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1 概述

隨著我國市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 公路交通量迅速增長,各種載貨車、 大平板車、 帶掛汽車和集裝箱運(yùn)輸車的數(shù)量和比重逐年遞增, 特別是一些運(yùn)輸單位或個(gè)人不顧車輛、 公路承載能力及行車安全, 擅自對(duì)車輛進(jìn)行改裝, 增加彈簧鋼板, 更換高強(qiáng)度輪胎, 加高、 加寬、 加長車廂欄板, 欄板上再加圍籬, 圍籬上又堆尖等超載現(xiàn)象較為普遍, 使公路、 橋梁及其附屬設(shè)施遭受到嚴(yán)重破壞, 且由此而引發(fā)的交通事故日益增多。因此, 為了維護(hù)國家財(cái)產(chǎn)和人民生命安全, 保護(hù)公路完好暢通, 嚴(yán)格限制超載運(yùn)輸車輛迫在眉睫。動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)是交通執(zhí)法的理想設(shè)備, 同時(shí), 它能廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)交通調(diào)查、 收費(fèi)系統(tǒng)、 交通安全管理等場合, 產(chǎn)生巨大的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益, 并可推廣應(yīng)用于工礦企業(yè)、 海關(guān)、 港口、 碼頭、 廢料站等載貨車輛的監(jiān)測和管理。

動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)應(yīng)用面很廣, 國內(nèi)外的研究部門和企業(yè)都已研制、生產(chǎn)出相應(yīng)的產(chǎn)品, 其中德國和美國的研究水平較高。德國某 公司生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度為 ± 3%。美國紐約州立大學(xué)的研究人員研制出在汽車時(shí)速高達(dá) 88km, 路面應(yīng)力達(dá) 10kg/ cm 2的情況下, 其測量精度可保持在 2%以內(nèi)的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)。國內(nèi)研制出的固定式動(dòng)態(tài)車輛稱重系統(tǒng), 其軸重誤差為 ± ( 5%~ 10%) , 在某些場合不能滿足要求,因此迫切需要研制生產(chǎn)測量精度較高的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)。

我們研制的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的主要功能是測量正在行駛著的車輛的輪胎受力, 并計(jì)算相應(yīng)靜態(tài)車輛重量。它主要 由傳感器、 數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)、 微處理器系統(tǒng)及LCD、 打印機(jī)等構(gòu)成, 用來測量在特定地點(diǎn)、 特定時(shí)間行駛車輛的輪胎受力, 計(jì)算車輛的軸重, 正確判別軸數(shù)、 輪胎個(gè)數(shù)等有關(guān)參數(shù), 并處理、 顯示、 打印和存儲(chǔ)這些信息, 從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、 不停車計(jì)量。與靜態(tài)稱重系統(tǒng)相比較, 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)可獲得較高的檢測效率, 并可節(jié)約大量的人工費(fèi)用。我們研制的裝置是一種可移動(dòng)的稱重系統(tǒng), 用于車輛低速行駛( < 15km/ h) 時(shí)獲取車輛車軸負(fù)荷及總重。

2 硬件設(shè)計(jì)

 包括壓力傳感器、信號(hào)放大與偏置電路、 A/ D 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的前向通道,LCD 顯示器、 打印機(jī)、 鍵盤、 計(jì)算機(jī)構(gòu)成人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)。存儲(chǔ)部分包括程序存儲(chǔ)器、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、 追加程序存儲(chǔ)器。下面主要介紹數(shù)字電路的構(gòu)成、 A/D 轉(zhuǎn)換器、 信號(hào)放大與偏置電路和LCD 偏置電路。

2. 1 數(shù)字電路

數(shù)字電路主要包括 80C31 主機(jī)、 27C256 程序存儲(chǔ)器、 6264 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器、 DS1230 追 加 程 序 存 儲(chǔ) 器、ADS7832A/D 轉(zhuǎn)換器, 4352 模擬開關(guān),RS- 232C電平轉(zhuǎn)換器芯片 MAX238 以及 LCD 接口電路和鍵盤接口電路。

當(dāng)汽車通過稱重板時(shí), 壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào), 再通過放大器送到 A/ D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端, 將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量作為采樣值進(jìn)行處理, 把處理結(jié)果作為動(dòng)態(tài)稱重重量送到 LCD 予以顯示, 同時(shí)將數(shù)據(jù)送入打印機(jī)打印; 也可以將數(shù)據(jù)通過模擬開關(guān)和 RS- 232C電平轉(zhuǎn)換器送入計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存起來或進(jìn)一步進(jìn)行處理。基于 A/ D 轉(zhuǎn)換器在整個(gè)系統(tǒng)中的重要性, 下面著重介紹一下 A/ D 轉(zhuǎn)換器。

