基于各向异性磁阻传感器的停车场车位检测应用毕业设计(编辑修改稿)

基于各向异性磁阻传感器的停车场车位检测应用毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

基于红外的探测技术。 12 4） 感应线圈技术。 5） 地磁传感技术 目前射频识别智能停车系统已经被很多停车场采用，车主开车进入停车场向入口处的通讯器刷一种经过特制的射频卡，射频卡里存储着车的各类信息，然后次通讯器记录下这辆车进入的对应时间并将剩余车位的数量减一， 从而就可以实现对车主停车的计费以及空闲车位的数量统计于反馈。 本课题中并不采用这种方式，原因是这种方式要给每位车主配一张射频卡，而这样的办法显然是很不方便的，而且这对于非停车场下的停车位进行管理更是很困难的。 超声波感应技术 ，是一种应用也比较广泛的技术，它的具体工作方式就是在 车位的正上方安放一种频率大于 20KHZ 的超声波发生器，如果有车停在上面的时候发生器就会接受反射回来的超声波，从而判定车位的空缺与否，此方案的缺点就是如果周围环境产生的高频噪声 ，就有可能造成车位是否空余的误判。 此外，还存在发生器发生的超声 波可能被其它的（非配套的）的接收器所接受以造成区域车位有无的错误判别。 除此之外，这种系统还有一个很难接受的缺陷，就是它要安装发生器和接收器并且要正向安装，如果在室内停车场的话还能较好的实现，但是对于一些室外的路边停车位来说，这样就面临了很大的困难，而且成本也会大大的提高。 红外探测技术也应该说已经相当成熟，各种光电开关和接触开关在市场上也越来越多，且其应用也越来越广。 其优点在于稳定性高，技术相对较成熟，并且电路易于实现。 但是现在的市场上并没有基于此类方法做出的整套智能管理系统，目前也都只停留于理论阶段。 原因 也很简单，就是比较容易受到一些光源和热源的干扰而引起的误判，并且对车辆的区分度也不是很好。 自上世纪 60 年代起，采用线感线圈作为车位检测器成为当时的主流并且也都沿用至今。 其工作方式就是将感应线圈埋在路面表层，当有车辆经过线圈时，车辆上自带有的一些金属就会对其附近的磁场进行扰动，这就会使感应线圈的电感变化产生电流，而其工作原理就是利用感应线圈的这种变化就可以判断是否有车辆停在车位上。 所以基于感应线圈的车位检测器也被认为是相对成熟的 车辆车位检测设备，可是它也有自身的一些缺点： 1）感应线圈的安装需要切开地面，施工 庞大而复杂。 2）线圈很容易断裂或被其它东西切开，而只要线圈出现物理问题，那么维护起来就会变得很麻烦，还会造成交通得极大不方便。 3）感应线圈受周围的外界环境的干扰比较大。 4）其可以被使用的时间相对来讲是比较短的， 而且在一段时间的使用后还会使测量精度下降，这样就很容易引起误判。 综上所述，这些传统的停车位检测方法对周围安装环境的要求比较高，所以使用场合 13 有限，且价格昂贵，其准确性受外围环境的影响比较大。 因此开发一种新的新型的稳定的适用性强的停车位检测器来替代传统成形的产品 已经变成亟待解决的问题。 近些年，地磁的测量 和感应技术发展迅速，相应的应用场合也越来越多，普及性也越来越好。 因此本文决定采取这一种技术来进行车位的检测，并认为这是一种可取的方式，有开发潜力的方式。 利用高灵敏磁阻传感器可以快速并有效的检测周围磁场的变化，而汽车经过地磁传感器周围的时候，就会对地球磁场产生干扰，而各向异性磁阻传感器可以有效的探测周围地球磁场的变化，后期再根据这一变化的数据来判断车辆的存在性。 磁阻传感器可以安装在车位下面或者埋在地下，相比于传统方式，其检测停车位的优点有： 1）如果要埋在地下，那么需要切开的地面范围很小。 2）芯片为集成芯片，属 于精密封装，不容易被损坏。 3）受外界的干扰相比之下要小的多，几乎不受电磁波的干扰，对大多数的外界环境变化呈惰性反应。 4）耗电量极小，可用电池供电，维护很方便。 本课题也就将要讨论基于地磁传技术的停车位的检测的设计与实现。 1． 3 基于各向异性磁阻传感器的车辆检测技术研究现状 近年来，随着地磁传感器器件的生产兴起，直接的促使了有关地磁研究的检测技术的快速发展，此外由于通信技术的发展和通信方式的多样化，一些国内外人员都开展了很多基于地磁传感器的地磁传感技术用来对车辆惊醒检测，其中包括对车型的甄别，对车行驶方向的判别，车 流量的检测，当然也还有地磁传感器的停车位检测的应用。 并且都研究了传感器的摆放位置，（车位上，车位边），与车的相隔距离。 并且都针对各种情况也都提出了自己的解决算法。 