
采用所述的基于压电式传感器的机动车速度检测装置进行机动车速度检测的方法，流程如图5所示，包括如下步骤：
步骤1：被检测机动车先后通过埋设有第一压电式传感器（压电式传感器L1）和第二压电式传感器（压电式传感器L2）的道路上，第一压电式传感器和第二压电式传感器分别输出电脉冲信号至主控制器；
步骤2：主控制器通过LED灯驱动器控制第一压电式传感器和第二压电式传感器对应的LED灯状态显示；
具体是：当机动车经过第一压电式传感器时，与该传感器对应的LED显示灯点亮，当机动车驶离第一压电式传感器时，与该传感器对应的LED显示灯熄灭，当机动车经过第二压电式传感器时，与该传感器对应的LED显示灯点亮，当机动车驶离第二压电式传感器时，与该传感器对应的LED显示灯熄灭；
步骤3：电脉冲信号通过I/O接口传至I/O输入缓冲器进行整形，整形后的电脉冲信号再经由I/O端口输入至主控制器；
当行驶中的机动车依次通过第一压电式传感器和第二压电式传感器时，两条压电式传感器将分别产生电脉冲信号，并通过压电式传感器信号馈线把电脉冲信号经由I/O接口传递给I/O输入缓冲器进行整形，再传输到主控制器I/O端口。
步骤4：主控制器根据定时脉冲发生器提供的标准时钟脉冲信号，对整形后的压电式传感器输入电脉冲信号进行计数计时，将该计数计时再转换为机动车通过第一压电式传感器和第二压电式传感器所用的时间T；
步骤5：根据机动车通过第一压电式传感器和第二压电式传感器所用的时间和第一压电式传感器和第二压电式传感器间的固定间距S，计算出机动车通过该固定间距的速度值V=S/T，并将机动车车速单位转换为公里/小时；
第一压电式传感器和第二压电式传感器测速时序图如图4所示，其中，t1为机动车经过第一压电式传感器的时间，t2为机动车经过第二压电式传感器的时间，T=t2-t1。
步骤6：将测量的机动车速度数据传至显示数据锁存器进行锁存输出，同时将该速度数据位对应的地址传至显示位选通锁存器进行锁存输出；
步骤7：将速度数据对应的数据位在集成数码显示器上进行显示；
步骤8：主控制器可以将速度数据传输至通讯控制器，再经通讯接口传至远端系统，进行数据通讯。
为了使被检车辆的速度更加准确无误，本发明的另一实施方式是，将基于两条压电式传感器的机动车速度检测装置，再增加一条压电式传感器扩展为三条压电式传感器速度检测。把三条压电式传感器中的每两条压电式传感器组合，分别可以计算出三个机动车速度值，每种组合的方式是L1与L2、L1与L3、L2与L3组合，如图6所示。本实施方式中可以得到三个速度值V1（L1和L2组合方式）、V2（L1和L3组合方式）和V3 （L2和L3组合方式），利用加权平均法得到平均速度。平均值的公式为：=（V1+V2+V3）/3，其中V1、V2、V3为获得的三个速度值，
为最终获得的机动车平均速度。速度值V1、V2和V3之间的相对误差范围小于3%时速度值为有效值。
Claims (10)
1.一种基于压电式传感器的机动车速度检测装置，其特征在于：包括第一压电式传感器、第二压电式传感器、I/O输入缓冲器、主控制器、定时脉冲发生器、显示数据锁存器、显示位选通锁存器、集成数码显示器、LED灯驱动器、LED指示灯；
第一压电式传感器和第二压电式传感器埋设于固定间距的机动车行驶道路中，第一压电式传感器的输出端和第二压电式传感器的输出端均经过I/O接口连接至I/O输入缓冲器的输入端，I/O输入缓冲器的输出端连接主控制器的输入端，定时脉冲发生器的输出端连接主控制器的另一输入端，主控制器的三个不同输出端分别连接显示数据锁存器的输入端、显示位选通锁存器的输入端和LED灯驱动器的输入端，显示数据锁存器的输出端和显示位选通锁存器的输出端均连接集成数码显示器，LED灯驱动器的输出端连接LED指示灯。
2.根据权利要求1所述的基于压电式传感器的机动车速度检测装置，其特征在于：所述主控制器的输出端连接有通讯控制器，该通讯控制器通过通讯接口与远端系统进行数据通讯。
3.根据权利要求1所述的基于压电式传感器的机动车速度检测装置，其特征在于：将所述的基于压电式传感器速度检测装置按3U工业标准结构尺寸制成板卡，可以插入3U标准工业机箱内。
4.根据权利要求1所述的基于压电式传感器的机动车速度检测装置，其特征在于：所述定时脉冲发生器是用于向主控制器提供标准时钟信号的装置。
5.根据权利要求1所述的基于压电式传感器的机动车速度检测装置，其特征在于：所述主控制器是用于根据第一压电式传感器输出的电脉冲信号和第二压电式传感器输出的电脉冲信号完成对机动车速度检测，并将测试结果实时输出显示的装置。
6.根据权利要求1所述的基于压电式传感器的机动车速度检测装置，其特征在于：所述显示数据锁存器是用于对主控制器输出的速度数据进行锁存的装置。
7.根据权利要求1所述的基于压电式传感器的机动车速度检测装置，其特征在于：所述显示位选通锁存器是用于对主控制器输出的速度数据对应的位地址进行锁存的装置。
8.根据权利要求1所述的基于压电式传感器的机动车速度检测装置，其特征在于：所述第一压电式传感器和第二压电式传感器外可以以相同的固定间距设置第三压电式传感器。
9.采用权利要求1所述的基于压电式传感器的机动车速度检测装置进行机动车速度检测的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：当机动车依次通过埋设有第一压电式传感器和第二压电式传感器道路时，第一压电式传感器和第二压电式传感器将分别输出电脉冲信号至主控制器；
步骤2：主控制器通过LED灯驱动器控制第一压电式传感器和第二压电式传感器对应的LED灯状态显示；
步骤3：电脉冲信号通过I/O接口传至I/O输入缓冲器进行整形，整形后的电脉冲信号再经由I/O端口输入至主控制器；
步骤4：主控制器根据定时脉冲发生器提供的标准时钟脉冲信号，对整形后的压电式传感器输入电脉冲信号进行计数计时，将该计数计时再转换为机动车通过第一压电式传感器和第二压电式传感器所用的时间；
步骤5：根据机动车通过第一压电式传感器和第二压电式传感器所用的时间和第一压电式传感器和第二压电式传感器间的固定间距，计算出机动车通过该固定间距的速度值，并将机动车车速单位转换为公里/小时；
步骤6：将测量的机动车速度数据传至显示数据锁存器进行锁存输出，同时将该速度数据位对应的地址传至显示位选通锁存器进行锁存输出；
步骤7：将速度数据对应的数据位在集成数码显示器上进行显示；
步骤8：主控制器可以将速度数据传输至通讯控制器，再经通讯接口传至远端系统，进行数据通讯。
10.根据权利要求9所述的机动车速度检测方法，其特征在于：步骤2所述的主控制器通过LED灯驱动器控制第一压电式传感器和第二压电式传感器对应的LED灯显示状态，具体是：当机动车经过第一压电式传感器时，与该传感器对应的LED显示灯点亮，当机动车驶离第一压电式传感器时，与该传感器对应的LED显示灯熄灭，当机动车经过第二压电式传感器时，与该传感器对应的LED显示灯点亮，当机动车驶离第二压电式传感器时，与该传感器对应的LED显示灯熄灭。
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| PB01 | Publication | ||
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