基于各向异性磁阻传感器的车辆监测系统设计[图]

摘要：针对感应线圈式车辆检测器的不足，设计了一种基于各向异性磁阻传感器(AMR)的非接触式智能车辆监测装置，能监测车辆的到达时间、类型、方向和车速等基本信息。系统主要由采集系统和显示系统两个独立的部分组成。给出了系统的硬件设计以及程序流程图，并利用实验数据绘制曲线图，表明了设计原理和计算方法正确性。

汽车大都属于铁磁构造，在地磁场中可以看做双极性磁铁，汽车磁场会对地磁场产生扰动，引起地磁场磁力线的畸变。汽车在静止及行驶时运动速度和方向不同，对地磁场的扰动也不同，据此可通过检测磁场扰动的特性，判断车辆信息及行驶状态[1-2]。传统的监测方法是通过感应线圈式车辆检测器进行探测，检测精度高，性能稳定，但是探测线圈体积大，安装维护比较复杂，工程量大，且易于损坏。高灵敏度、高精度磁阻传感器的出现为车辆监测提供了新的手段，磁阻传感器可检测动态、静态的车辆，对车速估计、车型分类等都具有较好的效果。本文介绍了一种基于磁阻传感器HMC1043的智能车辆监测系统。

1 系统设计

系统主要由数据采集装置和显示装置两个独立部分组成，两个数据采集装置对应一个显示装置。数据采集装置由传感器电路采集磁场信号、典型的信号处理电路将磁场信号转换成数字信号，MCU采集、压缩数据，将数据通过射频发射模块发射。射频接收模块接收两个采集装置发送的数据，送入MCU进行计算、识别匹配，并控制LCD显示。通过串口和网口、还可以将接口数据进一步发送给计算机存储、处理。

1.1 硬件总体设计

数据采集装置和显示装置的硬件组成框图如图1所示。

1.2 HMC1043磁阻传感器原理及使用

各向异性磁阻传感器AMR是在强磁场下将铁镍合金薄膜沉积在硅衬底上制成，沉积的时候薄膜以长条带的形式分布。在有电流通过薄膜带时，施加一个被测磁场B，则磁化强度方向与电流方向的夹角θ发生变化，引起电阻阻值变化(ΔR/R)。四个这样的磁阻接成一个惠斯通电桥，位于磁场B相对位置的两个磁阻阻值增加，另外两个磁阻的阻值减小，在其线性范围内，电桥的输出电压与被测磁场成正比。图2为磁阻传感器原理图[3-4]。HMC1043是霍尼韦尔公司的三轴AMR传感器，由三个相互垂直的这种惠斯通电桥组成，能测量空间三维方向的磁场，测量范围±6G，分辨率120μG。

在有强磁场干扰时，磁阻传感器的精度和灵敏度下降，利用强脉冲电流产生强磁场使磁阻的磁畴重新沿着敏感轴方向有序排列，恢复AMR传感器的最佳特性[4]。HMC1043的SR+和SR-置位/复位引脚之间有一个2.5Ω的铁磁性电阻，可用7555定时器产生周期时钟信号，控制IRF7105产生置位/复位脉冲电流，如图3所示。

1.3 信号处理电路设计

磁阻传感器输出的模拟信号最小只有不到0.5μV，需要放大电路进行放大、滤波，然后输入A/D转换电路，再将得到的数字信号送入控制芯片MCU，通过射频发射模块发射到接收端。射频接收端接收到数据后由MCU按照指定的算法计算、分析数据，计算车速，匹配车型，辨别方向，并把通过时刻、车型、方向、车速一起送入LCD显示模块显示，也可通过相关的接口将数据送入计算机存储。经过计算传感器输出的模拟信号放大140倍，适合+2.5V参考电压的16位精度A/D转换芯片。运算放大器OPA4376，最大25μV偏移电压、5.5MHz频宽、7.5nV/噪声密度，引入噪声很小；小于950μA静态电流，+5V单电源供电，有利于系统降低功耗。在放大器的反馈回路接入电阻R(12.4kΩ)和电容C(150pF)组成截止频率50kHz的低通滤波器，对反馈输入信号低通滤波，缩小信号带宽，滤除高频噪声。

ADS8343是一个低功耗、16位精度的模数转换芯片，转换速率100kHz，+5V直流电源供电，参考电压设置+2.5V。使用其中三个通道把采集的三路模拟信号转换为数字信号，空闲时进入关断模式，降低功耗，适用于电池供电的低功耗系统。

1.4 MCU控制电路