基于C8051F310的高灵敏车辆检测算法

1 引言
    弯路转弯处经常出现一段盲区，司机看不到弯路对面是否有车辆通过，因而引发大量的交通事故，因此，消除盲区造成的交通事故显得尤为重要。为此，设计了基于C8051F310的山路转弯预警系统。该系统当检测到弯路对面有车时可及时通过交通警示灯提前警示司机注意避让。因此，准确判断是否有车辆经过是该系统设计的关键。

2 系统设计
2．1 系统设计方案
    该系统设计的主要目的是警示司机在行驶时注意安全，预防事故。在山路转弯处两边分别放置该系统，每边系统控制一警示灯。当一方系统检测到车辆时，通过RF通讯发送至对方系统，对方系统接收到信号后，控制警示灯闪烁以提示司机。
    图1为系统设计组成框图。其中，车辆检测传感器采用正弦波振荡电路检测车辆，在检测电路中，输出信号频率由C8051F310采集得到，然后通过一阶滤波算法处理，滤除掉因环境因素等产生的频率干扰，并进一步计算验证C8051F310的采集精度。

2．2 系统的硬件电路设计
    图2为系统主要硬件电路。车辆检测传感器的输入信号为U(t)，该正弦信号通过比较器变为方波信号后，再输入到单片机C8051F310，然后单片机通过计数器采集信号频率。

2．3 一阶滤波算法
一阶滤波，即一阶惯性滤波。一阶低通滤波算法公式为：
  
    式中，α为滤波系数，X(n)为本次采样值，Y(n-1)为上次滤波输出值，Y(n)为本次滤波输出值。
    一阶低通滤波法采用本次采样值与上次滤波输出值进行加权，得到有效滤波值，使得输出对输入有反馈作用。滤波系数为0～1；该系数决定新采样值在本次滤波结果中所占的权重。一阶滤波系数可以是固定的，也可以按一定程序算法自动计算。但一阶滤波算法无法完全兼顾灵敏度和平稳度。只能寻找一个平衡点，在该系统设计可接受的灵敏度范围内选取尽可能好的平稳度。即当数据快速变化时，滤波结果能及时跟进(灵敏度优先)；而当数据趋于稳定，在固定点上下振荡时，滤波结果趋于平稳(平稳度优先)。
2．4 车辆检测电路
    图3为正弦波振荡电路。该电路用于车辆检测电路传感器，能够感应出金属物体的存在。采用涡流传感方式，将埋入地下的探测线罔直接接入正弦波振荡电路。

    在未检测到车辆等金属物体时，振荡电路输出信号u0(t)的频率基本变化不大，但该值不是一直保持不变，而会在一定范围内漂移。当检测到车辆等金属物体时，U0(t)的频率f0会突变为f。频率差△f=f-f0，其中△f的范围经大量的实验得出一般为几百赫兹到几千赫兹。图3中电路的振荡频率为：

  
式中，f与电路中L、C1、C2有关。
    当电感L数值变化时，f也会相应改变。同样当电容容值发生变化时，f也随之变化。一般情况下，电容值随环境温度变化而变化，因此振荡频率f也随温度变化而变化。
2．5 检测电路频率算法
    因为检测电路中信号频率随时在改变，这为检测机动车辆等金属物体带来一定困难，尤其在环境温度急剧变化时，信号自身频率值会大幅变化。高温时在室外环境所采集的振荡电路数据分析得出：f值在1 h内随温度变化几百赫兹，测量期间没有金属物体靠近。因此该设计采用基准动态改变方法。具体计算方法如下：设定fz为基准频率;fc为参与计算和判断的采集频率；f为实际采集频率。m和n为滤波因子。系统没有上电时,fz初始化值为0；上电后，把第1次采集到的频率f作为fz的初始值，随后定时更换fz 值。
    先把实际采集到的频率f按式(2)进行一阶滤波处理，然后计算fc的值：

    式(3)、式(4)中的滤波因子m，n通过试验获得。当f值快速变化时滤波结果及时跟进且数据变化越快，灵敏度越高。在检测车辆时需定时更换fz，根据室外温度变化更换时间。
    当有金属物体经过线圈时，采集的频率值为f，而这时基准频率为fz。判断车辆的算法是南式(3)得出fc，再由式(5)得：

   
    通过判断△f是否在同定范围中得出车辆经过情况。该范同是通过大量实验得出的。具体CPU算法流程见图4。

3 实验及结果分析
    该算法是经过大量验证试验而得出的。在室内，试验采用45 cm×45 cm的线圈(匝数n=12)。模拟机动车辆为一辆长1．2 m，宽0．8 m的铁皮小推车。当小车经过线圈时，采集频率fc与基准频率fz的差值约400 Hz，CPU能够准确判断出有小车经过。在室外试验则是把线圈埋入公路地面下，当汽车经过线圈时，采集频率fc与基准频率fz差值约400～2 000 Hz。这个差值随着车辆型号不同和车辆底盘的高低而改变，而CPU也能准确判断出有机动车辆经过。通过室内和室外大量试验，及时调整了滤波算法中的滤波因子，提高了检测灵敏度，使其能够满足不同车辆的需求。

4 结束语
    采用滤波算法并实时更新振荡电路的基准频率可减少电路频率变化对于车辆检测的干扰。这里采用c8051F310设计的山路转弯预防警示系统现已安装在盘山路上，该系统能够准确检测出车辆，并发送警示信息。同时设计中充分考虑到环境因素和维护的不便，设计有上位机监控系统。因此，该系统结构简单，性能可靠，价格低廉，已引起交通部门的广泛关注。