1 概述

随着我国市场经济的发展, 公路交通量迅速增长,各种载货车、 大平板车、 带挂汽车和集装箱运输车的数量和比重逐年递增, 特别是一些运输单位或个人不顾车辆、 公路承载能力及行车安全, 擅自对车辆进行改装, 增加弹簧钢板, 更换高强度轮胎, 加高、 加宽、 加长车厢栏板, 栏板上再加围篱, 围篱上又堆尖等超载现象较为普遍, 使公路、 桥梁及其附属设施遭受到严重破坏, 且由此而引发的交通事故日益增多。因此, 为了维护国家财产和人民生命安全, 保护公路完好畅通, 严格限制超载运输车辆迫在眉睫。动态称重系统是交通执法的理想设备, 同时, 它能广泛地应用于自动交通调查、 收费系统、 交通安全管理等场合, 产生巨大的社会与经济效益, 并可推广应用于工矿企业、 海关、 港口、 码头、 废料站等载货车辆的监测和管理。

动态称重系统应用面很广, 国内外的研究部门和企业都已研制、生产出相应的产品, 其中德国和美国的研究水平较高。德国某 公司生产的动态称重系统的动态精度为 ± 3%。美国纽约州立大学的研究人员研制出在汽车时速高达 88km, 路面应力达 10kg/ cm 2的情况下, 其测量精度可保持在 2%以内的动态称重系统。国内研制出的固定式动态车辆称重系统, 其轴重误差为 ± ( 5%~ 10%) , 在某些场合不能满足要求,因此迫切需要研制生产测量精度较高的动态称重系统。

我们研制的动态称重系统的主要功能是测量正在行驶着的车辆的轮胎受力, 并计算相应静态车辆重量。它主要 由传感器、 数 据采集系统、 微处理器系统及LCD、 打印机等构成, 用来测量在特定地点、 特定时间行驶车辆的轮胎受力, 计算车辆的轴重, 正确判别轴数、 轮胎个数等有关参数, 并处理、 显示、 打印和存储这些信息, 从而实现全自动、 不停车计量。与静态称重系统相比较, 动态称重系统可获得较高的检测效率, 并可节约大量的人工费用。我们研制的装置是一种可移动的称重系统, 用于车辆低速行驶( < 15km/ h) 时获取车辆车轴负荷及总重。

2 硬件设计

 包括压力传感器、信号放大与偏置电路、 A/ D 转换器构成的前向通道,LCD 显示器、 打印机、 键盘、 计算机构成人机对话系统。存储部分包括程序存储器、 数据存储器、 追加程序存储器。下面主要介绍数字电路的构成、 A/D 转换器、 信号放大与偏置电路和LCD 偏置电路。

2. 1 数字电路

数字电路主要包括 80C31 主机、 27C256 程序存储器、 6264 数 据 存 储 器、 DS1230 追 加 程 序 存 储 器、ADS7832A/D 转换器, 4352 模拟开关,RS- 232C电平转换器芯片 MAX238 以及 LCD 接口电路和键盘接口电路。

当汽车通过称重板时, 压力传感器将压力信号转换成模拟电信号, 再通过放大器送到 A/ D 转换器的模拟输入端, 将转换后的数字量作为采样值进行处理, 把处理结果作为动态称重重量送到 LCD 予以显示, 同时将数据送入打印机打印; 也可以将数据通过模拟开关和 RS- 232C电平转换器送入计算机储存起来或进一步进行处理。基于 A/ D 转换器在整个系统中的重要性, 下面着重介绍一下 A/ D 转换器。

本系 统选用 的 A/ D 转 换器 ADS7832 是某 公司生产的自校正 4 通道 12 位模/ 数转换器, 它具有以下特点:

① 引脚与 ADC7802 和 ADS7803 兼容。

② 单 向参考 电压: 5V 或 313V, 电压分 辨率为4. 88mV。

③ 低功耗:ADS7832 采用 CMOS 工艺制造, 转换期间耗电 715mW, 节电模式下仅为 50L W。

④ 高转换速度: 815Ls, 能采样 50kHz 的信号。

⑤ 具有四通道多路开关。

⑥ 自动校正: 不需加偏置或增益调整。

⑦ 芯片内部含有采样保持、 电压基准和时钟等电路, 可极大简化用户的电路设计和硬件开销, 并可提高系统的稳定性。

ADS7832BP为双列直插式(DIP) 28 脚封装 ^[3] , 它输出标准的RD, WR, CS信号, 因此非常适合于微处理器系统。在转换和校正期间, BUSY引脚输出高电平, 转换结束后BUSY引脚输出低电平; 当HBE引脚为低电平时, D 0 ~ D 7 输出数字量低 8 位, 当 HBE 引脚为高电平时, D 0 ~ D 3 输出数字量高 4 位, 可见ADS7832 的分辨率较高。同时, 它的转换速度很高, 1s 能转换 10 ⁵ 个数值, 能满足动态称重的要求。

