基于51單片機的紅外車輛分離器設計

張海濤

（遼寧省高速公路管理局營口管理處，遼寧 營口115000）

0 引言

目前，紅外車輛分離器已經廣泛應用于高速公路收費系統中。在收費系統運行過程中，紅外車輛分離器通過紅外線的同步掃描來確定車輛通行的開始和結束信號，保證通行或計重數據與車輛的對應關系。

1 紅外車輛分離器的硬件設計

1.1 紅外車輛分離器的系統組成

紅外車輛分離器由紅外發射單元、紅外接收單元和核心控制單元組成。紅外發射單元由8塊紅外發射電路板構成，每塊電路板包括8組紅外線發光二級管。二極管分為2排安裝在發射單元的印刷電路板上，2排的間距為20mm。每組紅外二極管由發射單元的驅動電路驅動。紅外接收單元由8塊紅外接收電路板構成，每塊電路板上的RPM6938芯片負責接收發射單元的紅外信號。核心控制單元以MCS－51單片機為核心控制部件，采用8255A芯片擴展I／O端口，以控制發射單元的信號發射和接收單元的信號監測。

如圖1所示，MCS－51單片機將8255A設定為工作模式，并將A口規定為輸入方式，B口和C口規定為輸出方式。A口用來監測紅外接收單元的數據，判斷分離器是否被車輛遮擋。C口用來逐一選定紅外發射單元的8塊電路板，B口提供用來驅動被選發射電路板上各組發光二極管的發射信號。

圖1 紅外車輛分離器系統組成圖

1.2 紅外發射電路的設計

紅外發送電路由74Ls08芯片與門、載波振蕩電路和紅外發送管驅動輸出電路組成，如圖2所示，本設計采用38kHz的載波信號，載波電路采用555組成穩定的石英晶體振蕩電路。載波信號與8255A的PB端口提供的發射信號進行邏輯“與”運算后，通過三極管驅動到紅外發光二極管。例如，當單片機PB0輸出為“0”時，第一組發光二級管不發光；當單片機PB0輸出為“1”時，第一組發光二級管發出調制紅外線。

1.3 紅外接收電路的設計

圖2 紅外發射電路圖

紅外接收電路（圖3）采用RPM6938集成電路芯片，該芯片集光電轉換、信號解調和放大功能于一體，有3個引腳，分別接電源VCC、地GND、信號輸出端口OUT。當收到38kHz調制紅外線時，OUT輸出為“0”，平時OUT輸出為“1”。信號腳接到8255A的PC端口上，這樣，紅外接收信號就通過8255A傳送給MCS－51單片機。

圖3 紅外接收電路圖

2 車輛識別

2.1 紅外掃描原理

MCS－51單片機首先將01H傳送至8255A的PC端口，從而選定第一塊紅外發射電路板。再將01H傳送給PB端口，則PB0為“1”，PB1～PB7為“0”，PB0觸發第一組紅外二極管發射出紅外線。同時，紅外接收電路會將接收信息傳送給PA端口。如果PA端口的高3位或低5位中的2位接收到“0”，則判斷為紅外線阻斷有效，并將阻斷狀態字第1位置“1”；否則，判斷紅外線阻斷無效，阻斷狀態字第1位置“0”。當小物體（如飛鳥等）在近距離遮擋分離器的接收端時，不會同時遮擋2塊接收電路板，這樣設計可以避免不必要的誤判。

第一組紅外二極管檢測結束后，將PB端口進行左移位運算，再掃描PA端口，判定第二組紅外二極管阻斷狀態。以此類推，完成被選發射電路板上8組紅外二極管的阻斷檢測。

第一塊紅外發射電路板掃描結束后，將PC端口進行左移位運算，再依次檢測第二塊電路板上的各組紅外二極管阻斷狀態。以此類推，完成8塊發射電路板上紅外二極管的阻斷掃描，即分離器完成1次紅外掃描。

此設計中定義了8個當前阻斷狀態字和8個先前阻斷狀態字，用來記錄分離器本次掃描和上一次掃描中8塊發射電路板的紅外阻斷情況。通過這2組狀態字的比較，可以判斷車輛的行駛情況。

2.2 車輛到達識別

首先，將到達識別計數器置“0”。當紅外分離器完成1次掃描時，如果8個當前阻斷狀態字的前3個或后5個中2個不為“0”，則判定分離器阻斷有效，并將到達識別計數器加1；否則，判定分離器阻斷無效，并將到達識別計數器置“0”。當小物體（如飛鳥等）在近距離遮擋分離器的發射端時，不會同時遮擋2塊發射電路板，即不會2個狀態字同時為“0”，這樣設計可以避免不必要的誤判。當到達識別計數器累加到50時，即分離器阻斷時間大約500ms時，判定為車輛到達。

2.3 車輛駛離識別

車輛駛離識別分為正常駛離識別和強制駛離識別。8個當前阻斷狀態字全部為“0”時，即發射單元發出的紅外線全部被接收單元檢測到時，判定為車輛正常駛離。分離器應用于車輛通行判定時，分離器的車輛駛離信號作為車道欄桿機桿臂下落的觸發信號。當實際車輛駛出收費車道時，如果分離器未作出正常駛離識別，則收費員會發現欄桿機桿臂未落，并作出車輛模擬通行操作。收費計算機會將模擬通行信號發送給車輛分離器，促使分離器作出強制駛離識別。分離器應用于計重數據判定時，8個當前阻斷狀態字若不全為“0”，但到達識別計數器已被置“0”，當前狀態字與先前狀態字相同，且上述狀態持續60s，分離器會作出強制駛離識別。

強制駛離識別是由于硬件故障或積灰遮擋導致。這時，分離器會自動作出故障識別處理，并將無法正常工作的發射二極管或接收電路板標識出來。當再次車輛識別掃描時，分離器會略過標識故障的硬件，從而正常識別車輛的通行狀態。分離器的故障識別與前面所述的紅外掃描類似，這里不再贅述。

3 結語

本設計克服了傳統紅外車輛分離器環境適應能力差的缺點，避免了飛鳥、降雪等情況的干擾，并能標識和處理簡單的故障。

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