基于差動式電容傳感器的車輛載荷檢測系統

摘 要：針對傳統車輛載荷檢測系統存在的不足，提出了一種電容式車輛載荷檢測系統，該系統的載荷檢測傳感器采用差動式結構，大大提高了測量的靈敏度和非線性，電容測量線路采用差動脈沖寬度調制集成測量電路，數據的采集和處理采用自帶A/D轉換器的STC89LE516AD單片機芯片，數據通信采用無線通信模式。這種載荷檢測系統結構簡單、成本低廉、安裝方便、性能可靠、測量電路簡單、抗干擾性好，可用于交通數據的采集和便攜式測量，具有良好的使用前景。

關鍵詞：車輛載荷檢測； 差動式電容傳感器； STC89LE516AD芯片； 無線通信

中圖分類號：TN712-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)09-0190-03

Vehicle Load Detection System Based on Differential Capacitance Sensor

CHEN Mei

(Department of Physics and Information Engineering,Shangqiu Normal University,Shangqiu 476000,China)

Abstract： Aiming at the shortage of present vehicle load detection system,a capacitive vehicle load detection system is introduced. In the system,the load detection sensor used differential structure,which greatly improved the measurement sensitivity and non-linear,the capacitance measurement circuit used differential pulse width modulation integrated circuit,data acquisition and processing used STC89LE516AD single chip which has its own A / D converter,data communication used wireless communication mode. This load detection system has simple structure,low cost,easy installation,reliable performance,simple measurement circuit and good anti-jamming. The system can be used for traffic data collection and portable measurement,and has good application prospects.

Keywords： vehicle load detection; differential capacitance sensor； STC89LE516AD chip; wireless communication

0 引 言

隨著公路運輸業和商業貿易的不斷發展，車輛載荷檢測技術已成為測量領域研究的重點。目前比較常用的車輛動態載荷檢測傳感器主要有彎板、壓電軸、單傳感器、車載電容傳感器及光纖傳感器［1-4］。這些載荷檢測傳感器多適用于固定式安裝，對路面情況要求較高，即使一些便攜式車輛載荷檢測傳感器也因為重量過重、體積過大的缺點無法真正實現便攜測量。同時，一些傳感器測量技術過于復雜，傳感器價格過于昂貴。因此，為了減小安裝和維護成本，提高車輛動態載荷檢測系統的便攜性，本文提出了一種電容式車輛載荷檢測系統，該系統中載荷檢測傳感器采用差動式結構，大大提高了測量的靈敏度和非線性，電容測量線路采用差動脈沖寬度調制集成測量電路，數據的采集和處理采用自帶A/D轉換器的STC89LE516AD單片機芯片，數據通信采用無線通信模式。這種載荷檢測系統結構簡單，成本低廉，安裝方便，差動式電容載荷傳感器抗干擾能力強、動態響應好、測量范圍寬、靈敏度高、穩定性能好。

1 差動式電容車輛載荷檢測系統

差動式電容車輛載荷檢測系統如圖1所示。

圖1 差動式電容車輛載荷檢測系統組成框圖

車輛載荷檢測裝置為便攜式，使用時鋪設在路面上。手持裝置為測量系統控制單元，通過無線通信方式對檢測裝置發出指令和接收數據。載荷檢測傳感器采用差動式電容載荷傳感器［5］，傳感器將載荷的變化轉變為電容值的變化。電容測量電路采用獨特的差動脈沖寬度調制集成電路，將來自于差動式電容載荷傳感器的極其微弱的電容信號采集出來，并轉化成易于檢測的電壓信號。數據處理模塊采用內部自帶8路8位A/D轉換器的電壓輸入型STC89LE516AD單片機芯片。數據處理模塊對信號進行A/D轉換、數據采集、數據處理，之后，將處理后的載荷結果輸出。為了減少線路鋪設的麻煩，增加工作人員的安全性，檢測系統的數據通信采用無線通信裝置。

2 差動式電容載荷傳感器結構及工作原理

差動式電容載荷傳感器結構示意圖如圖2所示。它主要由測量頭、外殼、敏感元件(彈性體)、定極柱、動極柱、電極、等位環、引出線等構成。其特點為：測量范圍寬；靈敏度高，便于拾取信號；極板間不接觸、不變形、不磨損，機械損失小、壽命長；電容傳感器受溫度影響小；動態性能好；結構簡單、適應各種惡劣環境和場合。

圖2 差動式電容載荷傳感器結構示意圖

傳感器的測量頭和殼體為間隙配合，兩者之間可相對滑動，并有定位螺釘定位測量頭的初始位置，定位螺釘同時也起到測量頭滑動時的定向作用，還可使施力物體保持相對穩定。測量頭由敏感元件(彈性體)支撐，它受外力作用后把該力傳給敏感元件。敏感元件(彈性體)位于測量頭和殼體之間，起感受外力并按一定關系轉化為機械位移量的作用。動、定極柱為中空圓柱型，其表面鍍有電極。動極柱與測量頭粘接為一體，隨測量頭一起滑動。定極柱與殼體粘接為一體，相對固定不動。在動、定極柱電極的兩端均設有等位環，以減小電容邊緣效應，提高測量精度。

當差動式電容載荷傳感器受外力F作用時，測量頭把該力傳給敏感元件，敏感元件是彈性系數為k的彈性體，在該力作用下發生彈性變形，其變形量d與作用的外力成正比。敏感元件的變形使得測量頭以及動極柱上的電極移動同樣的距離d。此時，差動電容載荷傳感器的電容值將產生相應的變化，其變化量為Δc，測量頭移動的距離d與傳感器輸出電容的變化量Δc成正比。由此可知，被測物體所受外力F與差動式電容載荷傳感器的輸出電容變化量Δc成正比，即：F=kL2c0Δc(式中，k為敏感元件的彈性系數;L為動極柱與定極柱初始覆蓋部分長度;c0為單個電容電極間的初始電容)。只要由測量電路檢測出電容的變化量Δc，就可知物體所受的外力F。

