success_系列单片机线圈检测的设计与实现

1、 基于C8051F 系列单片机线圈检测的设计与实现 郭 晏 （东南大学仪器科学与工程系 22002114）摘要： 近年来线圈检测在智能交通系统得到了广泛应用，且正在逐步推广应用到其他领域。本文首先介绍了线圈检测的原理，并在此基础上针对线圈检测易受外界环境因素的影响，提出一种软件动态刷新基准的方法来提高检测的可靠性和准确性，然后详细讨论了基于C8051F系列单片机实现此类检测器软硬件设计的要点，并给出了外围线圈检测电路原理图。关键词：C8051F系列单片机；线圈检测；可编程计数器阵列。Abstract：Recently，coil detector is applied in intelligen

2、t communication system popularly and is gradually applying to other fields. This paper firstly introduces the principle of coil detector and presents a method of dynamically refreshing the standard in software for this detector is sensible to the environment. This method can improve the reliability

3、and accuracy of detection. Then, it discusses about designing detectors based on C8051F series MCU in detail. Meanwhile, the schematic of periphery circuit is presented. 一、引言随着我国经济的发展，智能交通行业也已悄然兴起，车辆检测器作为交通信息采集的一个重要组成部分，越来越受到业内人士的关注。车辆检测器以机动车辆为检测目标，检测车辆的通过或存在状况，其作用是为智能交通控制系统提供足够的信息以便进行最优的控制。目前国际上常用的

4、车辆检测器，主要有环形线圈车辆检测器，视频车辆检测器和微波车辆检测器，其中环形线圈车辆检测器由于其高准确率，低成本，及高可靠性而被大量使用，并且线圈检测在一些非传统领域也得到了推广和应用。二、原理 线圈检测是一种基于电磁感应原理的检测器，传感器线圈为通过有一定电流的环形线圈#当被检测铁质物体通过线圈切割磁力线#引起线圈回路电感量的变化，检测器通过检测该电感变化量就可以检测出被测物体的存在。检测这个电感变化量一般来说有两种方式：一种是利用相位锁存器和相位比较器，对相位的变化进行检测，另一种方式则是利用由环形线圈构成回路的耦合电路对其振荡频率进行检测。本文采用了后一种检测方式，但线圈检测易受湿度、

5、温度等外界环境的影响#在一些产品中采用实时检测的同时检测环境温度、湿度来动态调整检测基准。 虽然这种实现方案提高了准确性，但同时也提高了成本，增加了设计的复杂度。针对这种情况，我们提出了一种软件动态刷新检测基准的方法，并采用C8051F系列单片机的片上资源PCA对线圈频率进行检测，有效提高了检测的准确性和可靠性。三、硬件电路线圈检测的硬件电路如图1所示，上半部分是共基放大电路的电容反馈式振荡电路，其中单片机的P0.5口线用来控制三极管的开启。当P0.5口线为高电平时三极管截止，振荡电路不工作；当P0.5口为低电平时，振荡电路工作，此时AOUT为正弦波形输出。经过下半部分的LM393的电压比较器

6、整形后为相同频率的脉冲信号输入到单片机的ECI引脚。其中CN1插座外接传感器环行线圈，它等效为一个感性器件，实际上也是耦合振荡电路的一部分，当有铁质物体在环行线圈上，由于铁质物体使环行线圈的电感值减小，从而使得振荡电路的频率发生改变，这样单片机就可以通过对ECI输入的单位时间里脉冲个数或累计一定数目脉冲所需的时间的变化来判定是否有铁质物体停留或者通过环行线圈了。 本文所讨论的线圈检测电是基于Silicon Labs公司的C8051F系列单片机实现的。C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片（SoC），具有与8051兼容的高速CIP-51 内核，与MCS-51指令集完全兼容， 片内集成了

7、数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件。为了准确计算ECI输入脉冲的频率，我们正是利用C8051的片上资源可编程计数器阵列PCA，与标准8051的定时器/计数器相比，它需要较少的CPU干预。PCA有一个专用的16位定时器和5个16位比较/捕捉模块组成，每个比较/捕捉模块都有自己的I/O线(CEXN),这些I/O线可以通过交叉开关连到端口I/O.在本设计中,利用ECI输入脉冲作为PCA的时基,比较/捕捉模块0的I/O线CEXO通过交叉开关连到端口P0.0上,且将外部中断/INT0设置到P0.0口线上。 将定时器T0设置为门控方式，可编程计数器阵列PCA的时基有多种选择，我们这里将

