車(chē)輛軸載質(zhì)量動(dòng)態(tài)監測系統的設計與實(shí)現

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(chē)輛軸載質(zhì)量動(dòng)態(tài)監測系統。該系統能夠在車(chē)輛行駛狀態(tài)下，實(shí)時(shí)監測、顯示、存儲測車(chē)日期、車(chē)型、車(chē)類(lèi)及相應的軸載質(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)的結果表明，該系統工作穩定、可靠、使用方便，對于有效避免超載現象及由此引發(fā)的交通事故，延長(cháng)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(zhù)我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，公路運輸業(yè)成為國民經(jīng)濟中的支柱產(chǎn)業(yè)之一，運輸車(chē)輛的數量也在成幾何基數增長(cháng)。雖然國家明令禁止運輸車(chē)輛嚴禁超載，但在利益的驅動(dòng)下，超載現象屢禁不止，并有愈演愈烈的之勢，由此帶來(lái)的交通事故也是大幅度增長(cháng)；同時(shí)超載對公路的破壞也是越來(lái)越嚴重，國家和人民的生命和財產(chǎn)安全受到極大的威脅。據報道，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40億修補超載破壞的公路；在山東、天津等地，超載在給國家帶來(lái)的損失也是數以?xún)|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(shí)告訴我們，一定要采取一定的措施杜絕超載現象的發(fā)生。交通稽查部門(mén)對超載車(chē)輛的檢查一般是通過(guò)目測的方式，這就使得許多超載的車(chē)輛逃脫了檢查，造成了潛在的危險與破壞。車(chē)輛軸載質(zhì)量測定儀正是基于以上實(shí)際情況，從方便實(shí)用的角度進(jìn)行研究設計的便攜式儀器。只要車(chē)輛通過(guò)兩個(gè)很薄、很輕的秤臺，就可以測得軸載質(zhì)量、總質(zhì)量及是否超載的信息。

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

2.1 上位機系統的硬件組成及功能
上位機系統的硬件組成如圖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車(chē)的日期、時(shí)間進(jìn)行顯示、存儲、打印，作為管理及處罰的依據；并具有歷史記錄查詢(xún)、參數設置、命令下達、管理及使用權限設置等功能。

圖1 上位機系統硬件組成簡(jiǎn)圖

2.2 下位機硬件電路設計
2.2.1 A/D轉換器選擇
標稱(chēng)15噸的稱(chēng)臺，滿(mǎn)刻度輸出電壓信號僅8mV，而系統要求的最小分度值僅1Kg，因此，A/D轉換器的選擇至關(guān)重要。為了滿(mǎn)足系統要求，經(jīng)過(guò)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轉換器件AD7714。該芯片內集成了緩沖器、時(shí)鐘發(fā)生器、可編程增益放大器、數字濾波器、∑-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(shù)實(shí)現Ａ/Ｄ轉換，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(guò)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 下位機系統硬件電路
下位機系統的硬件電路如圖2所示。主要完成對來(lái)自壓力傳感器的信號濾波、A/D轉換，接受上位機的命令進(jìn)行數據上傳以及系統系數的標定、存儲等功能。

在該部分的硬件設計過(guò)程中，除一般的接口設計外，由于信號太微弱，系統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(shí)，為進(jìn)一步提高測量精度，還必須充分考慮傳感器的線(xiàn)性度。在該系統中，采用了傳統的分段線(xiàn)性化處理，取得了非常理想的效果。


圖2 下位機系統硬件電路圖

3軸載質(zhì)量測定儀的軟件設計

由于系統的程序量比較大，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(chē)輛行駛速度對測量軸載質(zhì)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(chē)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(zhì)量求和，測量誤差小于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)測量誤差大于15%FS。

圖5 行駛速度與動(dòng)態(tài)測量誤差關(guān)系圖

圖6 車(chē)輪上下秤臺采樣值曲線(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，對秤臺造成的沖擊就越大，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)足了設計的要求。

4結束語(yǔ)
該軸載質(zhì)量測定儀是在滿(mǎn)足動(dòng)靜態(tài)測量需求的前提下，本著(zhù)簡(jiǎn)單、可靠、實(shí)用、安全、方便的原則進(jìn)行設計的。目前該產(chǎn)品已售出200余套，產(chǎn)值過(guò)千萬(wàn)元。從系統近兩年來(lái)的運行情況來(lái)看，完全達到了設計要求，得到了市場(chǎng)的認可。在此基礎上，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)監測產(chǎn)品，使系統的實(shí)用化進(jìn)一步加強，這對于規范管理整個(gè)運輸市場(chǎng)的超載現象的發(fā)生，切斷因超載帶來(lái)的交通事故及危害的根源，維護國家廣大人民群眾的生命財產(chǎn)安全將起到一定的作用。

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