車(chē)輛軸載質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：介紹了一種基于24位A/D轉(zhuǎn)換器AD7714和AT89S52的兩級(jí)分布式便攜式車(chē)輛軸載質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在車(chē)輛行駛狀態(tài)下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示、存儲(chǔ)測(cè)車(chē)日期、車(chē)型、車(chē)類(lèi)及相應(yīng)的軸載質(zhì)量、總質(zhì)量，超載信息；并具有查詢(xún)、打印等功能。投放市場(chǎng)兩年來(lái)的結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠、使用方便，對(duì)于有效避免超載現(xiàn)象及由此引發(fā)的交通事故，延長(zhǎng)公路的使用壽命，起了很大的作用。
關(guān)鍵詞：AD7714；車(chē)輛軸載質(zhì)量；超載

1 引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，公路運(yùn)輸業(yè)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的支柱產(chǎn)業(yè)之一，運(yùn)輸車(chē)輛的數(shù)量也在成幾何基數(shù)增長(zhǎng)。雖然國(guó)家明令禁止運(yùn)輸車(chē)輛嚴(yán)禁超載，但在利益的驅(qū)動(dòng)下，超載現(xiàn)象屢禁不止，并有愈演愈烈的之勢(shì)，由此帶來(lái)的交通事故也是大幅度增長(zhǎng)；同時(shí)超載對(duì)公路的破壞也是越來(lái)越嚴(yán)重，國(guó)家和人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全受到極大的威脅。據(jù)報(bào)道，在山西由于超載造成的路橋損壞一年帶來(lái)7個(gè)多億的損失；在河北，政府每年需拿出40億修補(bǔ)超載破壞的公路；在山東、天津等地，超載在給國(guó)家?guī)?lái)的損失也是數(shù)以?xún)|計(jì)；去年一年，死亡十人以上的交通事故58起，超載造成的事故28 起，占50%。血的事實(shí)告訴我們，一定要采取一定的措施杜絕超載現(xiàn)象的發(fā)生。交通稽查部門(mén)對(duì)超載車(chē)輛的檢查一般是通過(guò)目測(cè)的方式，這就使得許多超載的車(chē)輛逃脫了檢查，造成了潛在的危險(xiǎn)與破壞。車(chē)輛軸載質(zhì)量測(cè)定儀正是基于以上實(shí)際情況，從方便實(shí)用的角度進(jìn)行研究設(shè)計(jì)的便攜式儀器。只要車(chē)輛通過(guò)兩個(gè)很薄、很輕的秤臺(tái)，就可以測(cè)得軸載質(zhì)量、總質(zhì)量及是否超載的信息。

2軸載質(zhì)量測(cè)定儀的硬件設(shè)計(jì)
該便攜式車(chē)輛軸載質(zhì)量測(cè)定儀是由上位機(jī)管理控制系統(tǒng)和下位機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)組成的兩級(jí)分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。主要用于交通稽查部門(mén)的隨時(shí)稽查，具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性。

2.1 上位機(jī)系統(tǒng)的硬件組成及功能
上位機(jī)系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。該部分的主要功能是，接受牌照、車(chē)型、車(chē)類(lèi)等輸入信息；接收下位機(jī)傳遞上來(lái)的車(chē)輛軸載質(zhì)量信息；同時(shí)將該車(chē)類(lèi)型、軸載信息、整車(chē)總質(zhì)量、軸重超載與否、整車(chē)超載與否等信息以及測(cè)車(chē)的日期、時(shí)間進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、打印，作為管理及處罰的依據(jù)；并具有歷史記錄查詢(xún)、參數(shù)設(shè)置、命令下達(dá)、管理及使用權(quán)限設(shè)置等功能。

圖1 上位機(jī)系統(tǒng)硬件組成簡(jiǎn)圖

2.2 下位機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)
2.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器選擇
標(biāo)稱(chēng)15噸的稱(chēng)臺(tái)，滿(mǎn)刻度輸出電壓信號(hào)僅8mV，而系統(tǒng)要求的最小分度值僅1Kg，因此，A/D轉(zhuǎn)換器的選擇至關(guān)重要。為了滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，經(jīng)過(guò)大量比較、論證，最終，我們選擇了美國(guó)AD公司推出的一款24位分辨率的多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器件AD7714。該芯片內(nèi)集成了緩沖器、時(shí)鐘發(fā)生器、可編程增益放大器、數(shù)字濾波器、∑-Δ調(diào)制器以及電荷平衡式Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換器等電路[2]。

