基于红外传感检测车流量毕业设计论文管理资料.docx

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基于红外传感检测车流量毕业设计论文管理资料

基于红外传感检测车流量

XX大学

电子信息工程（视讯工程）063

XXX

指导教师：

XXX

XXX学院

职称：

工程师

Basedontheinfraredsensortodetecttrafficflow

XXX

Electronicsandinformationengineering（Videoengineering）063

XXX

Mentor：

XXX

XXXCollege

Engineer

20

六、经济、技术等指标的对比分析29

参考文献：

35

摘要：

随着现代城市的发展，车辆增多，交通问题越来越重要。

在道路交通管理过程中，车流量是决定控制策略的关键因素之一。

车辆在通过十字路口时，因信号灯转换时间固定，无法根据车辆多少而改变交通信号，从而造成交通资源浪费，汽车排放的尾气更对环境造成污染。

此次设计是利用红外传感器（基于热效应的热探测器）探测车辆温度,利用热释电红外传感器，设计了车流量自动计数检测系统。

该红外检测系统采用红外传感器作为探头来检测外界是否有车辆通过，红外传感器输出的微弱电信号经运算放大器放大以及比较器电路滤除干扰后，从而完成对车流量的检测。

最终达到智能控制交通灯的目的。

智能交通：

智能交通是一个基于现代电子信息技术面向交通运输的服务系统。

它的突出特点是以信息的收集、处理、发布、交换、分析、利用为主线，为交通参与者提供多样性的服务。

智能交通包括：

车辆控制系统。

交通监控系统，运营车辆高度管理系统和旅行信息系统。

关键词：

热释红外，传感器，放大电路，智能交通，车流量，监测

Abstract：

Withthedevelopmentofamoderncity,thevehiclehadbeenanincreaseintrafficproblemsmoreandmoreimportant.Vehiclesthroughthecrossroads,signalconversiontimefixedandcannotbechangedaccordingtothenumberofvehiclesandtrafficsignal,therebycausingtrafficresourcewastage,automobileemissionsfromoff-gasmoreenvironmentalpollution.Thisdesignistheuseofinfraredsensors（basedonthermalheatdetector）detecttemperatureresultingpulsesequence,andthroughmicrocontrollercircuitonpulsesequenceanalysisandjudgment,bythenumberofvehicles.Theinfraredprobeplacedatappropriatelocations,vehiclethroughwhenthechangedetectionroadconditions,vehicleflowmeasurementthatsectionandthetestresultsreflectonthescreenattheendofthereachingofintelligentcontroltrafficlights.

IntelligentTransportation:

IntelligentTransportationisbasedonmodernelectronicinformationtechnologysystemsfortransportationservices.Itsoutstandingfeatureisthecollection,processing,distribution,exchange,analysis,usethemainline,totransportparticipantstoprovidediversityofservices.IntelligentTransportationincludes:

vehiclecontrolsystem.TrafficMonitoringSystem,ahighdegreeofoperationalvehiclesandtravelinformationsystemsmanagementsystem

KeyWords:

Pyroelectricinfraredsensor,amplifier,intelligenttransportation,trafficflow,monitoring

前言：

红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。

红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：

（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；

（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。

红外传感器根据探测机理可分成为：

光子探测器（基于光电效应）和热探测器（基于热效应）。

21世纪将是公路交通智能化的世纪，人们将要采用的智能交通系统，是一种先进的一体化交通综合管理系统。

在该系统中，车辆靠自己的智能在道路上自由行驶，公路靠自身的智能将交通流量调整至最佳状态，借助于这个系统，管理人员对道路、车辆的行踪将掌握得一清二楚。

基于红外传感的车流量检测探头设计

一、设计方案

红外传感器工作原理：

（1）待侧目标

　　根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。

（2）大气衰减

待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。

（3）光学接收器

　　它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。

相当于雷达天线，常用是物镜。

（4）辐射调制器。

对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。

又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。

（5）红外探测器

　　这是红外系统的核心。

它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。

此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。

（6）探测器制冷器

　　由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。

经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。

（7）信号处理系统。

将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。

然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。

（8）显示设备。

这是红外设备的终端设备。

常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。

　　依照上面的流程，红外系统就可以完成相应的物理量的测量。

红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。

热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。

检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。

多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。

当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。

热释电红外传感器的原理特性：

热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。

不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。

为了抑制因自身温度变化而产生的干扰该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出。

热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。

由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用因而需要用电阻将其转换为电压形式该电阻阻抗高达104MΩ，故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟随器来完成阻抗变换。

