一種基于MSP430的車輛流量檢測器的設計

楊 威，郝潤科，高 峰，王 亮,郭樹皖

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

一種基于MSP430的車輛流量檢測器的設計

楊 威，郝潤科，高 峰，王 亮,郭樹皖

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

汽車流量檢測計是交通管理系統的重要組成部分, 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，設計了一種車輛流量檢測系統。文中給出了系統設計方案，詳細介紹了車輛流量檢測系統的基本原理、系統的硬件電路結構與軟件流程。實驗結果表明，該系統具有精度高、處理速度快等優點。

車流量；MSP430;紅外傳感器

0 引言

智能交通管理系統要求全面、準確地采集交通信息，形成實時、準確高效的交通數據，從而為更好地營運與管理交通，推動城市進步提供重要的數據基礎。車輛流量是智能交通中最重要且基礎的數據之一。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計，以MSP430處理器作為控制核心模塊，在實現實時檢測車輛流量、車輛速度等信息的同時，采用SD卡作為存儲信息的介質，利用2.4G無線數據傳輸模塊將車輛流量、車速等信息發送給指定的服務器，大大提高了交通信息化的實時性和效率。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、比環流線圈檢測器成本低、易于安裝架設的優點[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個紅外傳感器；首先調制脈沖發生器進行調制脈沖的輸出，然后紅外傳感器的發射管發射紅外線，紅外接收管接收紅外線，當紅外傳感器的輻射區域有車輛經過時，車體會遮擋紅外傳感器發射出來的紅外線，紅外接收管接收不到信號。根據車輛遮擋紅外線的時間，傳感器會輸出一個低脈沖信號給處理器。當紅外傳感器的輻射區域沒有車輛經過時，沒有車輛遮擋紅外線，這時紅外接收管始終接收一個高電平信號，處理器接收到高電平信號時，不做處理，直到有車輛到來，出現低脈沖信號，微處理器MSP430單片機接收到信號，對信號進行處理。若反射信號較短(大約在0.1 ms～3 ms之間)，這時反射信號的障礙物可能不是車輛，為行人或其他物體。當反射信號大約在3 ms以上時為車輛。根據障礙物遮擋信號的時間可以判斷車的速度。同時MSP430將檢測處理的結果通過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計數。并且同時把這些數據保存在SD卡內，也可通過無線傳輸模塊傳送到上位機，以便查詢和防止數據的丟失。車輛流量檢測器的整體結構如圖1所示。

圖1 車輛流量檢測器的整體結構框圖

圖3 紅外傳感器的接收和發射電路原理圖

2 車輛流量檢測器硬件電路設計

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(電源和最小系統部分)。處理器主要功能是處理經過紅外傳感器檢測到的車流信息，并把處理結果通過LCD1602顯示出來，同時還要將檢測處理的結果發送給上位機。無線數據傳輸模塊主要負責檢測器與上位機之間的信息傳遞。這些模塊的組合實現車輛流量的檢測、信息處理、保存等功能。下面分別介紹各個模塊的選取及每個模塊的功能[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點。本文在設計車輛流量檢測器時選擇了具有超低功耗的16 bit混合信號處理器芯片MSP430系列的單片機芯片。MSP430單片機是一個16 bit、具有精簡指令集、超低功耗的混合信號處理器。MSP430單片機的超低功耗與強大的模擬和數字接口能從周圍環境中采集被浪費掉的能量，從而可實現無須更換電池的自動供電系統。MSP430單片機的結構如圖2所示。其特點有：(1)超低功耗；(2)強大的處理能力；(3)高性能模擬技術及豐富的片上外設；(4)系統工作穩定；(5)高效靈活的開發環境。

圖2 MSP430單片機結構框圖

2.2 紅外傳感器電路

本文設計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來進行測量的感應器件，其測量時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、響應速度快等優點。紅外傳感器的接收和發射電路如圖3所示。D1為紅外線發射管，D2為紅外線接收管。發射電路由紅外發射管發射紅外線。當沒有物體遮擋紅外線時，D2接收D1發出的紅外線的時間為一個定值。當存在物體遮擋紅外線時，D2接收D1發出的紅外線的時間就會存在變化。根據這個特點，在檢測路段等距離地放置n個紅外傳感器的發射端和接收端。當沒有物體遮擋時，接收紅外的時間為一個定值，單片機檢測的時間為定值，因此對此信號不作處理。當存在物體遮擋時，接收端接收到紅外線的時間就會存在變化，單片機根據這個變化，計算出該路段內的車速和經過的車輛數[3]。