曾有韩国人采用单轴 AMR 传感器进行 了 辆检测的测试 [2]。 实验时候，车辆从地磁传感器的上方经过，然后通过分析车辆经过 AMR 传感器时传感器的数据输出，研究了敏感轴与该车辆行驶方向的呈不同状态下的影响。 传感器与车辆摆放距离不同时的影响和效果，并也实验了用不同车型的车辆对磁阻传感器输出的影响。 有自美国某公司的 Caruso 等人进行了类似的研究 [2]，但让 门另外使用了有三轴的 AMR地磁传感器。 与韩国人曾做的实验 不同，他们把传感器安装在了车辆行驶的路线的侧面，这种方式就是便于安装，尤其对于单车道马路或一些路边停车的一些停车位，与此同时，这种安装方式对于多车道停车以及大型停车场则表现的无能为力，他们分析得到的利用AMR 传感器就可以检测是否有车辆经过或者停有车辆。 此外，双轴 AMR 传感器除了可以探测车辆的存在性，而车辆的行驶速度，也能够通过一定的算法得出。 而三轴的传感器，由算法经过处理，还可以进行车辆类型的判断，这样就可以智能的对车辆进行分类，这些 14 功能基本囊括了交通 检测之中 大多数的有价值的量，因此利用此方案进行交通检测就变得非常有前景，并且很有推广的需要。 本文立足于解决大小型城市的停车烦恼，因此也是对于停车位检测的深层探究，并可以实时检测城市中车停位具体的占用情况，也就是车辆的“存在性”。 本文的主要工作和章节安排 城市的车位检测 技术的发展已经迫在眉睫，既可以为使用者提供很大的便利也可以提高社会交通系统的运转效率 [1]。 本文主要设计了基于 AMR 传感器的城市车停位检测系统，围绕此主题，全文的章节安排如下： 第一章首先简要的介绍了课题研究的背景以及意义，也比较了以前常用 的车停位检测技术的优缺点，也阐述了基于三轴 AMR 传感器应用于车位检测的研究现状，最后阐述了论文的结构安排。 第二章主要介绍了 AMR 车停位的检测系统的原理。 首先，讲述了 AMR 传感器的工作原理，然后也分析了它的特点，最后回到文章主题，阐述了利用 AMR 传感器适用于车位检测的原理。 第三章详细的介绍了基于 AMR 传感器的车位检测系统的总体设计思想，随后也介绍了各个模块的一些设计方案，有检测模块，通信模块。 也讲述了所用芯片的一些选型 以及电路的设计和要注意的地方。 第四章阐述了系统中要用到的一些关键技术正是由于这种关键技 术的结合才能让系统在已有的硬件基础上合理的准确的运转。 此技术包括微控制器对传感器数据的准确读取，传感器通信网络的组成与建 立，最后也详细的介绍了本文中对车位检测所用到的算法。 第五章首先介绍了此系统的一些基本工作流程，然后给出了系统经过了实地的功能测试，并对结果进行总结分析。 表明了系统运行可靠且具有准确性。 第六章对本文做了一个总结并做了自己对于地磁传感技术发展的一些展望。 第二章 基于 AMR 传感器的车停位检测原理 磁阻效应 地球磁场属于地球的宝贵资源之一，随着科技的飞快发展，近些年尤其是传感器技 术的告诉发展，已经有了很多检测地球磁场的传感器，它们都可以精确地检测到地球磁场， 15 而一些新型的传感器已经不单单只是来检测磁场的大小了 [4]。 且基于这些传感器的开发的应用也越来越多，其中车停位的应用就是其中比较重要的一个。 AMR 传感器是非常适合于工作在地球磁场范围内的一款传感器件，且具有灵敏度高，体积小，功耗低和抗干扰能力强等一些特点。 本节将 介绍基于 MAR 传感器的车位检测原理。 2． 地磁场 地球是可以被视为一个南北方向的巨大磁体，其磁场强度大约是 至 高斯，其方向指向地磁北极（地球上任意一点的磁场都指向地 磁北极。 而作为地球固有资源的地磁场它是地球系统的基本物理量，它的存在不仅为航空航海提供了标准的参考系，而且直接影响着地球上一些带点物体或磁物体的运动特性 [5]，在一个相对广阔的区域内磁场强度基本是恒定的 ，此一重要的特性是 AMR 传感器得以实现车停位检测的大前提。 2． 1． 2 磁阻效应 当外界磁场发生变化时，有些金属的电阻值也会随着发生变化，这种现象就称为磁阻效应，磁阻效应产生的一个原因就是载流子在磁场中受到了洛伦兹力的作用。 而载流子就会聚集在两端随之产生霍尔电场，这样就是使电子沿电流方向做螺旋式的运动，也就增 大了传导电子的散射截面从而变向的增大了电阻。 对于铁、钴及其合金构成的这类强磁金属，当磁体内部磁化方向与外加磁场平行时其电阻几乎不随磁场的变化而变化，而金属内的磁化方向与外加磁场产生偏离时这类金属的电阻值将减小，这种现象就是强磁金属的各项异性磁阻效应 [7]。 