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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)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示, 包括壓力傳感器、信號放大與偏置電路、 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)對話系統(tǒng)。存儲部分包括程序存儲器、 數(shù)據(jù)存儲器、 追加程序存儲器。下面主要介紹數(shù)字電路的構(gòu)成、 A/D 轉(zhuǎn)換器、 信號放大與偏置電路和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 程序存儲器、 6264 數(shù) 據(jù) 存 儲 器、 DS1230 追 加 程 序 存 儲 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轉(zhuǎn)換成模擬電信號, 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。

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, 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 信號放大與偏置電路

由于壓力傳感器輸出的電信號為負(fù)值, 首先將此信號通過反相器變?yōu)檎? 再經(jīng)信號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)換器的信號的絕對值不大于 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, 其電路如圖 3 所示。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。
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, 我們應(yīng)該去除曲線的上升過程、 下降過程及沖擊值, 而保留平臺段的采樣值作為最后處理數(shù)據(jù)的依據(jù)。取出平臺段并計(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)存儲以便檢索、 統(tǒng)計(jì)。

 

作者：魏魯原 伍斌 崔霞
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