2.3 無線收發器電路

無線收發器模塊主要是將檢測的車輛流量數據傳送給上位機，用上位機保存每次檢測的數據。這樣設計的車輛流量檢測器有以下3個優點：(1) 單片機處理器每次檢測數據之后將檢測的數據實時地傳送，從而提高單片機的運行效率；(2) 防止停電或其他意外事件使數據丟失，保證了數據的長期有效保存；(3) 有利于實時有效地查看，以便于人為地減少交通壓力。

無線收發器模塊電路使用2.4 GHz的nRF24L01無線射頻收發芯片。該無線發射器電路包括了功率放大器、輸出功率頻道選擇和協議的設置、解調器等芯片器件。該無線收發器模塊可以通過SPI接口進行調制設置。無線收發電路圖如圖4所示。在該電路中，nRF24L01作為無線收發器電路的主芯片，具有3個主要特點：(1)nRF24L01具有真正的GFSK單收發芯片和內置鏈路層；(2)具有增強型Shock Burst TM 和自動應答及自動重發功能；(3)數據傳輸率為1 Mb/s或2 Mb/s,SPI接口數據速率為0～8 Mb/s。

3 車輛流量檢測器的軟件程序的設計

基于MSP430的紅外傳感器的車輛流量檢測器的整體設計，硬件設計相對比較簡單，主要是軟件程序的編寫使操作方便，實用性較強。車輛流量檢測器的整個系統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)。每個模塊對整體設計都非常重要。本文采用等距離安置n個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單片機在處理信號數據時主要將采集的數據進行計數和通過電平信號處理計算出此時通過車輛的車速，然后將處理結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果保存在SD卡中，在必要查詢時，可以將SD卡中的數據信息轉移到上位機PC中，從而提高處理器MSP430的處理速度[4]。

圖4 無線收發器電路原理圖

圖5 車輛流量檢測系統軟件總體流程圖

3.1 檢測模塊程序設計

圖6 紅外傳感器的檢測流程圖

本文設計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比較好。紅外傳感器的紅外發射管對外發出紅外線，當沒有物體遮擋紅外傳感器時，紅外接收管接收到紅外光，此時傳感器輸出為高電平；當存在物體遮擋時，紅外接收管接收不到紅外光，此時傳感器輸出低電平。微處理器MSP430根據接收到的電平變化，檢測過往的車輛數和車速[5]。紅外傳感器的檢測流程如圖6所示。3.2 無線收發模塊程序設計

無線收發模塊作為整個系統的重要信息傳輸部分，主要功能是將單片機MSP430處理后的數據傳輸給上位機。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和車速，并且通過無線收發模塊將信息傳遞給上位機PC。這樣不僅便于保存數據而且還便于日后數據信息的查詢。無線收發模塊程序流程圖如圖7所示。

圖7 無線收發模塊流程圖

4 實驗與實驗結果分析

實驗環境是根據道路交通實際情況在實驗室進行模擬的。通過編程軟件完成程序編寫后，將程序下載到試驗箱。實驗模擬過程：當有障礙物遮擋紅外傳感器時，傳感器都會檢測到低電平，然后將檢測的低電平發送到單片機的MSP430。信號經單片機處理之后通過LCD1602顯示。同時還通過無線傳感器模塊將檢測的結果傳送到上位機。在檢測過程中由于紅外傳感器的靈敏度相對較高，只要有物體經過時傳感器就會檢測到。所以在檢測時是否為車輛經過成為檢測的關鍵。因此本文采用延遲雙重檢測比較法來處理。當紅外傳感器檢測到過往的障礙物時，單片機會控制紅外傳感器發射管發出紅外光的時間。在第一次檢測到時，將時間延遲1 μs之后再發出紅外光信號，這時檢測到的紅外光信號與上次檢測的信號作比較。若兩次檢測的結果誤差在0.5%以內，則說明檢測到的為過往車輛，同時計算車輛的車速和累加車輛數。

單片機將處理結果不僅保存到SD卡中同時還將數據傳遞給上位機，以便交通調度和保存交通信息，為智能化交通提供有利數據。

[1] 陶漢卿.基于MSP430的感應線圈車輛檢測器的設計[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[J].電視技術，2014,38(9):239-242.

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

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

[5] 高敬紅，楊宜民．道路交通車輛檢測技術及發展綜述[J].公路交通技術，2012(1):116-119.

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計[J].微型機與應用，2017,36(3)：96-98，102.

2016-07-12)

楊威(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子應用、電機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、特種電機及控制等。E-mail:h-rk@163.com。