基于51单片机的红外车辆分离器设计

张海涛

（辽宁省高速公路管理局营口管理处，辽宁 营口115000）

0 引言

目前，红外车辆分离器已经广泛应用于高速公路收费系统中。在收费系统运行过程中，红外车辆分离器通过红外线的同步扫描来确定车辆通行的开始和结束信号，保证通行或计重数据与车辆的对应关系。

1 红外车辆分离器的硬件设计

1.1 红外车辆分离器的系统组成

红外车辆分离器由红外发射单元、红外接收单元和核心控制单元组成。红外发射单元由8块红外发射电路板构成，每块电路板包括8组红外线发光二级管。二极管分为2排安装在发射单元的印刷电路板上，2排的间距为20mm。每组红外二极管由发射单元的驱动电路驱动。红外接收单元由8块红外接收电路板构成，每块电路板上的RPM6938芯片负责接收发射单元的红外信号。核心控制单元以MCS－51单片机为核心控制部件，采用8255A芯片扩展I／O端口，以控制发射单元的信号发射和接收单元的信号监测。

如图1所示，MCS－51单片机将8255A设定为工作模式，并将A口规定为输入方式，B口和C口规定为输出方式。A口用来监测红外接收单元的数据，判断分离器是否被车辆遮挡。C口用来逐一选定红外发射单元的8块电路板，B口提供用来驱动被选发射电路板上各组发光二极管的发射信号。

图1 红外车辆分离器系统组成图

1.2 红外发射电路的设计

红外发送电路由74Ls08芯片与门、载波振荡电路和红外发送管驱动输出电路组成，如图2所示，本设计采用38kHz的载波信号，载波电路采用555组成稳定的石英晶体振荡电路。载波信号与8255A的PB端口提供的发射信号进行逻辑“与”运算后，通过三极管驱动到红外发光二极管。例如，当单片机PB0输出为“0”时，第一组发光二级管不发光；当单片机PB0输出为“1”时，第一组发光二级管发出调制红外线。

1.3 红外接收电路的设计

图2 红外发射电路图

红外接收电路（图3）采用RPM6938集成电路芯片，该芯片集光电转换、信号解调和放大功能于一体，有3个引脚，分别接电源VCC、地GND、信号输出端口OUT。当收到38kHz调制红外线时，OUT输出为“0”，平时OUT输出为“1”。信号脚接到8255A的PC端口上，这样，红外接收信号就通过8255A传送给MCS－51单片机。

图3 红外接收电路图

2 车辆识别

2.1 红外扫描原理

MCS－51单片机首先将01H传送至8255A的PC端口，从而选定第一块红外发射电路板。再将01H传送给PB端口，则PB0为“1”，PB1～PB7为“0”，PB0触发第一组红外二极管发射出红外线。同时，红外接收电路会将接收信息传送给PA端口。如果PA端口的高3位或低5位中的2位接收到“0”，则判断为红外线阻断有效，并将阻断状态字第1位置“1”；否则，判断红外线阻断无效，阻断状态字第1位置“0”。当小物体（如飞鸟等）在近距离遮挡分离器的接收端时，不会同时遮挡2块接收电路板，这样设计可以避免不必要的误判。

第一组红外二极管检测结束后，将PB端口进行左移位运算，再扫描PA端口，判定第二组红外二极管阻断状态。以此类推，完成被选发射电路板上8组红外二极管的阻断检测。

第一块红外发射电路板扫描结束后，将PC端口进行左移位运算，再依次检测第二块电路板上的各组红外二极管阻断状态。以此类推，完成8块发射电路板上红外二极管的阻断扫描，即分离器完成1次红外扫描。

此设计中定义了8个当前阻断状态字和8个先前阻断状态字，用来记录分离器本次扫描和上一次扫描中8块发射电路板的红外阻断情况。通过这2组状态字的比较，可以判断车辆的行驶情况。

2.2 车辆到达识别

首先，将到达识别计数器置“0”。当红外分离器完成1次扫描时，如果8个当前阻断状态字的前3个或后5个中2个不为“0”，则判定分离器阻断有效，并将到达识别计数器加1；否则，判定分离器阻断无效，并将到达识别计数器置“0”。当小物体（如飞鸟等）在近距离遮挡分离器的发射端时，不会同时遮挡2块发射电路板，即不会2个状态字同时为“0”，这样设计可以避免不必要的误判。当到达识别计数器累加到50时，即分离器阻断时间大约500ms时，判定为车辆到达。

2.3 车辆驶离识别

车辆驶离识别分为正常驶离识别和强制驶离识别。8个当前阻断状态字全部为“0”时，即发射单元发出的红外线全部被接收单元检测到时，判定为车辆正常驶离。分离器应用于车辆通行判定时，分离器的车辆驶离信号作为车道栏杆机杆臂下落的触发信号。当实际车辆驶出收费车道时，如果分离器未作出正常驶离识别，则收费员会发现栏杆机杆臂未落，并作出车辆模拟通行操作。收费计算机会将模拟通行信号发送给车辆分离器，促使分离器作出强制驶离识别。分离器应用于计重数据判定时，8个当前阻断状态字若不全为“0”，但到达识别计数器已被置“0”，当前状态字与先前状态字相同，且上述状态持续60s，分离器会作出强制驶离识别。

强制驶离识别是由于硬件故障或积灰遮挡导致。这时，分离器会自动作出故障识别处理，并将无法正常工作的发射二极管或接收电路板标识出来。当再次车辆识别扫描时，分离器会略过标识故障的硬件，从而正常识别车辆的通行状态。分离器的故障识别与前面所述的红外扫描类似，这里不再赘述。

3 结语

本设计克服了传统红外车辆分离器环境适应能力差的缺点，避免了飞鸟、降雪等情况的干扰，并能标识和处理简单的故障。

［1］胡汉才.单片机原理及其接口技术［M］.北京：清华大学出版社，2004

［2］张洪奇，刘金明.智能加热型红外扫描车辆分离器工作原理和实现［J］.中国交通信息产业，2010（3）

［3］Anson Lee，卢兴中.STI车辆扫描系统在智能交通领域的应用［A］.第七届中国高速公路信息化管理及技术研讨会［C］，2005

［4］毕欣，何柏涛，曹云侠.高可靠性红外车辆分离器设计与应用［J］.微计算机信息，2007（14）