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车流量检测系统设计

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车流量自动检测系统设计

作者姓名：

张伯梅

专业名称：

电气工程及其自动化

指导教师：

雷永锋

摘要

随着现代经济的高速发展，交通运输的保障就显得尤其重要,对交通管理的要求也越来越高，将计算机科学与通信等高新技术运用于交通监控管理与车辆控制，以保障交通顺畅及行车安全，从而改善环境质量，促进经济发展的智能交通系统ITS（Intelligenttrafficsystem,ITS）也随之应运而生。

而实时获取交通车流量的车辆检测技术是ITS的基础。

本文设计了一种基于ATmeagal6L单片机的车流量检测系统。

其中主要是将红外传感器测得的电平信号传递到单片机中，通过单片机判断处理、计数等功能实现车流量的检测。

该系统可以实现单位时间内的计量，这对于城市交通管理具有一定的帮助作用。

关键词：

车流量检测红外线传感器算法

Abstract

Withtherapiddevelopmentofmoderneconomy,transport,protectionisparticularlyimportantonthetrafficmanagementrequirementshavebecomemoresophisticated,computerscienceandcommunications,andotherhigh-techapplicationoftrafficcontrolandvehiclemonitoringandmanagementinordertosafeguardthesmoothflowoftrafficandtrafficsafety,therebyimprovingthequalityoftheenvironment,promoteeconomicdevelopmentinIntelligentTransportationSystemsITS（Intelligenttrafficsystem,ITS）alsocameintobeing.Real-timeaccesstotrafficflowandvehicledetectiontechnologyisthebasisofITS.

Inthispaper,thedesignofaflow-basedSCMATmeagal6Ldetectionsystem.Whichismeasuredbyinfraredsensor-levelsignaltransmissiontothesingle-chip,thejudgedealtwiththeadoptionofsingle-chip,trafficcountsandotherfunctionstoachievethedetection.Thesystemcanbeachievedperunittimeofmeasurement,whichisthemanagementofurbantransporthasaroletohelp.

Keywords：

Trafficflowmagnitude,Infraredmatrix,examinationIntelligence，Algorithm

摘要I

AbstractII

目录III

前言-1-

1车流量检测系统的概述-3-

1.1课题研究现状-3-

1.2研究的目的-4-

1.3传统的车流量检测技术-5-

1.3.1基于超声波的检测系统-5-

1.3.2基于视频图象的检测系统-5-

1.3.3声学检测-5-

1.3.4磁力计检测-6-

1.3.5激光雷达检测方法-6-

2系统的工作原理-7-

2.1车流量检测系统的工作原理-7-

2.2系统需求分析-7-

2.3系统总体模块设计-7-

3系统硬件设计-9-

3.1单片机技术-9-

3.1.1单片机简介-9-

3.1.2ATmega16L单片机-10-

3.2传感器简介-11-

3.2.1传感器的基础知识-11-

3.2.2红外线传感器-12-

3.3系统总体设计-15-

3.3.1系统总体功能模块-15-

3.3.2系统总体电路图-17-

4系统的软件设计-18-

4.1识别算法的设计过程-18-

4.2系统设计流程图-19-

4.3系统软件设计子程序-23-

4.3.1报警子程序-23-

4.3.2一秒延时子程序-23-

4.3.3显示子程序-23-

4.3.4延时一秒子程序-25-

总结-26-

致谢-27-

参考文献-28-

前言

随着人口数量的增长，给交通带来的压力越来越大，于之同时，科学技术也在不断发展。

因此，智能交通系统成为近些年研究的热点。

车流量的检测是智能交通的基础，在系统中占重要地位。

就目前就有多种方法检测车流量，例如：

电磁感应装置法、声学检测系统法、激光雷达检测法和车流信息的超声波检测法。

它们都具有高性能、精度高、体积小、操作方便等特点。

而实际上，前进中的车辆速度、种类始终变化，所以普遍存在反射信号不稳定，测量误差大的问题。

与以上方法相比，基于红外线矩阵法的车流量检测方法具有许多优点：

体积小、精度高、系统稳定等特点。

此外由于红外线来自光中的红外，所以此系统还有一个特点就是成本低，这是每一个设计必须考虑的问题，系统稳定性，是产品市场推广的前提，没有稳定性的产品肯定将被市场淘汰。

