車輛軸載質量動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘 要：介紹了一種基于24位A/D轉換器AD7714和AT89S52的兩級分布式便攜式車輛軸載質量動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在車輛行駛狀態(tài)下，實時監(jiān)測、顯示、存儲測車日期、車型、車類及相應的軸載質量、總質量，超載信息；并具有查詢、打印等功能。投放市場兩年來的結果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠、使用方便，對于有效避免超載現(xiàn)象及由此引發(fā)的交通事故，延長公路的使用壽命，起了很大的作用。
關鍵詞：AD7714；車輛軸載質量；超載

1 引言
隨著我國經濟的迅猛發(fā)展，公路運輸業(yè)成為國民經濟中的支柱產業(yè)之一，運輸車輛的數(shù)量也在成幾何基數(shù)增長。雖然國家明令禁止運輸車輛嚴禁超載，但在利益的驅動下，超載現(xiàn)象屢禁不止，并有愈演愈烈的之勢，由此帶來的交通事故也是大幅度增長；同時超載對公路的破壞也是越來越嚴重，國家和人民的生命和財產安全受到極大的威脅。據(jù)報道，在山西由于超載造成的路橋損壞一年帶來7個多億的損失；在河北，政府每年需拿出40億修補超載破壞的公路；在山東、天津等地，超載在給國家?guī)淼膿p失也是數(shù)以億計；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。交通稽查部門對超載車輛的檢查一般是通過目測的方式，這就使得許多超載的車輛逃脫了檢查，造成了潛在的危險與破壞。車輛軸載質量測定儀正是基于以上實際情況，從方便實用的角度進行研究設計的便攜式儀器。只要車輛通過兩個很薄、很輕的秤臺，就可以測得軸載質量、總質量及是否超載的信息。

2軸載質量測定儀的硬件設計
該便攜式車輛軸載質量測定儀是由上位機管理控制系統(tǒng)和下位機檢測系統(tǒng)組成的兩級分布式計算機控制系統(tǒng)。主要用于交通稽查部門的隨時稽查，具有很強的機動性。

2.1 上位機系統(tǒng)的硬件組成及功能
上位機系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。該部分的主要功能是，接受牌照、車型、車類等輸入信息；接收下位機傳遞上來的車輛軸載質量信息；同時將該車類型、軸載信息、整車總質量、軸重超載與否、整車超載與否等信息以及測車的日期、時間進行顯示、存儲、打印，作為管理及處罰的依據(jù)；并具有歷史記錄查詢、參數(shù)設置、命令下達、管理及使用權限設置等功能。

圖1 上位機系統(tǒng)硬件組成簡圖

2.2 下位機硬件電路設計
2.2.1 A/D轉換器選擇
標稱15噸的稱臺，滿刻度輸出電壓信號僅8mV，而系統(tǒng)要求的最小分度值僅1Kg，因此，A/D轉換器的選擇至關重要。為了滿足系統(tǒng)要求，經過大量比較、論證，最終，我們選擇了美國AD公司推出的一款24位分辨率的多路模數(shù)轉換器件AD7714。該芯片內集成了緩沖器、時鐘發(fā)生器、可編程增益放大器、數(shù)字濾波器、∑-Δ調制器以及電荷平衡式Ａ/Ｄ轉換器等電路[2]。

由于ＡＤ7714采用了∑-Δ技術實現(xiàn)Ａ/Ｄ轉換，使它更加不受噪聲環(huán)境的影響, 具有線性度好、功耗低、增益G=1~128可編程，無須前端信號調理、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)過程控制及便攜式儀器應用中溫度、壓力等高精度測量[3]。

2.2.2 下位機系統(tǒng)硬件電路
下位機系統(tǒng)的硬件電路如圖2所示。主要完成對來自壓力傳感器的信號濾波、A/D轉換，接受上位機的命令進行數(shù)據(jù)上傳以及系統(tǒng)系數(shù)的標定、存儲等功能。

在該部分的硬件設計過程中，除一般的接口設計外，由于信號太微弱，系統(tǒng)的抗干擾設計顯得尤為重要，包括傳感器激勵電源的設計、信號濾波電路的設計，以及AD7714對電源的要求，小信號對印刷電路板的設計要求等等；同時，為進一步提高測量精度，還必須充分考慮傳感器的線性度。在該系統(tǒng)中，采用了傳統(tǒng)的分段線性化處理，取得了非常理想的效果。


圖2 下位機系統(tǒng)硬件電路圖

3軸載質量測定儀的軟件設計

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


圖 3 上位機主程序框圖

圖4 下位機主程序框圖

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

圖5 行駛速度與動態(tài)測量誤差關系圖

圖6 車輪上下秤臺采樣值曲線

圖5為擬合前后得到的行駛速度與動態(tài)測量誤差的關系圖。
通過分析，造成這種情況的主要原因是車輛行駛的速度越快，對秤臺造成的沖擊就越大，從而得到的軸載質量超過真值的數(shù)量就會增多，而由于采樣的速度一定，在車輪通過秤臺時采到的有效值就會偏少，這必然會造成誤差偏大。針對這一情況，以及圖6的采樣值曲線，采用單層神經網絡擬合的方法，使得在行車速度在40km以下的情況下，誤差小于5%，很好地滿足了設計的要求。

4結束語
該軸載質量測定儀是在滿足動靜態(tài)測量需求的前提下，本著簡單、可靠、實用、安全、方便的原則進行設計的。目前該產品已售出200余套，產值過千萬元。從系統(tǒng)近兩年來的運行情況來看，完全達到了設計要求，得到了市場的認可。在此基礎上，我們將要開發(fā)出車輛行駛速度范圍更寬（40~120km/h）的動態(tài)監(jiān)測產品，使系統(tǒng)的實用化進一步加強，這對于規(guī)范管理整個運輸市場的超載現(xiàn)象的發(fā)生，切斷因超載帶來的交通事故及危害的根源，維護國家廣大人民群眾的生命財產安全將起到一定的作用。

參考文獻
[1] AD7714信號調理模數(shù)轉換器數(shù)據(jù)手冊. 武漢力源. 1999: 1-51
[2] 余永權. ATMEL89系列單片機應用技術. 北京：北京航空航天大學出版社，2002.4