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1 概述

隨著我國市場經濟的發(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輸車的數量和比重逐年遞增, 特別是一些運輸單位或個人不顧車輛、 公路承載能力及行車安全, 擅自對車輛進行改裝, 增加彈簧鋼板, 更換高強度輪胎, 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、 橋梁及其附屬設施遭受到嚴重破壞, 且由此而引發(fā)的交通事故日益增多。因此, 為了維護國家財產和人民生命安全, 保護公路完好暢通, 嚴格限制超載運輸車輛迫在眉睫。動態(tài)稱重系統(tǒng)是交通執(zhí)法的理想設備, 同時, 它能廣泛地應用于自動交通調查、 收費系統(tǒng)、 交通安全管理等場合, 產生巨大的社會與經濟效益, 并可推廣應用于工礦企業(yè)、 海關、 港口、 碼頭、 廢料站等載貨車輛的監(jiān)測和管理。

動態(tài)稱重系統(tǒng)應用面很廣, 國內外的研究部門和企業(yè)都已研制、生產出相應的產品, 其中德國和美國的研究水平較高。德國某 公司生產的動態(tài)稱重系統(tǒng)的動態(tài)精度為 ± 3%。美國紐約州立大學的研究人員研制出在汽車時速高達 88km, 路面應力達 10kg/ cm 2的情況下, 其測量精度可保持在 2%以內的動態(tài)稱重系統(tǒng)。國內研制出的固定式動態(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測量精度較高的動態(tài)稱重系統(tǒng)。

我們研制的動態(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, 并計算相應靜態(tài)車輛重量。它主要 由傳感器、 數 據采集系統(tǒng)、 微處理器系統(tǒng)及LCD、 打印機等構成, 用來測量在特定地點、 特定時間行駛車輛的輪胎受力, 計算車輛的軸重, 正確判別軸數、 輪胎個數等有關參數, 并處理、 顯示、 打印和存儲這些信息, 從而實現(xiàn)全自動、 不停車計量。與靜態(tài)稱重系統(tǒng)相比較, 動態(tài)稱重系統(tǒng)可獲得較高的檢測效率, 并可節(jié)約大量的人工費用。我們研制的裝置是一種可移動的稱重系統(tǒng), 用于車輛低速行駛( < 15km/ h) 時獲取車輛車軸負荷及總重。

2 硬件設計

 包括壓力傳感器、信號放大與偏置電路、 A/ D 轉換器構成的前向通道,LCD 顯示器、 打印機、 鍵盤、 計算機構成人機對話系統(tǒng)。存儲部分包括程序存儲器、 數據存儲器、 追加程序存儲器。下面主要介紹數字電路的構成、 A/D 轉換器、 信號放大與偏置電路和LCD 偏置電路。

2. 1 數字電路

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

當汽車通過稱重板時, 壓力傳感器將壓力信號轉換成模擬電信號, 再通過放大器送到 A/ D 轉換器的模擬輸入端, 將轉換后的數字量作為采樣值進行處理, 把處理結果作為動態(tài)稱重重量送到 LCD 予以顯示, 同時將數據送入打印機打印; 也可以將數據通過模擬開關和 RS- 232C電平轉換器送入計算機儲存起來或進一步進行處理?；?nbsp;A/ D 轉換器在整個系統(tǒng)中的重要性, 下面著重介紹一下 A/ D 轉換器。

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

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, 轉換期間耗電 715mW, 節(jié)電模式下僅為 50L W。

④ 高轉換速度: 815Ls, 能采樣 50kHz 的信號。

⑤ 具有四通道多路開關。

⑥ 自動校正: 不需加偏置或增益調整。

⑦ 芯片內部含有采樣保持、 電壓基準和時鐘等電路, 可極大簡化用戶的電路設計和硬件開銷, 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] , 它輸出標準的RD, WR, CS信號, 因此非常適合于微處理器系統(tǒng)。在轉換和校正期間, BUSY引腳輸出高電平, 轉換結束后BUSY引腳輸出低電平; 當HBE引腳為低電平時, D 0 ~ D 7 輸出數字量低 8 位, 當 HBE 引腳為高電平時, D 0 ~ D 3 輸出數字量高 4 位, 可見ADS7832 的分辨率較高。同時, 它的轉換速度很高, 1s 能轉換 10 ⁵ 個數值, 能滿足動態(tài)稱重的要求。