现有的车流量检测法主要是传统视频检测方法，它基于工控机，其算法成熟，且已形成相关产品。

但其也有缺点：

一是由于通用CPU没有专用的硬件乘法器，故很难实现图像的时实性处理。

二是采用通用工控机，运行WINDOWS系统，成本高，要时刻关心机器有没死机，系统有没感染病毒，操作系统的补丁升级等问题。

也无法得出每条道路在某个时间段内车辆的频率以及相应的车型统计，无法得出某个路段出现堵车现象的频度和时间规律。

随着车辆的普及，城市道路交通的压力越来越大，准确掌握道路交通情况对于城市道路交通管理和城市交通发展都十分重要。

目前对道路交通情况的了解的检测大部分都是通过视频监视的方法，但本设计提出了一种全新的、较经济、较准备的监测车流量的方法。

它可实现双向并排经过的多辆车的车流量测量，为准确统计和掌握道路车流量数据提供了技术上的支持，这也为以后的城市交通管理的城市发展提供了有利的基础条件。

此次毕业设计第一阶段是：

查阅大量资料了解车流量检测的发展现状，第二阶段是确定系统方案，理清总体结构。

在指导老师的悉心指导和自己的努力下，最终完成了毕设计的各项任务，成功完成了车流量系统检测的设计。

1车流量检测系统的概述

1.1课题研究现状

智能交通系统（ITS）是将先进的信息技术、数据通信传输技术、电子传感技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效地集成运用于整个交通管理而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的、实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。

交通检测系统是智能交通系统的重要环节，负责采集有关道路交通流量的各种参数。

交通环境的车辆检测研究可以追溯到20世纪70年代，1978年，美国JPT（加州帕萨迪纳市的喷气推进实验室）首先提出了运用机器视觉来进行车辆的检测的方法，指出其是传统检测方法的一种可行的替代方案。

1991年，美国加州理工大学对在高速公路上运用视频方法的检测技术进行了评估，在评估报告中对当时采用的不同的视频车辆检测技术详尽地进行了分类。

1994年Mn/DOT（明尼苏达运输部）为FHWA（美国联邦公路局）进行了更详尽严格的测评，结果表明视频检测器的检测准确性和可靠性可以达到令人满意的程度。

同时随着车辆检测技术的发展，人们已不满足于仅仅通过视频检测车流量，虽然FHWA已进一步利用此技术来提取交通参数，如交通流量，十字路口的车辆转向信息等。

国内关于交通视频检测的研究滞后于国外，技术基础较弱，但也有不少公司做出了产品，如清华紫光的视频交通流量检测系统VS3001，深圳神州交通系统有限公司开发的VideoTraceTM，厦门恒深智能软件系统有限公司开发的HeadSunSmartViewer-II视频交通检测器等。

当然这些产品的功能比较单一，与国外产品相比有一定差距。

事实上，与其它几种车辆检测方法相比，基于红外线检测的方法具有直观、可监视范围广、精度高、成本低可获取更多种类的交通参数以及费用较低等优点，因而可广泛应用于交叉道口和公路干线的交通监视系统中。

车辆检测和算法处理是红外线检测的主要部分，交通参数是通过对车辆的检测和跟踪来获取的，因此车辆检测和跟踪的算法对红外线检测系统至关重要。

车辆检测，车辆检测的目的判断是否有车经过检测区，并建立一个与之对应的跟踪对象，主要提供车流量等信息。

减少车辆检测算法的计算量和提高实时性是一对矛盾，解决这对矛盾是提高系统检测准确度和稳定度的关键，然而实际中光照的变化、背景混乱运动的干扰、运动目标的影子以及运动目标的自遮挡和互遮挡现象的存在，这些都会影响车辆检测和分割的精度，必须在算法中考虑这些因素的影响及其去除的方法。

所以，我这次主要采用的是红外线的矩阵方法来检测车流量，它主要是车量经过两个传感器形成的的电平变化来检测车流量，这就刚好避免了背景的混乱等所形成的误差。

1.2研究的目的

由于近年来科学的发展，时代的进步，这个由钢筋水泥筑成的家园到处布满了车辆，因交通事故而受到伤害的人，物也在遂年增加，所以我们有必要对这些科学产物进行适当的规范，来使人们的生活受到保障。