3 電容測量電路

差動式電容載荷傳感器是將被測載荷的變化轉換為電容量的變化輸出，而電容傳感器所產生的電容量很微小，電容極板引線與地之間產生的雜散電容往往大于被測電容。因此小電容轉換測量技術一直被人們所重視。然而，一般的檢測電路結構比較復雜，精確度較低，不能滿足測量要求。為了提高測量的靈敏度，針對差動式電容載荷傳感器，在基于四相檢測技術的電荷轉移式電容檢測電路［6］的基礎上，設計采用了差動脈沖寬度調制集成測量電路［7］，該電路具有集成度高、實現了電容傳感器頭有源化、輸出脈沖方波、省去高頻激勵信號源、功耗低、抗干擾能力強、分辨率高等特點，尤其適合差動式電容傳感器的測量。其內部結構框圖如圖3所示，圖中的虛線框內為差動式電容傳感器的兩個可變電容C1和C2。

圖3 差動脈沖寬度調制集成電路內部結構框圖

工作原理如下:設直流電源接通時，Q端為高電平，Q端為低電平，則信號控制單元使充放電網絡1向電容C1充電，C1上電壓漸升，一旦達到電路控制電平值，信號處理單元使Q端立即變為低電平，而Q端為高電平；此時，電容C1上的電壓經充放電網絡1迅速放電至零，同時信號控制單元使充放電網絡2向電容C2充電，C2上電壓漸升，一旦達到電路控制電平值，信號處理單元再次使Q端為高電平，Q端為低電平；于是又開始下一周期的C1充電C2放電，……，如此周而復始，在差動脈沖寬度調制集成電路的輸出端各產生一串其寬度受C1和C2電容變化量控制的矩形方波。當C1=C2時，Q和Q端電壓波形反相對稱，從Q端與Q端取出的兩個平均值電壓之差將等于零。當被檢測的載荷使電容C1>C2時，兩輸出端的電壓平均值之差為：V0=ΔddV1 (其中V1為充電網絡輸入的電壓值)，可獲得較好的線性度。

4 數據采集與處理

數據的采集與處理單元采用自帶A/D轉換器的STC89LE516AD單片機芯片，完成數據采集、模數轉換、數據處理以及驅動顯示單元。當時鐘在40 MHz以下時，每17個機器周期可完成一次A/D轉換。STC89LE516AD單片機與差動脈沖寬度調制集成電路結合起來，完成電容傳感器的檢測。其主程序和A/D轉換程序流程圖如圖4,圖5所示。

圖4 STC89LE516AD芯片主程序

圖5 A/D轉換子程序

5 數據通信

數據的傳輸采用無線通信模塊。利用nRF401無線收發芯片和控制單片機89C52實現差動式電容車輛載荷檢測系統中的無線通信，具有硬件電路簡單、成本低廉、編程簡便、通信可靠性高等優點［8］。無線通信技術在車輛載荷檢測系統中的應用，使執法人員可以方便地通過手持儀器對公路車輛進行不停車載荷檢測，大大提高了工作效率。

無線通信裝置包括載荷檢測裝置和手持裝置兩部分。載荷檢測裝置接收手持裝置的指令，向手持裝置輸送載荷結果，必要時向手持裝置輸送車輛類型、車牌號數據，進行誤差校正；手持裝置中超聲波信號發射和數據接收裝置向載荷檢測裝置發出指令，接收來自載荷檢測裝置的數據；單片機系統接收數據后送給顯示裝置，并可以與PC機建立數據聯系；PC機形成局域網后，可以完成信息收集、顯示、查詢、檢索以及數據分析統計、處理、存儲等多項工作。

從圖1中可以看出，載荷檢測裝置對車輛的載荷進行檢測和處理，從單片機按照控制命令接收車輛的載荷檢測裝置的數據，與主機進行數據通信。圖6為從單片機構成的顯示及收發控制系統的硬件組成框圖，主要包括采集與數據處理模塊、看門狗、復位電路、電源監控電路、實時時鐘電路、無線收發模塊、控制單片機、信息輸出單元等部分。控制單片機選用Atmel公司的89C52。

圖6 從機顯示及收發控制系統硬件結構框圖

圖1中的手持儀器為主機，主機的硬件結構框圖如圖7所示，由控制單片機、顯示電路、看門狗、復位電路、電源監控電路、實時時鐘電路、按鍵、無線收發模塊，以及串行通信電路組成。

圖7 主機硬件結構框圖

當道路管理人員按動手持儀器的控制按鍵，要求讀取數據，主機接到命令后，向從機發送命令，通過無線收發模塊接收從機載荷數據，然后在手持儀器的顯示屏幕上顯示載荷信息和車輛有關信息，并且可以根據需要通過串口通信上傳至道路管理部門的計算機。與從機相比，主機多了一個用來與計算機通信的串行口。此串口采用RS 232標準，可用MAX232芯片實現。

6 結 論

基于差動式電容傳感器的車輛載荷檢測系統，具有機械結構簡單、性能可靠、測量電路簡單、抗干擾性好、體積小、性價比高等特點。實際的試驗測試結果表明，該車輛載荷檢測系統對車輛進行動態載荷檢測，車輛總載荷的測量誤差在10%以內，其精度優于ASTM E131-02給出的Ⅰ類WIM(Weigh-in-Motion)系統精度 (置信95%時總重誤差±10% ) ，可用于交通數據采集，尤其適合公路稽查人員進行便攜式測量，具有良好的使用前景。

參考文獻

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