基于超聲波傳感器的車(chē)載超重監控報警系統

隨著(zhù)交通運輸業(yè)的快速發(fā)展，伴隨著(zhù)產(chǎn)生的車(chē)輛超載現象也日益嚴重，這不但會(huì )毀壞公路設施，更增加了交通事故的發(fā)生率，對人們的生命財產(chǎn)安全帶來(lái)很大的危害，所以及時(shí)地發(fā)現并治理超載車(chē)輛具有重要的意義。

現在普遍使用的檢測車(chē)輛超重的技術(shù)主要有：靜態(tài)稱(chēng)重技術(shù)和動(dòng)態(tài)稱(chēng)重技術(shù)，這兩種技術(shù)都是通過(guò)在公路的特定位置設定關(guān)卡，安裝地磅使用壓力傳感器、電阻應變式傳感器等等來(lái)檢測車(chē)輛是否超重，測量結果比較精確，但這兩種技術(shù)有一些共同的缺點(diǎn)：傳感器易受損，而且在特定位置設定關(guān)卡，會(huì )存在很多監管不到的地方。

基于上述考慮，本文提出一種車(chē)載超重監控報警系統，該系統使用超聲波傳感器測量車(chē)輛在受載時(shí)車(chē)梁與車(chē)軸的相對位移，通過(guò)傳感器標定，來(lái)間接測量車(chē)輛是否超重，一旦車(chē)輛超重，系統的GPS模塊定位車(chē)輛，并通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )將超重信息以及定位信息發(fā)送至監控中心，監控中心對信息進(jìn)行解析、記錄及保存。這樣，傳感器不僅不易受損，而且實(shí)現了車(chē)載，同時(shí)實(shí)現了對超載車(chē)輛的遠程實(shí)時(shí)監控。

1 系統構成及工作原理

系統主要包括車(chē)載檢測子系統和監控中心兩個(gè)部分。系統框圖如1所示。

主要工作原理是：車(chē)輛運行過(guò)程中，車(chē)載檢測子系統檢測車(chē)輛是否超重，若車(chē)輛超重，即產(chǎn)生報警信息，并通過(guò)GSM模塊將報警信息發(fā)送給監控中心，監控中心對信息進(jìn)行分析處理后，將重要數據記錄保存，并對超載車(chē)輛作出處理。

2 車(chē)載檢測子系統

2.1 硬件構成

車(chē)載檢測子系統的構成如圖2所示，包括測重模塊與主控單元兩大部分。其中測重模塊包括單片機、超聲波傳感器、溫度傳感器、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊四個(gè)部分;主控單元包括單片機、GPS模塊、GSM模塊以及無(wú)線(xiàn)傳輸模塊四個(gè)部分。另外，本系統使用三個(gè)測重模塊，呈三角形分布在車(chē)軸的三個(gè)位置，這樣做的目的是防止車(chē)輛載荷分布不均，局部受重，導致誤報。

工作原理是：車(chē)輛在行駛過(guò)程中，三個(gè)測重模塊分別使用超聲波傳感器，檢測車(chē)輛在受載時(shí)所處位置的車(chē)軸與車(chē)梁的相對位移，經(jīng)過(guò)數字濾波和溫度補償后，將得到的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)送給主控單元，主控單元對數據進(jìn)行整合處理，得到車(chē)載重量，再將其與該車(chē)輛的額定載荷進(jìn)行比較，來(lái)判斷車(chē)輛是否超重。若車(chē)輛超重，主控單元即產(chǎn)生報警信息，將該車(chē)輛的車(chē)牌號、額定載荷、超重數據以及GPS定位信息通過(guò)GSM模塊發(fā)送給監控中心。

2.2 超聲波測距原理

本系統使用的超聲波測距方法是超聲脈沖反射法，它的原理是：超聲波發(fā)射器發(fā)出單個(gè)或一組超聲波脈沖，在發(fā)射時(shí)刻計時(shí)器開(kāi)始計時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中遇到被測目標，經(jīng)過(guò)反射到達超聲波接收端，此時(shí)計時(shí)器停止計時(shí)，得到的時(shí)間t就是超聲波在發(fā)射器和被測目標之間來(lái)回傳播的時(shí)間。

測距的公式表示為：

s=C·△t/2 (1)

式中，s為測量的距離;C為超聲波在空氣中的傳播速度;△t為超聲波發(fā)送與接收時(shí)間差。

根據上述超聲波測距公式，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。時(shí)間誤差可通過(guò)單片機的精確定時(shí)來(lái)減小，速度誤差與空氣密度有關(guān)，而空氣密度又與溫度有關(guān)，可通過(guò)溫度傳感器測量當下溫度進(jìn)行溫度補償。超聲波在空氣中的傳播速度C與環(huán)境溫度的關(guān)系如式(2)：

C=331.4+0.61×T (2)

溫度補償方法為每次先按照式(2)計算當時(shí)聲速C，然后再按照式(1)計算距離s。

2.3 GPS定位原理

由于衛星的位置精確可知，在GPS觀(guān)測中，我們可得到衛星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，在GPS定位中，3顆衛星，就可以列出3個(gè)位置方程，從而解出觀(guān)測點(diǎn)的位置(X，Y，Z)?？紤]到衛星的時(shí)鐘與接收機時(shí)鐘之間的誤差，增加了第四個(gè)未知數，即鐘差，因而引入第4顆衛星，列出了第四個(gè)方程式，對這個(gè)方程組進(jìn)行求解，就得到觀(guān)測點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。事實(shí)上，接收機往往可以鎖住4顆以上的衛星，這時(shí)，接收機可按衛星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過(guò)算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高了定位精度。

2.4 GSM模塊的使用

GSM短信模塊是專(zhuān)門(mén)用于短信接收發(fā)送的模塊，具有RS-232通信口，可與單片機、計算機直接相連。單片機與計算機通過(guò)RS232串口給GSM模塊發(fā)送AT指令來(lái)控制GSM模塊收發(fā)短信、設置短信中心號、短信格式等等。常用的AT指令如表1所示：

2.5 各個(gè)功能模塊的具體實(shí)現

1)主控單元與測重模塊的單片機均選用STC89C52，該單片機功耗低、性能高、價(jià)格便宜，而且用于此系統，不會(huì )造成資源浪費。

2)超聲波傳感器選用由清新機電實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的KS101B，該傳感器的探測范圍1 cm～550 cm，探測頻率可達500 Hz，支持多量程探測，1 ms快速光強探測，精度可達1 mm，盲區1 cm。

3)溫度傳感器使用美國Dallas半導體公司生產(chǎn)的數字化溫度傳感器DS18B20，完成對超聲波檢測的溫度補償。

4)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊使用由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4 GHz～2.5 GHz的ISM頻段的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片NRF24L01，該芯片具有4線(xiàn)SPI通訊端口，通訊速率最高可達8 Mbps，適合與各種MCU連接，編程簡(jiǎn)單。

5)GSM模塊選用SIM300。GSM與單片機的硬件接口使用RS232通信標準。將GSM的RXD接單片機的TXD、GND接GND與單片機進(jìn)行串口通信，單片機通過(guò)發(fā)送AT指令實(shí)現對GSM的控制，它們之間的具體實(shí)現電路如圖3所示。

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