近几年这个话题也成为人们研究的重点。

随着人口数量的增长，给交通带来的压力越来越大，智能交通系统成为近些年来研究的热点。

车流量检测是智能交通的础部分，在系统中占有重要地位。

经济建设得到了飞速发展，机动车保有量迅速攀升的同时，城市交通面临的臃肿问题也日益突出。

由于目前部分驾驶员存在着尊警不遵章的侥幸心理，当信号灯岗亭没有交通民警执勤时闯红灯强行，经常造成路口阻塞，由此而引发的交通事故频繁发生，在影响了正常城市交通秩序的同时，给人民生命及财产安全造成了极大的威胁，城市交通管理面临的压力与日俱增。

通过建立闯红灯电子检查布控系统，实现对公路上监控区域内通行的车辆进行实时监视、抓拍、识别、报警、记录保存车辆通行的信息和车流量数据并进行集中有效的管理，为公安部门打击违反交通车辆、加强交通安全管理提供有效的技术支持。

目前有多种方法检测车流量，例如：

电磁感应装置之不理法和车流信息的超声波检测法。

它们都具有高性能、精度高、体积小、操作方便等特点。

本文设计了一款高性能、体积小、精度高、低成本的智能车流量检测系统。

1.3传统的车流量检测技术

如前言所说，车流量的检测已成为近年来研究的重点，所以，科学家们经过各种方法来检测车流量，比如说基于超声波的检测、基于视频图象的检测、基于声学检测、基于磁力计检测、基于激光雷达检测法等等。

1.3.1基于超声波的检测系统

超声波的检测系统是通过超声波技术实现道路交通节点流量与流速的实时检测，同时引进单片机以太网传输系统，以较低的成本将检测信息方便地接入广域网络，使信息的远程获取及设备的远程控制成为可能。

系统集成度高、性能稳定，可有效获取车流信息。

1.3.2基于视频图象的检测系统

车流量检测系统是由视频采集、车流量数字视频信号处理、不同环境下车流量检测算法、以及车流量检测结果输出等几部分组成。

数字图像采集部分的核心芯片是TVP5150，它可将模拟视频信号转换为数字视频信号。

DM642运行图像算法对采集进来的图像进行数字图像处理。

车流量数字视频检测算法白天主要是使用改进后的帧差法进行运动检测，夜间使用车灯检测法。

按照车道将采集到的公路图像化分为四部分，每部分对应一条车道。

在每条车道中开设一个虚拟线圈（指图像中一个矩形检测区域，统称为虚拟线圈），当有车压过虚拟线圈时会引起虚拟线圈内像素值发生变化。

根据此变化控制I/O口产生每条车道的相应脉冲，处理后发出脉冲给公路交通信号机，控制交通灯，从而达到实现智能交通的目的。

同时，可以通过网络将车流量信息传到监控中心。

1.3.3声学检测

声学检测法主要是通过声光控传感器来检测的。

通过不同坏境下的声音判断是否有车辆经过，不过，这种方法的误差很大，一般情况下不给于采用。

1.3.4磁力计检测

基于空间磁力计检测车流量的方法上通过空间磁通门磁力计和地磁感之间的感应系统来检测，它的测量精确度可以达到大小为1n1T以下的稳定或者低频交变的磁场，其应用范围涉及深空探测和地球物理学等许多领域。

这种系统的信号处理系统应用了相关检测原理。

经过多位实验者的多次实验证明，这种系统的灵敏度、线性度都能达到较好的效果。

噪声和分辨率的测试实验结果也能达到较为理想的结果。

但是和线外线检测系统相比，精度还是要差一点，而且较于红外线检测系统来说，成本较高，也不容易实现。

1.3.5激光雷达检测方法

激光雷测法采用的是激光测距传感器、激光位移传感器、激光距离传感器以及激光距仪等作为探测器来检测车流量的。

这种方法也有精度高，抗干扰能力强等特点，但是它的成本特别高，一般不采用。

考虑到成本及技术问题，本次设计将采用的是红外线检测法。

2系统的工作原理

2.1车流量检测系统的工作原理

红外线矩阵法是一种利用红外线矩阵检测设备检测道路上机动车流量的方法以及道路交通监测系统。

它利用红外线发射和接收方向较强的特点，在车辆以过的路面上安装密度适当的几排红外线发射接收电路，组成红外线矩阵，红外线检测矩阵由两排嵌入路面内的接收器和安装在其上方几米处的发射器组成，两排接收器之间的距离为0.5～2米，每排接收器由若干间隔0.2～0.9米的接收管和接收电路组成。