本系 統(tǒng)選用 的 A/ D 轉(zhuǎn) 換器 ADS7832 是某 公司生產(chǎn)的自校正 4 通道 12 位模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器, 它具有以下特點(diǎn):

① 引腳與 ADC7802 和 ADS7803 兼容。

② 單 向參考 電壓: 5V 或 313V, 電壓分 辨率為4. 88mV。

③ 低功耗:ADS7832 采用 CMOS 工藝制造, 轉(zhuǎn)換期間耗電 715mW, 節(jié)電模式下僅為 50L W。

④ 高轉(zhuǎn)換速度: 815Ls, 能采樣 50kHz 的信號(hào)。

⑤ 具有四通道多路開關(guān)。

⑥ 自動(dòng)校正: 不需加偏置或增益調(diào)整。

⑦ 芯片內(nèi)部含有采樣保持、 電壓基準(zhǔn)和時(shí)鐘等電路, 可極大簡化用戶的電路設(shè)計(jì)和硬件開銷, 并可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

ADS7832BP為雙列直插式(DIP) 28 腳封裝 ^[3] , 它輸出標(biāo)準(zhǔn)的RD, WR, CS信號(hào), 因此非常適合于微處理器系統(tǒng)。在轉(zhuǎn)換和校正期間, BUSY引腳輸出高電平, 轉(zhuǎn)換結(jié)束后BUSY引腳輸出低電平; 當(dāng)HBE引腳為低電平時(shí), D 0 ~ D 7 輸出數(shù)字量低 8 位, 當(dāng) HBE 引腳為高電平時(shí), D 0 ~ D 3 輸出數(shù)字量高 4 位, 可見ADS7832 的分辨率較高。同時(shí), 它的轉(zhuǎn)換速度很高, 1s 能轉(zhuǎn)換 10 ⁵ 個(gè)數(shù)值, 能滿足動(dòng)態(tài)稱重的要求。

2. 2 信號(hào)放大與偏置電路

信號(hào)放大與偏置電路如圖 2 所示, 由于壓力傳感器輸出的電信號(hào)為負(fù)值, 首先將此信號(hào)通過反相器變?yōu)檎? 再經(jīng)信號(hào)放大與偏置電路送入 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端, 通過調(diào)整可變電阻器的阻值改變信號(hào)的零點(diǎn)和線性度。在模擬輸入端加 2 個(gè)二極管分別接到+ 5V 和- 5V, 使送入 A/ D 轉(zhuǎn)換器的信號(hào)的絕對(duì)值不大于5.5V, 保護(hù) A/ D 轉(zhuǎn)換器不受損壞。

2. 3 LCD偏置電路

我們采用 MAX749 組成的電路給 LCD 顯示器提供可調(diào)偏置電壓。MAX749 為倒相式PFM 開關(guān)穩(wěn)壓, 輸入電壓 2~ 6V, 可產(chǎn)生負(fù)的 LCD 偏置電壓, 輸出電壓可達(dá)- 100V 以上, 可通過內(nèi)部數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換器(DAC) 進(jìn)行調(diào)節(jié); 或通過一個(gè) PWM 信號(hào)或電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。MAX749 采用獨(dú)特的電流控制方案, 既減小了靜態(tài)電流, 又提高了效率。關(guān)斷方式下, 靜態(tài)電流僅為15L A。MAX749 在關(guān)斷方式下仍保持 DAC 的設(shè)定值, 簡化了軟件控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)汽車以 10km/ h 的速度通過稱重板時(shí), 1 只輪胎通過稱重板的時(shí)間為 011s, 在這段時(shí)間內(nèi)采樣 200 個(gè)點(diǎn),可以得到采樣值 v 與時(shí)間 t 的關(guān)系曲線, 如圖4 所示。