8、设置为高速输出方式，这样当PCA对其时基ECI输入脉冲计数累计到与设定值发生匹配时,CEX0的电平就反转一次并且产生PCA中断/INT0由于外部中断/INT0也是对应到CEX0所连接的端口P0.0, 因此CEX0的电平反转就控制着定时器T0的开启与关闭.可以看出,利用C8051系列单片机片内外设PCA,及门控时钟方式能更准确地测量出累计一定数目脉冲所需的时间,从而有效提高了判定结果的准确性。图线圈检测的硬件电路四、软件设计 （1）有无铁质物体的判别 正常情况下，无铁质物体在环行线圈所在位置时，耦合电路的振荡频率保持恒定，单片机累计一定数目的脉冲所需的时间基本不变，当有铁质物体在环行线圈所在位置

9、时，由于耦合电路振荡频率的增大，累计一定数目的脉冲所需的时间就减少了。但是由于铁质不均匀，所以当铁质经过环行圈时累计一定数目的脉冲所需的时间是变化的，为此在软件设计中采取阀值比较法，假设无铁质物体在环行线圈位置时，累计M数目的脉冲所需时间为TBASE，则当基准时间TBASE与所测时间T的差值超过所设定的阀值V时，即当TBASE-T0V时则判定为有铁质物体在环行线圈所处位置。这里注意要检测到高速经过环行线圈的铁质物体，M的值要取得尽量小，但是又不可太小，如果太小时间增量不明显且阀值V的值不太好选取，应根据实际应用场合适当选取。主程序流程图如图2 所示，即每隔一定时间对ECI输入的脉冲进行一次测算

10、以判断当前状态（有无铁质物体在环行线圈上）。设定测算时间到后启动一次测算过程，一次测算包括启动定时器T0计数和停止定时器T0计数两次匹配，所以会产生两次PCA中断。首先打开PCA计数器，设定启动计时的匹配值S，当PCA计数器计数到S时发送匹配，此时CEX0电平反转为高电平（/INT0为高）启动定时器T0开始计时，并且进入PCA中断服务程序，PCA中断服务程序流程图如图3所示。进入中断后再将需累计的脉冲数目M与启动时的匹配值S之和S 作为完成此次测算的新匹配值。这样，当PCA计数到S 时，定时器T0的值即为累计M数目的脉冲所用的时间。 （2）判定基准的动态刷新 由于耦合电路的振荡频率随温度、湿度

11、等外界因素变化比较大，如果设置一个固定的基准值可能会造成误判而影响设计的可靠性和准确性。因此在本设计中， 将无铁质物体在环行线圈上时累计M数目的脉冲所需的时间作为基准,并且每间隔一段时间就对基准进行刷新,使得基准和实际变化尽量保持一致来保证设计的可靠性和准确性。在设计中我们将第一次测算的时间默认为基准（即第一次默认无铁质物体在环行线圈上），如果当前测算的结果T0-TBASEV时，说明当前状态为无铁质物体，而先前默认的基准值为有铁质物体的情况，故需重新设置基准为当前值T0，即取TBASE=T0 ；对于其他情况，按在每次测算启动计时进入PCA中断服务程序中时，如果刷新时间到，若当前状态为无铁质物体，则将基准值刷新为当前T0值，即TBASE=T0；若当前状态为有铁质物体，则不刷新。定时刷新基准的操作在PCA中断中进行，如图3所示。 图2 主程序流程图 图3 PCA中断服务程序流程图五、结语 本文所提出基准动态刷新的线圈检测方法可靠性高，且具有通用性。通过一定的功能扩展可用来测量诸如车流量、车队长度、占有率等一系列的交通参数而应用在多种场合。而基于C8051系列单片机对输入脉冲信号的频率测算方法从硬件上有效地提高了准确性。此方法亦可应用于需要较准确测算信号频率的场合。参考文献：1李建忠, 单片机原理