接收管在没有遮挡的情况下可以接收发射器发出的信号，接收电路中产生低电平，接收管在受到遮挡的情况下收不到发射器发出的信号，接收电路中产生高电平。

因此，根据车驶入，通过，驶出测试区时，以及行车方向，车辆型号，并排行车的数量等状态引起的矩阵内各点高低电平的复杂变化，通过硬件电路的设计和软件算法的处理，最终统计出经过该测量区域内双向并排经过的多辆车的车流量测量。

2.2系统需求分析

随着城市车辆的增多，道路情况变得复杂，如何对道路车流量进行监控，对统计、预测城市道路交通情况至关重要，同时这也是对城市道路运行情况合理调度的重要依据。

而目前对城市道路监测多以通过视频为主，甚至会采取人工记数，这对每条道路在某个时段车辆的频率或通行的车型不易做到长期、精确的统计。

因此，需要设计一种低成本、高效率的智能识别装置，来促进对道路交通情况的监测水平。

2.3系统总体模块设计

本系统是借用单片机采用模块设计的车流量检测系统，只要有车

量经过，就会挡住两个发射和接收红外线传感器之间的传感信号，这样就能根据车量的流动情况对流量进行检测。

对于正常的情况下还会有并行的车量经过，本系统也做了设计。

系统的总体设计如下图2.1所示：

图2.1系统总体模块图

本系统采用红外线传感器作为采集信号对车流量进行检测，红外线传感器采集到信号之后，经电源电路和滤波放大电路之后，再传到单片机进行处理，单片机再将处理结果由LCD显示在银频上。

如果采集到的信号是低电平的话就会显示是：

“0”，反之高电平的话就是：

“1”。

系统会通过出现低电平的次数来统计车流量，

3系统硬件设计

3.1单片机技术

3.1.1单片机简介

单片机（SingleChipMicrocomputerOrOneChipMicrocomputer）是将微机的CPU、存储器、I/O接口和总线制作在一块芯片上的超在规模集成电路。

由于单片机具有体积小、功能全、价格低、软件丰富、面向控制、开发应用方便等到特点，又可将其嵌入产品内部，使产品智能化，因此得到其广泛的应用。

其结构如图3.1所示：

图3.1单片机的基本结构

1.中央处理单元（CPU）

中央处理单元CPU（CentralProcessorUnit）也称为微处理器，具有算术运算、逻辑运算和控制操作的功能，是微型计算机的核心部分。

它由算术逻辑单元ALU、寄存器组（Register）、控制器（ControlUnit）组成。

2.存储器

存储器（Memory）的主要功能是存放程序和数据。

程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象，不管是程序还是数据，在存储器中都用二进制的“1”或“0”表示，统称为信息。

为实现自动计算，这些信息必须预先放在存储器中，存储器由寄存器组成，可以把它看成是一寄存器堆。

3.总线

总线是把计算机各个部分有机地连接起来的一组并行导线，是各个部分之间进行信息交换的公共通道。

微型计算机中连接CPU、存储器和各种I/O设备并使它们之间能够相互传送信息的信号线及控制信号线称为系统总线。

系统总线上除电源线、地线外，主要有3组总线，它们是地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB。