2. 2 信號放大與偏置電路

信號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為負值, 首先將此信號通過反相器變?yōu)檎? 再經信號放大與偏置電路送入 A/D 轉換器的模擬輸入端, 通過調整可變電阻器的阻值改變信號的零點和線性度。在模擬輸入端加 2 個二極管分別接到+ 5V 和- 5V, 使送入 A/ D 轉換器的信號的絕對值不大于5.5V, 保護 A/ D 轉換器不受損壞。

2. 3 LCD偏置電路

我們采用 MAX749 組成的電路給 LCD 顯示器提供可調偏置電壓。MAX749 為倒相式PFM 開關穩(wěn)壓, 輸入電壓 2~ 6V, 可產生負的 LCD 偏置電壓, 輸出電壓可達- 100V 以上, 可通過內部數/ 模轉換器(DAC) 進行調節(jié); 或通過一個 PWM 信號或電位器進行調節(jié)。MAX749 采用獨特的電流控制方案, 既減小了靜態(tài)電流, 又提高了效率。關斷方式下, 靜態(tài)電流僅為15L A。MAX749 在關斷方式下仍保持 DAC 的設定值, 簡化了軟件控制。

3 軟件設計

當汽車以 10km/ h 的速度通過稱重板時, 1 只輪胎通過稱重板的時間為 011s, 在這段時間內采樣 200 個點,可以得到采樣值 v 與時間 t 的關系曲線, 如圖4 所示。

由圖 4 可以看出, 此曲線近似為梯形。由于汽車的震動較大, 波形抖動較大, 另外, 汽車在上板和下板時, 對稱重板有一個沖擊。這兩段時間的采樣值較高,不過, 在汽車通過稱重板中間時, 曲線有一段平臺, 我們應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據的依據。取出平臺段并計算它的平均值可以采用的方法有判斷斜率法、 滾動比較法等。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 進行排序, 去掉 n/ 2個較小的采樣值, 保留 n/ 2 個較大的采樣值, 設為 b ₁ ,b ₂, ……b _m ( m= n/ 2);

② 求 b ₁ , b ₂ , ……,b _m 的平均值, 設為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 進行排序;

④在 c ₁ , c ₂ , ……,c _m 中找到n/ 4 個較小值 c ₁ ’ , c ₂ ’,……, c _p ’(p = n/4), 再找到與c ₁ ’ , c ₂’ ,……,c _p ’對應的b ₁ ’, b ₂’, ……,b _p ’;

⑤ 求 b ₁ ’, b ₂ ’, ……,b _p ’的平均值, 設為 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果中, 在采樣個數大于 500 個時, 精度可以達到< 2%。但是, 當采樣個數較多時, 采用傳統(tǒng)的冒泡排序法排序運算次數為 n ² ( n 為參加排序的數的個數), 運算時間較長, 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 個元素, 此時它們不成為堆了, 要再調整前 n- 1個元素為堆, 重復上述過程, 直到這個代表堆的二叉樹變?yōu)橐粋€結點為止。這時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 結束語

在本動態(tài)稱重系統(tǒng)中, 我們根據實際采樣波形, 設計特殊的數據處理方法, 從而實現(xiàn)高精度、 高效率的數據處理結果。在關鍵的模/ 數轉換環(huán)節(jié), 采用新型、高速、 高精度的 A/D 轉換器。其它環(huán)節(jié)也使用新型、 節(jié)能、 高性能的元器件。通過多次實驗, 我們設計的動態(tài)稱重系統(tǒng)技術參數能達到: 在靜態(tài)模式時, 精度高于 ±20kg; 動態(tài)模式時, 車輛以低于 15km/h 的速度通過時,誤差小于靜態(tài)時稱重值的 ± 2% ( 軸載荷和總重) 。本動態(tài)稱重系統(tǒng)主要特性包括: 重量輕, 便于攜帶; 可外接計算機輔助設備; 具有動、 靜態(tài)兩種工作方式; 精確測量動態(tài)車輛的重量; 自動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據; 全自動化的稱重過程; 資料自動存儲以便檢索、 統(tǒng)計。

參考文獻

1 李朝青. 單片機原理與接口技術. 北京: 北京航空航天大學出版社, 1994

2 何立民. 單片機應用系統(tǒng)設計. 北京: 北京航空航天大學出版社,1990

3 美國 某 公司產品資料.2000

4 某集成產品公司.MAXI M 產品數據手冊, 1999

5 吳哲輝. 算法設計與分析. 北京: 煤炭工業(yè)出版社, 1993

 

 

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