热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。

设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。

由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。

红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用，随着探测设备和其他部分的技术的提高，红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度。

红外传感车流量检测探头可有单片机控制和直接由运算放大电路组成，其中单片机除要调硬件还要软件，比较复杂，而算放大电路相对简单，故优先选择运算放大电路组成的红外传感车流量检测探头。

红外传感车流量检测探头电路是由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、延时电路和计数器等组成。

下面是该电路的一个总的系统框图，概括了这次设计的主要思路。

红外线传感器模块

信号放大电路模块

电压比较器模块

延时电路模块

计数器

图1基于红外传感的车流量检测探头

红外传感车流量检测探头通过探测车量的红外线辐射信号，并经过放大、延时和发射等环节，将车辆的移动信号转为电信号，当有信号发生时，计数器会自动记录车量数。

红外发射电路由单结晶体管，晶体管和红外发射二极管等组成。

红外接收电路由红外接收光敏二极管，集成运算放大电路和有关外围元件组成。

接通电源开关后，红外发射电路按一定频率振荡工作，通过红外发射二极管产生的红外线辐射脉冲。

在红外接收光电二极管前方无障碍物时，集成运算放大电路的输出端无信号输出。

当晶体管距障碍物7m以内时，红外发射二极管发射的红外线信号经障碍物反射后被红外接收光敏二极管接收，它将该红外线信号转换成电信号后，送入集成运算放大电路进行放大。

集成运算放大电路放大后的电信号，再经二极管和电容器等倍压整流后，驱动计数器计数。

红外探测电路

图2红外探测电路

运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器，输出信号Vo经晶体管T1放大驱动继电器去接通负载。

R3为光敏电阻，用来检测环境照度。

当作为照明控制时，若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。

SW1是工作方式选择开关，当SW1与1端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当SW1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。

图中R6可以调节放大器增益的大小，实际使用时可以用3K，可以提高电路增益改善电路性能。

输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整，触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整，R9/R10可以用470欧姆，C6/。

信号放大电路

图3信号放大电路

在此单元电路中，当红外线探测传感器J1探测到前方车辆辐射出的红外线信号时，由C1的②脚输出微弱的电信号，经三极管Q1等组成第一级放大电路放大，再通过C2输入到运算放大器U1中进行高增益、低噪声放大，此时由U1①脚输出的信号已足够强，能够对信号进行放大。

电压比较电路

图4电压比较电路

在本单元电路中，U1B作为电压比较器，它的第⑤脚由R10、VD1提供基准电压，当U1B①脚输出的信号电压到达U1B的⑥脚时，两个输入端的电压进行比较，查看U1B的⑦脚是高电平还是低电平。

延时电路

图5延时电路

在此电路中，U3为计数延时电路，R14和C6组成延时电路。

由Q2、R20、C8组成开机延时电路，在U3的控制端连接一个晶体三极管U2，来控制U3的控制端与电路的通断，在U2基极连接一个电阻，U2的发射极连接一个电容C6，电容C6与电阻R14连接，电容通过触发开关接通充电电路。

延时的时间，即电容放电的时间，由于三极管基极与发射极放电回路存在，所以集电极与发射极接通，继电器电路接通进入延时工作。

二、设计方案论证

热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。

在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。

由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。

为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内热源的行动。

　　菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。

当有热源从透镜前走过时，热源发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。

人体辐射的红外线中心波长为9~10--um，~20--um范围内几乎稳定不变。

在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10--um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。