由于ＡＤ7714采用了∑-Δ技術(shù)實(shí)現(xiàn)Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換，使它更加不受噪聲環(huán)境的影響, 具有線(xiàn)性度好、功耗低、增益G=1~128可編程，無(wú)須前端信號(hào)調(diào)理、可編程低通濾波器截止頻率等優(yōu)良特性，非常適合于工業(yè)過(guò)程控制及便攜式儀器應(yīng)用中溫度、壓力等高精度測(cè)量[3]。

2.2.2 下位機(jī)系統(tǒng)硬件電路
下位機(jī)系統(tǒng)的硬件電路如圖2所示。主要完成對(duì)來(lái)自壓力傳感器的信號(hào)濾波、A/D轉(zhuǎn)換，接受上位機(jī)的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳以及系統(tǒng)系數(shù)的標(biāo)定、存儲(chǔ)等功能。

在該部分的硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，除一般的接口設(shè)計(jì)外，由于信號(hào)太微弱，系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)顯得尤為重要，包括傳感器激勵(lì)電源的設(shè)計(jì)、信號(hào)濾波電路的設(shè)計(jì)，以及AD7714對(duì)電源的要求，小信號(hào)對(duì)印刷電路板的設(shè)計(jì)要求等等；同時(shí)，為進(jìn)一步提高測(cè)量精度，還必須充分考慮傳感器的線(xiàn)性度。在該系統(tǒng)中，采用了傳統(tǒng)的分段線(xiàn)性化處理，取得了非常理想的效果。


圖2 下位機(jī)系統(tǒng)硬件電路圖

3軸載質(zhì)量測(cè)定儀的軟件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)的程序量比較大，這里僅給出上、下位機(jī)的主程序框圖，分別如圖3和圖4所示。


圖 3 上位機(jī)主程序框圖

圖4 下位機(jī)主程序框圖

4 車(chē)輛行駛速度對(duì)測(cè)量軸載質(zhì)量誤差影響的試驗(yàn)及分析
a、采用靜態(tài)測(cè)量的方式，即，使車(chē)輛的每一軸都分別停在秤臺(tái)上待靜止后測(cè)量，并將每一軸的質(zhì)量求和，測(cè)量誤差小于0.1%FS。
b、車(chē)行速度在5~10km/h的情況下，動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差小于2%FS。
c、 車(chē)行速度在10~20km/h的情況下，動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差小于6%FS。
d、 車(chē)行速度在20~40km/h的情況下，動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差小于15%FS。
e、 車(chē)行速度在40km/h以上的情況下，動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差大于15%FS。

圖5 行駛速度與動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差關(guān)系圖

圖6 車(chē)輪上下秤臺(tái)采樣值曲線(xiàn)

圖5為擬合前后得到的行駛速度與動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差的關(guān)系圖。
通過(guò)分析，造成這種情況的主要原因是車(chē)輛行駛的速度越快，對(duì)秤臺(tái)造成的沖擊就越大，從而得到的軸載質(zhì)量超過(guò)真值的數(shù)量就會(huì)增多，而由于采樣的速度一定，在車(chē)輪通過(guò)秤臺(tái)時(shí)采到的有效值就會(huì)偏少，這必然會(huì)造成誤差偏大。針對(duì)這一情況，以及圖6的采樣值曲線(xiàn)，采用單層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合的方法，使得在行車(chē)速度在40km以下的情況下，誤差小于5%，很好地滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)的要求。

4結(jié)束語(yǔ)
該軸載質(zhì)量測(cè)定儀是在滿(mǎn)足動(dòng)靜態(tài)測(cè)量需求的前提下，本著簡(jiǎn)單、可靠、實(shí)用、安全、方便的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)的。目前該產(chǎn)品已售出200余套，產(chǎn)值過(guò)千萬(wàn)元。從系統(tǒng)近兩年來(lái)的運(yùn)行情況來(lái)看，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，得到了市場(chǎng)的認(rèn)可。在此基礎(chǔ)上，我們將要開(kāi)發(fā)出車(chē)輛行駛速度范圍更寬（40~120km/h）的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，使系統(tǒng)的實(shí)用化進(jìn)一步加強(qiáng)，這對(duì)于規(guī)范管理整個(gè)運(yùn)輸市場(chǎng)的超載現(xiàn)象的發(fā)生，切斷因超載帶來(lái)的交通事故及危害的根源，維護(hù)國(guó)家廣大人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全將起到一定的作用。

參考文獻(xiàn)
[1] AD7714信號(hào)調(diào)理模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè). 武漢力源. 1999: 1-51
[2] 余永權(quán). ATMEL89系列單片機(jī)應(yīng)用技術(shù). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.4