语言的特点，又能便于理解、记忆，计算机采用了助记符来编写指令—汇编语言。

它采用有关英语缩写来描述指令特征。

例如：

MOVA，#0AH；它是表示把一个立即数0AH送到累加器A的操作。

这种方式编写的程序称为汇编语言源程序。

很多单片机应用系统的程序既可用汇编语言软件编写也可以用高级语言软件编写。

但汇编语言程序能够直接操作机器硬件，优点是指令的执行速度快，汇编语言指令代码的执行效率是最高的。

因此本设计就采用汇编语言进行编程。

计算机只能识别二进制代码—机器语言。

为了既能体现机器。

3.1.2ATmega16L单片机

ATmega16L特征是高高性能，低功耗的AVR和8位微控制器，先进的RISC架构，最单时钟周期执行32×8通用工作。

非易失性程序和数据的记忆-16k字节的在系统自我可编程闪存耐力：

10000写入/擦除周期，可选的开机程式码区段与独立锁定位在系统编程，由单晶片开机程序真正的阅读边写操作512字节的EEPROM耐力：

100000写入/擦除周期千只字节内部的SRAM编程锁软件安全的JTAG协会（1149.1兼容）接口-边界扫描的能力，根据该标准的JTAG广泛的片上调试支持-编程的闪存，EEPROM的，引信，并锁定位通过JTAG接口，周边功能-两个8位定时器/计数器与单独prescalers和比较模式一个16位定时器/计数器与独立分频器，比较模式，捕获模式-实时性与反独立的振荡器四PWM的渠道8通道，10位ADC8单端渠道7微分渠道，在TQFP封装，只2微分渠道，与可编程增益在1x，10倍，或200倍-字节为导向的2线串行接口可编程串行usart主从SPI串行接口可编程看门狗定时器与单独对片上振荡器-单晶片模拟比较特殊的微控制器的特点上电复位和可编程掉电检测内部校准的RC振荡器-外部和内部中断源-六睡眠模式：

空闲，ADC的降噪，电力储存，电源关闭，待机并延长待机I/O和软件包32可编程I/O线40引脚PDIP，44铅TQFP封装和44瓦的MLF操作电压，2.7-5.5V的为atmega16l，4.5-5.5V的为atmega16，速度0为8MHz为atmega16l，0--16兆赫为atmega16.

它的引脚设置为：

图3.2ATmega16L引脚图

3.2传感器简介

3.2.1传感器的基础知识

（1）传感器的定义

传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常用敏感元件和转换元件组成。

其中，敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器能将敏感元件的输出转换为适于传输和测量的电信号部分。

传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。

（2）传感器的组成

通常，传感器由敏感元件和转换元件组成。

但是由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或变换为容易传输、处理、记录和显示的形式。

随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换可以安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。

因此，信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器的组成部分。

如图3.3所示。

图3.3传感器组成方框图

（3）传感器的分类

传感器的种类很多，不胜枚举，在不同的应用领域应用不同的传感器。

它的分类也很多种，常见的是按输入量可分为：

位移传感器、温度传感器、速度传感器、压力传感器，还有红外线传感器。

而这次的设计就用到了红外线传感器。

3.2.2红外线传感器

利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。

红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。

任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。

红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。

红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。

光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。

检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。

热敏元件应用最多的是热敏电阻。

热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。

光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。

红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。

例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗（见热像仪）；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。

红外线又称红外光，是指波长大于700nm的不可见光，波长介于可见光和无线电波之间，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。

红外线（指中、远红外线）不受周围可见光的影响，故可在昼夜进行测量。

运用红外线的这种原理制造的传感器成为红外传感器，它是一种基于光电效应的接近觉传感器。

红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。

一般红外光电式传感器选择在近红外区，即760～2500nm段内，大多数发光器件为880nm和930nm两个系列。

红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。

光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。

检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。

光电检测元件常用的是光敏元件，其材料一般为砷化钾（GaAS）等半导体，它能吸收光能并将之转化为电能，当测量距离不同时，光的强度改变导致电流变化，再把电流经过放大及相关处理，就可以达到测量距离的目的。

将发射红外线的发光二极管和感知红外线的接受二极管组合在一起就可以实现红外线通讯。

本次设计所用红外传感器的工作原理图如图3.4所示。

如果有车量经过时，单片机输出的电平信号为“1”，如图3.4（a）所示，没有车量经过装置时，红外传感器的发射端发射出的信号到达了接收端，单片机检测到的电平信号就为“1”，单片机通过计数功能计算出现“1”的次数来统计车流量。

反之，如图3.4（b）示，装置分别装有发射的接收两个红外传感器。

当有车量经过时，车量挡住了发射端发出的信号到接收端，这样，检测到的电平信号就是低电平，单片