而我现在的设计是针对车辆的。

汽车发动机工作的最佳温度是80-90摄氏度。

发动机所发出的热辐射强度与辐射距离成反比，距离越远，辐射强度越低，即温度越低。

从这一点出发，只要降红外探测器放置在探测最大距离以外，理论上就能实现探测到车辆的温度且不受人体及其他热源的干扰。

响应时间、感应距离、温度量程是直接制约热释红外传感器成本的因素。

此次设计犹豫经费和时间的限制，我选择了一款价格低、灵敏度高（1秒响应）、距离可调（最远距离7M）、延时可调的热释红外传感器。

我通过对探测距离的测试来减少通过红外探测器对外界干扰的误测。

当感应距离设置为最远距离（7M）时，降红外探头放置在离车辆9-11M时，可以感应到车辆。

这也跟气温有关，气温在23摄氏度以下时，探头需要接近车辆一些，超过10M的距离灵敏度就不够了。

而当气温高于23摄氏度时，探头则可以放置的更远一些。

这也许就是目前只能交通中很少使用红外传感的一个重要原因，天气变化无常，而红外探头不可能随时改变位置（目前使用更多的车辆感应为地感线圈，压力传感，不受天气变化影响）！

而使用红外感应的也不是热释电红外，是红外线发射和接受装置（目前驾驶执照考试中，就用红外线发射和接收来进行测量）。

对于此次设计，在我经过多次实验后，基本能达到监测车流量的预期目标。

即将热释红外探头放置在距离车辆10M的距离，当车辆经过时，基本可以完成车流量计数。

三、元器件及设备选型

红外传感信号处理器

（1）CMOS数模混合专用集成电路。

（2）具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号与处理。

（3）双向鉴幅器，可有效抑制干扰。

（4）内设延迟时间定时器和封锁时间定时器，结构新颖，稳定可靠，调解范围宽。

（5）内置参考电压。

（6）工作电压范围+3V—+5V。

（7）采用16脚DIP封装。

图6BISS0001红外传感信号处理器

图7为BIS0001红外传感器信号处理器的原理框图。

外界元件由使用者根据需要选择。

由图可见BISS0001时有运算放大器、电压比较器和状态控制器、延迟时间定时器、封锁时间定时器即参考电压等构成的数模混合专用集成电路。

可广泛应用于多种传感器和延时控制器。

图7BISS0001红外传感器信号处理器的原理框图

各引脚的定义和功能如下：

VDD—工作电源正端。

范围为3~5V。

Vss—工作电源负端。

一般接0V。

IB—运算放大器偏置电流设置端。

经RB接VSS端，RB取值为1MΩ左右。

11N—第一级运放放大器的反相输入端。

11N+—第一级运放放大器的同相输入端。

1oUT—第一级运算放大器的输出端。

2IN—第二级运算放大器的反相输出端。

2OUT—第二级运算放大器的输出端。

Vc—触发禁止端。

当Vc＜VR时禁止触发；当VC＞VR时允许触发。

VR≈。

VRF—参考电压及复位输入端。

一般接VDD。

接“0”时可使定时器复位。

A—可重复触发和不可重复触发控制端。

当A=“1”时，允许重复触发，当A=“0”时，不可重复触发。

Vo—控制信号输出端。

由Vs上跳边沿触发使Vo从低电平跳变到高电平时为有效触发。

在输出延时间Tx之外和无Vs上跳变时Vo为低电平状态。

RR1RC1—输出延迟时间Tx的调节端。

Tx≈49152R1C1。

RR2RC2—触发封销时间Ti的调节端。

Tx≈24R2C2。

图8所示的不可重复触发工作方式下的各点波形，说明BISS0001的工作过程。

图8不可重复触发工作方式下各点的波形

首先，由使用者根据实际需要，利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。

然后耦合给运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高位VM（≈）后，送到有比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，剪除有效触发信号Vs。

由于VH≈VDD、VL≈VDD，所以，当VDD=5V时，可有效地抑制±1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。