2. 2 信号放大与偏置电路

信号放大与偏置电路如图 2 所示, 由于压力传感器输出的电信号为负值, 首先将此信号通过反相器变为正值, 再经信号放大与偏置电路送入 A/D 转换器的模拟输入端, 通过调整可变电阻器的阻值改变信号的零点和线性度。在模拟输入端加 2 个二极管分别接到+ 5V 和- 5V, 使送入 A/ D 转换器的信号的绝对值不大于5.5V, 保护 A/ D 转换器不受损坏。

2. 3 LCD偏置电路

我们采用 MAX749 组成的电路给 LCD 显示器提供可调偏置电压。MAX749 为倒相式PFM 开关稳压, 输入电压 2~ 6V, 可产生负的 LCD 偏置电压, 输出电压可达- 100V 以上, 可通过内部数/ 模转换器(DAC) 进行调节; 或通过一个 PWM 信号或电位器进行调节。MAX749 采用独特的电流控制方案, 既减小了静态电流, 又提高了效率。关断方式下, 静态电流仅为15L A。MAX749 在关断方式下仍保持 DAC 的设定值, 简化了软件控制。

3 软件设计

当汽车以 10km/ h 的速度通过称重板时, 1 只轮胎通过称重板的时间为 011s, 在这段时间内采样 200 个点,可以得到采样值 v 与时间 t 的关系曲线, 如图4 所示。

由图 4 可以看出, 此曲线近似为梯形。由于汽车的震动较大, 波形抖动较大, 另外, 汽车在上板和下板时, 对称重板有一个冲击。这两段时间的采样值较高,不过, 在汽车通过称重板中间时, 曲线有一段平台, 我们应该去除曲线的上升过程、 下降过程及冲击值, 而保留平台段的采样值作为最后处理数据的依据。取出平台段并计算它的平均值可以采用的方法有判断斜率法、 滚动比较法等。下面介绍我们采用的方法, 其步骤为

① 对采样值 a ₁ , a ₂ , ……,a _n 进行排序, 去掉 n/ 2个较小的采样值, 保留 n/ 2 个较大的采样值, 设为 b ₁ ,b ₂, ……b _m ( m= n/ 2);

② 求 b ₁ , b ₂ , ……,b _m 的平均值, 设为b;

③ 求 b ₁ －b= c ₁ , b ₂ －b= c ₂ , ……,b _m －b= c _m , 对c ₁ , c ₂ , ……,c _m 进行排序;

④在 c ₁ , c ₂ , ……,c _m 中找到n/ 4 个较小值 c ₁ ’ , c ₂ ’,……, c _p ’(p = n/4), 再找到与c ₁ ’ , c ₂’ ,……,c _p ’对应的b ₁ ’, b ₂’, ……,b _p ’;

⑤ 求 b ₁ ’, b ₂ ’, ……,b _p ’的平均值, 设为 b’, 即为所求值。

使用以上算法, 可以去掉曲线的上下坡, 也可以去掉较大的干扰, 不会把它们带入最后的结果中, 在采样个数大于 500 个时, 精度可以达到< 2%。但是, 当采样个数较多时, 采用传统的冒泡排序法排序运算次数为 n ² ( n 为参加排序的数的个数), 运算时间较长, 不能满足要求。

我们采用堆排序算法, 其基本思想是: 先把元素序列建成堆, 此时根位置上是最大元素, 将根位置上的元素与深度最大的最右边的叶元素交换位置。考虑前 n- 1 个元素, 此时它们不成为堆了, 要再调整前 n- 1个元素为堆, 重复上述过程, 直到这个代表堆的二叉树变为一个结点为止。这时得到的新序列便是排好序的非递增序列。

另外, 按以上算法求出的称重值要进行吨位修正和速度修正, 消除传感器非线性和汽车通过速度不同带来的影响。

4 结束语

在本动态称重系统中, 我们根据实际采样波形, 设计特殊的数据处理方法, 从而实现高精度、 高效率的数据处理结果。在关键的模/ 数转换环节, 采用新型、高速、 高精度的 A/D 转换器。其它环节也使用新型、 节能、 高性能的元器件。通过多次实验, 我们设计的动态称重系统技术参数能达到: 在静态模式时, 精度高于 ±20kg; 动态模式时, 车辆以低于 15km/h 的速度通过时,误差小于静态时称重值的 ± 2% ( 轴载荷和总重) 。本动态称重系统主要特性包括: 重量轻, 便于携带; 可外接计算机辅助设备; 具有动、 静态两种工作方式; 精确测量动态车辆的重量; 自动将所测量的车辆重量与存储的资料相比较以确定车辆的净重或车是否超重等数据; 全自动化的称重过程; 资料自动存储以便检索、 统计。

参考文献

1 李朝青. 单片机原理与接口技术. 北京: 北京航空航天大学出版社, 1994

2 何立民. 单片机应用系统设计. 北京: 北京航空航天大学出版社,1990

3 美国 某 公司产品资料.2000

4 某集成产品公司.MAXI M 产品数据手册, 1999

5 吴哲辉. 算法设计与分析. 北京: 煤炭工业出版社, 1993

 

 

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