用具体的例子来说，当沿着一个沉积在硅衬底上的长而薄的坡莫合金带的长度方向施加一个磁场，其合金带的阻值就会发生变化，这就是磁阻效应。 惠斯通电桥就是各向异性磁阻传感器的基础电气元件。 由四个磁阻组成的惠斯通电桥，电桥的供电电源为 bV ，电阻中有电流流过，在电桥上施加一个偏置磁场 H ，两个相对放置的电阻的磁化方向朝着电流的方向转动，引起的电阻阻值增加 R ，而另两个相对放置的电阻的磁化方向是背向电流的方向转动，这就会引起电阻阻值减小 R。 电压输出为bout VRRV ，由此可以得出输出的外加磁场的变化可以通过输出的电压变化来表示。 这就是各向异性磁阻传感器的工作原理 [1]。 AMR 传感器的自身特点 AMR 传感器自身提供了一个很好的方法来检测地球磁场 ，并且就算周围的环境比较恶劣， 16 这对它的影响也会很低 [3]。 与其它的类型的传感器相比较，它有自身的优势和一些特点： 1） 在准确度高的前提下，其检测灵敏度也很高。 2） 电磁噪声并不能对传感器造成影响。 3） AMR 传感器的成本低，及其利于推广和应用。 4） 其电路也很简单，易于实现，因此其稳定性也相对较高。 5） 它的功耗很低能够达到节约能源的目的，并且可以使用可携带式的电源，这样就避免了铺线的繁琐。 综上所述的 AMR 传感器所拥有的上述优点，以及实际情况中检 测系统的实际需要，最终选择此款传感器作为车停位检测系统的传感器元件。 构成 AMR 地磁感应检测器。 2． 3 车停位检测原理 由地球的磁场的强度约为 高斯，且其在一个广阔的区域内磁场强度基本是恒定的，因此对于车检器来说，检测范围在 10 米以内，就可以认为此范围内的地球磁场时恒定不变的。 只有当铁磁性物体进入传感器的检测范围内后，它就一定会对周边的磁场分布情况进行扰动 [6]。 汽车可以被看作是多个双极性磁铁所构成的模型，分别由进入的车辆前端发动机和车轮以及车辆内部的一些其它铁磁性物体对地球磁场产生的扭曲和畸变 [11]。 不论铁磁性物体的运动状态是什么样的，静止的也好，运动的也好，都由于汽车内部本身的铁磁性物质的存在，都必定会影响原本分布比较均匀的地球磁场。 只要当车辆出于AMR 传感器的检测范围内时， AMR 传感器就能够检测出这种影响 [6]。 由于车辆不同部位含铁磁性物体的量是大不相同的，这就说明车辆的不同部位对地球磁场的影响也大不相同。 就一般车辆而言，车辆的发动机部位和车轮部位是代检车辆对 地球磁场影响的最大的两个部位。 磁阻传感器可以感应到磁场其测量范围内磁场分布的微小变化，因此就会引起内部电阻的阻值进行相对应的影响 和变化，从而输出的电路中的电流电压也随之将发生变化，然后通过一些列的信号处理，就可以将电流或者电压值经过模数转 化后输出到控制器，而控制器也将记录连续的电流或电压，通过对数据信号的分析和处理就能最后得出代检区域的停车位基本信息。 除此之外，也可以对这些数据进行一些其它的算法处理，就可以最终得出代检测区域的车辆的车速和车流量等。 各向异性磁阻传感器通过检测周围磁场的改变就可以来判断车停位上是否停有检测车辆，此检测部分也就成为车位检测系统中最底层也是最重要的部分，其检测部分的检测精准度也是决定了系统中整个的检测精准 度。 17 2． 4 本章小结 本章节主要阐述了 AMR 磁阻传感器为什么可以被用来作为车停位检测系统中的最前端的检测部分。 先从自然界存在的磁阻效应说起，讲述了一些引起磁阻效应的客观原因，然后又说明了利用磁场效应而制作成的 AMR 传感器的基本原理，证明了 AMR 传感器为什么可以敏感的探测到磁场的变化，之后还列举了 AMR 传感器的自身特点，并最终得出结论，证明此传感器非常适合车停位检测系统的需要 [10]。 最后又系统的阐述了车位检测的原理，即由于车辆本身就可以被看作是多个铁磁性物体，所以它的存在势必将扰乱原本存在的地磁场的排序。 而 AMR 传感器本身又是一款测量精度高的传感器，因此就可以利用它的特性来检测车停位上车辆的存在性。 第三章 车停位检测系统的总体硬件设计 车停位检测系统的总体设计概述 本文中的车停位检测技术设计的总体思路是在每个车停位上 的正下方距离地面大约五公分的位置安放一个前端传感器节点，并一次来判断相应车停位上车辆的存在性，然后经过无线模块可以将数据进行远程透传，然后交付给车停位检测系统中的总数据控制基站。 该基站也是由无线模块作为数据接受的前端然后控制中心和传输介质，并最终将车停位信息通过 RS485 传输给应用。