COP3是一个条件比较器。

输入电压Vc＜VR（≈VDD）时，COP3输出为低电平封住了与门U2，禁止触发信号Vs向下级传递；而当VC＞VR时，COP3输出为高电平，打开与门U2，此时若有触发信号Vs的上跳边沿来到，则可启用延时时间定时器，同时Vo端输出为高电平，进入延时周期。

当A端接“0”电平时，Tx时间结束时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。

再Ti周期内，任何V2的变化都不能使Vo为有效状态。

这一功能的设置，可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。

下面图9所示可重复触发工作方式下各点的波形，说明BISS0001在此状态下的工

作过程。

图9可重复触发工作方式下各点的波形

在Vc=“0”、A=“0”期间，Vs不能触发Vo为有效状态。

在Vc=“1”、A=“1”时，Vs可重复触发Vo为有效状态，并在Tx周期内一直保持有效状态。

在Tx时间内，只要有Vs得上跳变，则Vo将从Vs上跳变时刻算起继续延长一个Tx周期；若Vs保持为“1”状态，则Vo一直保持有效状态；若Vs保持为“0”状态，则在Tx周期结束后Vo恢复为无效状态，并且在封锁时间Ti时间内，任何Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。

极限参数（Vss=0V）

电源电压：

~6V

输入电压范围：

~+6V（VDD=6V）

隔引出断最大电流：

±10mA（VDD=5V）

工作温度：

-10℃~+70℃

存放温度：

-65℃~+150℃

电参数（TA=25℃Vss=0V）

图10热释红外感应模块

菲涅尔透镜（Fresnellens）多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1mm左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远。

图11菲涅尔透镜

菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。

菲涅尔透镜作用有两个：

一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。

（1）全自动感应:

车辆进入其感应范围则输出高电平，车辆离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。

（2）光敏控制：

可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。

（3）温度补偿：

在夏天当环境温度升高至30～32℃，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。

（4）两种触发方式：

（可跳线选择）

 :

即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变为低电平；

 ：

即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有车辆在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到车辆离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到车辆的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点）。

（5）具有感应封锁时间（默认设置:

）：

感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。

此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。

（此时间可设置在零点几秒—几十秒钟）。

（6）工作电压范围宽：

。

（1）感应模块通电后有一分钟左右的初始化时间，在此期间模块会间隔地输出0-3次，一分钟后进入待机状态。

（2）应尽量避免灯光等干扰源近距离直射模块表面的透镜，以免引进干扰信号产生误动作；使用环境尽量避免流动的风，风也会对感应器造成干扰。

（3）感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元（A元B元）位于较长方向的两端，当车辆从左到右或从右到左走过时,红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏，当车辆从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时，双元检测不到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；所以安装感应器时应使探头双元的方向与活动活动最多的方向尽量相平行，保证车辆经过时先后被探头双元所感应。

为了增加感应角度范围，本模块采用圆形透镜，也使得探头四面都感应，但左右两侧仍然比上下两个方向感应范围大、灵敏度强，安装时仍须尽量按以上要求。

距离调节延时调节

调节距离电位器顺时针旋转，感应距离增大（约7米），反之，感应距离减小（约3米）。

调节延时电位器顺时针旋转，感应延时加长（约300S），反之，感应延时减短（约5S）。

工作电压范围：

DC

静态电流：

<50uA

电平输出：

V/低0V

触发方式：

L不可重复触发/H重复触发

延时时间：

5-200S（可调）可制作范围零点几秒-几十分钟

封锁时间：

（默认）可制作范围零点几秒-几十秒

电路板外形尺寸：

32mm*24mm

感应角度：

<100度锥角

感应距离：

7米以内

工作温度：

-15-+70度

感应透镜尺寸：

直径:

23mm（默认）

LM393,LM393A，LM393D由两个独立的电压比较器构成。

它的电源可以由宽范围的单个正电压供电，也可以由正负两个电压供电。

由于输出是集电极开路，它可以和另外一个集电极开路的输出构成与（AND）逻辑关系。

LM393和LM393A的工作温度范围是0°C到70°C。

工作电压2V~36V