壓電薄膜傳感器在自動車型分類器的應用

江西方興科技有限公司，江西南昌 330025

一、引言

隨著人工成本不斷上升，越來越多的高速公路入口將采用自動發卡機，為了杜絕在高速公路的出口收費員配合司機作弊而人為改變車型達到少交通行費，在車輛進入高速公路入口從自動發卡機取卡的同時把車型信息寫入通行卡，在出口根據通行卡內保存的該車輛信息進行收費，有效的減少了人為原因造成高速公路運營方通行費的損失。自動車型分類器是高速公路無人值守發卡系統的重要組成部分，車輛經過自動車型分類器后自動檢測出車輛的車長、軸距和軸型，并通過這些參數結合車輛輪廓對車輛進行自動分類，最后將車輛分類信息通過串口發送至自動發卡機。

本文介紹了壓電薄膜傳感器在自動車型分類器中對車輛的各種參數（車長、軸距和軸型）的檢測原理，并描述了該項目的硬件設計和軟件設計。該車型分類器對車輛各種參數的檢測主要通過壓電薄膜傳感器，無任何機械機構，具有準故障率低、確率高和使用壽命長等特點，在高速公路車型分類設備中具有很高應用前景。

二、系統設計

壓電薄膜傳感器由金屬編織芯線、壓電材料和金屬外殼制成同軸結構。當車輛經過傳感器時，產生一個與施加到傳感器上的壓力成正比的模擬信號，并且該信號輸出的時間與輪胎停留在傳感器上的時間相同。每當一個輪胎經過傳感器時，傳感器就會產生一個新的電子脈沖。

自動發卡系統由自動發卡機、自動車型分類器和欄桿機組成，示意圖見圖1。其中虛線內為自動車型分類器，主要由壓電傳感器、紅外光幕和主機等組成。紅外光幕用于檢測車輛和掃描車輛輪廓，當車輛進入自動車輛分類器工作區域時，紅外光幕檢測到車輛并啟動壓電傳感器進行數據采集。當紅外光幕檢測到車輛離開，單片機根據檢測到的壓電傳感器數據和光幕輪廓數據判斷車輛的具體型號（客1～客4，貨1～貨5），然后通過串口將車型數據發送至自動發卡機。

如圖1所示，在路面上布置有4根壓電傳感器，其中1、3、4號傳感器與車輛行駛方向垂直，用于檢測車輛行駛速度，2號傳感器斜置用于檢測輪胎單雙胎。當一根軸上的輪胎壓過這3根傳感器時會產生3個峰波，3個峰波之間的時間即為車輛經過這3根壓電傳感器的時間，已知1、3、4號傳感器之間的距離，根據距離和時間可以算出車輛經過4、3號傳感器的速度和車輛經過3、1號傳感器的速度，取平均值作為車輛經過自動車型分類器的平均速度。

同一根壓電傳感器產生的前后兩個峰波為車輛的兩軸經過該壓電傳感器的時間，該時間乘以車輛行駛平均速度為這兩根軸的軸距，兩軸汽車有一個軸距，三軸汽車有兩個軸距，以此類推。

車輛經過紅外光幕產生的開關量觸發單片機采集壓電傳器的時間乘以車輛行駛的平均速度就是該車的車長。

斜置的壓電傳感器與路面的斜角為45°，用于檢測輪胎的單雙胎，車輛經過時產生的峰波為雙峰波說明是雙胎，單峰波則為單胎。

三、硬件電路設計

自動車型分類器的硬件電路主要由單片機、電源電路、壓電傳感器及電荷放大電路、紅外光幕及RS232轉換電路、2.5V基準電壓電路、與自動發卡機串口通信的RS232轉換電路和外置RAM組成，硬件框圖見圖2。

主控單片機采用STM32F101Z，該單片機自帶A/D轉換器，并可外接基準電壓。為了提高A/D采樣的精度和穩定性，采用精度為0.2%、溫漂為15ppm/℃（0℃～70℃）電壓基準芯片REF3125為ADC提供2.5V基準電壓。外部擴展IS61LV25616AL為A/D采集和光幕輪廓數據提供緩存，該存儲器為512K字節的靜態存儲器。電源電路共有3組電源輸出，3.3V為單片機系統供電，+5V和-5V為運放組成的電荷放大器供電。單片機的三個串口分別連接紅外光幕、調試電腦和自動發卡機，其中串口0接紅外光幕用于單片機接收車輛輪廓數據，串口1接調試電腦用于上位機接收并顯示車輛輪廓和壓電傳感器的波形，串口2接自動發卡機用于將車型分類結果發送至自動發卡機。

由于壓電薄膜傳感器產生的信號十分微弱，而且輸出阻抗極高，必須通過電荷放大器就將此微弱電荷變換成與其成正比的電壓，并將高輸出阻抗變為低輸出阻抗。采用輸入偏置電流和失調電流都比較低的TL062運放組成電荷放大器，放大壓電傳感器產生的信號，電荷放大器電路見圖3。

四、軟件設計

本軟件主要由定時采集壓電傳感器數據、串口接收車輛輪廓數據、車輛參數計算、車型判斷和車型數據發送等程序組成。

軟件具體工作為，當車輛進入車型分類器工作區內，紅外光幕檢測到車輛并輸出高電平，單片機產生外部中斷，啟動定時2ms間隔時間采集壓電傳感器數據，同時接收來自紅外光幕的車輛輪廓數據，并將兩者數據存入外部RAM中。當車輛離開車型分類器工作區域，紅外光幕檢測信號恢復成低電平，單片機停止采集數據，讀取存儲在外部RAM中的壓電傳感器波形數據和車輛輪廓數據，根據壓電傳感器波形數據和光幕觸發時間計算車長、軸距、是否為單雙胎，判斷軸型，根據光幕掃描的輪廓計算車輛高度和底盤高度。綜合車輛的各種參數對車輛進行分類，并將車型分類數據通過RS232串口發送至自動發卡機，程序流程圖如圖4。

五、系統測試

為了觀察壓電傳感器采集的波形是否光滑無毛刺、車輛輪廓是否完整，通過串口連接PC電腦，由上位機軟件對這兩者數據進行復原，如圖5。

圖5中，壓電傳感器波形用4種顏色區分，分別代表4根壓電傳感器，由波形圖可以看出波形無毛刺，紅外光幕基本上把車輛的輪廓真實的掃描出來了。通過查找尖峰波的峰值確定輪胎壓過壓電傳感器的時間點。t1為車輛經過4、3號傳感器的時間，t2為車輛經過3、1號傳感器的時間。根據距離和時間計算速度v1和v2，取平均值作為車輛經過車型識別器的平均速度va。t3為車輛兩軸經過4號壓電傳感器的時間，有軸距L=va×t3。2號傳感器的尖峰波為單峰波，說明該車輛胎型為單胎。

六、結語

傳統的自動車型分類器主要為輪胎檢測器，它由多個壓力開關排列組成，通過輪胎壓力觸發壓力開關的通斷檢測輪胎經過。由于壓力開關為機械結構裝置，實際應用時由于自身的機械磨損和灰塵污垢等影響容易導致壓力開關接觸不良或失效。本系統采用壓電薄膜傳感器，沒有機械結構的開關，同時具有安裝時路面破損小、使用壽命長和性能穩定可靠等特點，通過在高速公路入口站的實際應用證明，該系統具有性能穩定可靠、車型分類準確率高等特點。