由圖 4 可以看出, 此曲線近似為梯形。由于汽車的震動(dòng)較大, 波形抖動(dòng)較大, 另外, 汽車在上板和下板時(shí), 對(duì)稱重板有一個(gè)沖擊。這兩段時(shí)間的采樣值較高,不過, 在汽車通過稱重板中間時(shí), 曲線有一段平臺(tái), 我們應(yīng)該去除曲線的上升過程、 下降過程及沖擊值, 而保留平臺(tái)段的采樣值作為最后處理數(shù)據(jù)的依據(jù)。取出平臺(tái)段并計(jì)算它的平均值可以采用的方法有判斷斜率法、 滾動(dòng)比較法等。下面介紹我們采用的方法, 其步驟為

① 對(duì)采樣值 a ₁ , a ₂ , ……,a _n 進(jìn)行排序, 去掉 n/ 2個(gè)較小的采樣值, 保留 n/ 2 個(gè)較大的采樣值, 設(shè)為 b ₁ ,b ₂, ……b _m ( m= n/ 2);

② 求 b ₁ , b ₂ , ……,b _m 的平均值, 設(shè)為b;

③ 求 b ₁ －b= c ₁ , b ₂ －b= c ₂ , ……,b _m －b= c _m , 對(duì)c ₁ , c ₂ , ……,c _m 進(jìn)行排序;

④在 c ₁ , c ₂ , ……,c _m 中找到n/ 4 個(gè)較小值 c ₁ ’ , c ₂ ’,……, c _p ’(p = n/4), 再找到與c ₁ ’ , c ₂’ ,……,c _p ’對(duì)應(yīng)的b ₁ ’, b ₂’, ……,b _p ’;

⑤ 求 b ₁ ’, b ₂ ’, ……,b _p ’的平均值, 設(shè)為 b’, 即為所求值。

使用以上算法, 可以去掉曲線的上下坡, 也可以去掉較大的干擾, 不會(huì)把它們帶入最后的結(jié)果中, 在采樣個(gè)數(shù)大于 500 個(gè)時(shí), 精度可以達(dá)到< 2%。但是, 當(dāng)采樣個(gè)數(shù)較多時(shí), 采用傳統(tǒng)的冒泡排序法排序運(yùn)算次數(shù)為 n ² ( n 為參加排序的數(shù)的個(gè)數(shù)), 運(yùn)算時(shí)間較長, 不能滿足要求。

我們采用堆排序算法, 其基本思想是: 先把元素序列建成堆, 此時(shí)根位置上是最大元素, 將根位置上的元素與深度最大的最右邊的葉元素交換位置。考慮前 n- 1 個(gè)元素, 此時(shí)它們不成為堆了, 要再調(diào)整前 n- 1個(gè)元素為堆, 重復(fù)上述過程, 直到這個(gè)代表堆的二叉樹變?yōu)橐粋€(gè)結(jié)點(diǎn)為止。這時(shí)得到的新序列便是排好序的非遞增序列。

另外, 按以上算法求出的稱重值要進(jìn)行噸位修正和速度修正, 消除傳感器非線性和汽車通過速度不同帶來的影響。

4 結(jié)束語

在本動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中, 我們根據(jù)實(shí)際采樣波形, 設(shè)計(jì)特殊的數(shù)據(jù)處理方法, 從而實(shí)現(xiàn)高精度、 高效率的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。在關(guān)鍵的模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié), 采用新型、高速、 高精度的 A/D 轉(zhuǎn)換器。其它環(huán)節(jié)也使用新型、 節(jié)能、 高性能的元器件。通過多次實(shí)驗(yàn), 我們設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)能達(dá)到: 在靜態(tài)模式時(shí), 精度高于 ±20kg; 動(dòng)態(tài)模式時(shí), 車輛以低于 15km/h 的速度通過時(shí),誤差小于靜態(tài)時(shí)稱重值的 ± 2% ( 軸載荷和總重) 。本動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)主要特性包括: 重量輕, 便于攜帶; 可外接計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備; 具有動(dòng)、 靜態(tài)兩種工作方式; 精確測量動(dòng)態(tài)車輛的重量; 自動(dòng)將所測量的車輛重量與存儲(chǔ)的資料相比較以確定車輛的凈重或車是否超重等數(shù)據(jù); 全自動(dòng)化的稱重過程; 資料自動(dòng)存儲(chǔ)以便檢索、 統(tǒng)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

1 李朝青. 單片機(jī)原理與接口技術(shù). 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 1994

2 何立民. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,1990

3 美國 某 公司產(chǎn)品資料.2000

4 某集成產(chǎn)品公司.MAXI M 產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊, 1999

5 吳哲輝. 算法設(shè)計(jì)與分析. 北京: 煤炭工業(yè)出版社, 1993

 

 

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