車輛軸載質量動態監測系統的設計與實現

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輛軸載質量動態監測系統。該系統能夠在車輛行駛狀態下，實時監測、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展，公路運輸業成為國民經濟中的支柱產業之一，運輸車輛的數量也在成幾何基數增長。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，超載在給國家帶來的損失也是數以億計；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象的發生。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的隨時稽查，具有很強的機動性。

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；并具有歷史記錄查詢、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轉換器件AD7714。該芯片內集成了緩沖器、時鐘發生器、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技術實現Ａ/Ｄ轉換，使它更加不受噪聲環境的影響, 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良特性，非常適合于工業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，為進一步提高測量精度，還必須充分考慮傳感器的線性度。在該系統中，采用了傳統的分段線性化處理，取得了非常理想的效果。


圖2 下位機系統硬件電路圖

3軸載質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，動態測量誤差小于2%FS。
c、 車行速度在10~20km/h的情況下，動態測量誤差小于6%FS。
d、 車行速度在20~40km/h的情況下，動態測量誤差小于15%FS。
e、 車行速度在40km/h以上的情況下，動態測量誤差大于15%FS。

圖5 行駛速度與動態測量誤差關系圖

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，我們將要開發出車輛行駛速度范圍更寬（40~120km/h）的動態監測產品，使系統的實用化進一步加強，這對于規范管理整個運輸市場的超載現象的發生，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. 北京：北京航空航天大學出版社，2002.4