基于C8051F310的高靈敏車輛檢測算法

1 引言
    彎路轉(zhuǎn)彎處經(jīng)常出現(xiàn)一段盲區(qū)，司機(jī)看不到彎路對面是否有車輛通過，因而引發(fā)大量的交通事故，因此，消除盲區(qū)造成的交通事故顯得尤為重要。為此，設(shè)計了基于C8051F310的山路轉(zhuǎn)彎預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)當(dāng)檢測到彎路對面有車時可及時通過交通警示燈提前警示司機(jī)注意避讓。因此，準(zhǔn)確判斷是否有車輛經(jīng)過是該系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

2 系統(tǒng)設(shè)計
2．1 系統(tǒng)設(shè)計方案
    該系統(tǒng)設(shè)計的主要目的是警示司機(jī)在行駛時注意安全，預(yù)防事故。在山路轉(zhuǎn)彎處兩邊分別放置該系統(tǒng)，每邊系統(tǒng)控制一警示燈。當(dāng)一方系統(tǒng)檢測到車輛時，通過RF通訊發(fā)送至對方系統(tǒng)，對方系統(tǒng)接收到信號后，控制警示燈閃爍以提示司機(jī)。
    圖1為系統(tǒng)設(shè)計組成框圖。其中，車輛檢測傳感器采用正弦波振蕩電路檢測車輛，在檢測電路中，輸出信號頻率由C8051F310采集得到，然后通過一階濾波算法處理，濾除掉因環(huán)境因素等產(chǎn)生的頻率干擾，并進(jìn)一步計算驗證C8051F310的采集精度。

2．2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計
    圖2為系統(tǒng)主要硬件電路。車輛檢測傳感器的輸入信號為U(t)，該正弦信號通過比較器變?yōu)榉讲ㄐ盘柡?，再輸入到單片機(jī)C8051F310，然后單片機(jī)通過計數(shù)器采集信號頻率。

2．3 一階濾波算法
一階濾波，即一階慣性濾波。一階低通濾波算法公式為：
  
    式中，α為濾波系數(shù)，X(n)為本次采樣值，Y(n-1)為上次濾波輸出值，Y(n)為本次濾波輸出值。
    一階低通濾波法采用本次采樣值與上次濾波輸出值進(jìn)行加權(quán)，得到有效濾波值，使得輸出對輸入有反饋?zhàn)饔?。濾波系數(shù)為0～1；該系數(shù)決定新采樣值在本次濾波結(jié)果中所占的權(quán)重。一階濾波系數(shù)可以是固定的，也可以按一定程序算法自動計算。但一階濾波算法無法完全兼顧靈敏度和平穩(wěn)度。只能尋找一個平衡點(diǎn)，在該系統(tǒng)設(shè)計可接受的靈敏度范圍內(nèi)選取盡可能好的平穩(wěn)度。即當(dāng)數(shù)據(jù)快速變化時，濾波結(jié)果能及時跟進(jìn)(靈敏度優(yōu)先)；而當(dāng)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，在固定點(diǎn)上下振蕩時，濾波結(jié)果趨于平穩(wěn)(平穩(wěn)度優(yōu)先)。
2．4 車輛檢測電路
    圖3為正弦波振蕩電路。該電路用于車輛檢測電路傳感器，能夠感應(yīng)出金屬物體的存在。采用渦流傳感方式，將埋入地下的探測線罔直接接入正弦波振蕩電路。

    在未檢測到車輛等金屬物體時，振蕩電路輸出信號u0(t)的頻率基本變化不大，但該值不是一直保持不變，而會在一定范圍內(nèi)漂移。當(dāng)檢測到車輛等金屬物體時，U0(t)的頻率f0會突變?yōu)閒。頻率差△f=f-f0，其中△f的范圍經(jīng)大量的實(shí)驗得出一般為幾百赫茲到幾千赫茲。圖3中電路的振蕩頻率為：

  
式中，f與電路中L、C1、C2有關(guān)。
    當(dāng)電感L數(shù)值變化時，f也會相應(yīng)改變。同樣當(dāng)電容容值發(fā)生變化時，f也隨之變化。一般情況下，電容值隨環(huán)境溫度變化而變化，因此振蕩頻率f也隨溫度變化而變化。
2．5 檢測電路頻率算法
    因為檢測電路中信號頻率隨時在改變，這為檢測機(jī)動車輛等金屬物體帶來一定困難，尤其在環(huán)境溫度急劇變化時，信號自身頻率值會大幅變化。高溫時在室外環(huán)境所采集的振蕩電路數(shù)據(jù)分析得出：f值在1 h內(nèi)隨溫度變化幾百赫茲，測量期間沒有金屬物體靠近。因此該設(shè)計采用基準(zhǔn)動態(tài)改變方法。具體計算方法如下：設(shè)定fz為基準(zhǔn)頻率;fc為參與計算和判斷的采集頻率；f為實(shí)際采集頻率。m和n為濾波因子。系統(tǒng)沒有上電時,fz初始化值為0；上電后，把第1次采集到的頻率f作為fz的初始值，隨后定時更換fz 值。
    先把實(shí)際采集到的頻率f按式(2)進(jìn)行一階濾波處理，然后計算fc的值：

    式(3)、式(4)中的濾波因子m，n通過試驗獲得。當(dāng)f值快速變化時濾波結(jié)果及時跟進(jìn)且數(shù)據(jù)變化越快，靈敏度越高。在檢測車輛時需定時更換fz，根據(jù)室外溫度變化更換時間。
    當(dāng)有金屬物體經(jīng)過線圈時，采集的頻率值為f，而這時基準(zhǔn)頻率為fz。判斷車輛的算法是南式(3)得出fc，再由式(5)得：

   
    通過判斷△f是否在同定范圍中得出車輛經(jīng)過情況。該范同是通過大量實(shí)驗得出的。具體CPU算法流程見圖4。

3 實(shí)驗及結(jié)果分析
    該算法是經(jīng)過大量驗證試驗而得出的。在室內(nèi)，試驗采用45 cm×45 cm的線圈(匝數(shù)n=12)。模擬機(jī)動車輛為一輛長1．2 m，寬0．8 m的鐵皮小推車。當(dāng)小車經(jīng)過線圈時，采集頻率fc與基準(zhǔn)頻率fz的差值約400 Hz，CPU能夠準(zhǔn)確判斷出有小車經(jīng)過。在室外試驗則是把線圈埋入公路地面下，當(dāng)汽車經(jīng)過線圈時，采集頻率fc與基準(zhǔn)頻率fz差值約400～2 000 Hz。這個差值隨著車輛型號不同和車輛底盤的高低而改變，而CPU也能準(zhǔn)確判斷出有機(jī)動車輛經(jīng)過。通過室內(nèi)和室外大量試驗，及時調(diào)整了濾波算法中的濾波因子，提高了檢測靈敏度，使其能夠滿足不同車輛的需求。

4 結(jié)束語
    采用濾波算法并實(shí)時更新振蕩電路的基準(zhǔn)頻率可減少電路頻率變化對于車輛檢測的干擾。這里采用c8051F310設(shè)計的山路轉(zhuǎn)彎預(yù)防警示系統(tǒng)現(xiàn)已安裝在盤山路上，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測出車輛，并發(fā)送警示信息。同時設(shè)計中充分考慮到環(huán)境因素和維護(hù)的不便，設(shè)計有上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。因此，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，價格低廉，已引起交通部門的廣泛關(guān)注。