高速公路計重收費系統(tǒng)中輪軸識別器改進(jìn)設(shè)計與實現(xiàn)

馬向亮

（太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

自計重收費系統(tǒng)實行以來，高速公路管理局不僅對車輛軸型識別率要求很高，而且要求設(shè)備使用期較長，以此保證車輛正常通過收費站。而原輪軸識別器，需要經(jīng)常維護(hù)，不僅成本高，而且電路板經(jīng)常被燒壞，識別率比較低，影響收費站工作效率。針對電路板經(jīng)常被燒壞的問題，筆者從電源硬件電路著手進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，如：加上了壓敏電阻和熱敏電阻。針對識別率低的問題，對硬件電路進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，如：添加了模擬放大電路模塊。

1 電源電路的改進(jìn)

在現(xiàn)場使用中，電路板經(jīng)常出現(xiàn)燒壞，尤其是在打雷、閃電之后，分析其原因，對電源電路進(jìn)行改進(jìn)。

其原電路圖如圖1所示，而改進(jìn)后的電路圖如圖2所示。

圖1 原電源電路圖Fig.1 Original power circuit

圖2 改進(jìn)后的電源電路圖Fig.2 Improved power circuit

由兩個電路圖比較可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的電源在插座的一端接入了一個壓敏電阻而不是直接接入大地，在另一端和電容C1也并上了一個壓敏電阻之后串聯(lián)了一個正的熱敏電阻。壓敏電阻是一種在一定電流電壓范圍內(nèi)其電阻值隨電壓而變的電阻，而當(dāng)它兩端的電壓超過它的閾值時，流過它的電流激增，相當(dāng)于閾門打開，從而可以抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常高壓，保護(hù)電路免遭過高電壓的損害。正的熱敏電阻在工作中，其溫度與其他元件的溫度相近，串聯(lián)在電路中不會阻礙電流通過，但當(dāng)電路突然出現(xiàn)過電流時，熱敏電阻由于發(fā)熱功率增加導(dǎo)致其溫度上升，當(dāng)溫度超過開關(guān)溫度時，電阻瞬間會劇增，導(dǎo)致電路中的電流會迅速減少到安全值，從而起到保護(hù)電路免受突然增加的電流而損壞。

由以上可知，電路經(jīng)常被燒壞，基本上都是由電路電源提供的電壓突然增大或電流突然增大造成的，尤其是打雷閃電。本設(shè)計就是從源頭上避免這種電壓電流增大造成的損壞。

2 輪軸識別器硬件電路改進(jìn)

在現(xiàn)場使用中，輪軸識別器識別出的軸數(shù)經(jīng)常出現(xiàn)丟軸少軸的現(xiàn)象，識別率比較低，在車多時經(jīng)常出現(xiàn)卡死等現(xiàn)象，影響工作效率，分析其整個電路工作過程，對其硬件電路進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 原輪軸識別器介紹

原來的輪軸識別器總的結(jié)構(gòu)比較簡單，如圖3所示，其電路主要有模擬開關(guān)和微處理器組成，傳感器檢測到的信號經(jīng)過模擬開關(guān)送往微處理器對其進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理完成后將其送入上位機(jī)或儀表，供上位機(jī)或儀表使用[1]。

圖3 原輪軸識別器總的結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Original tire recognizing structure

2.2 改進(jìn)后的輪軸識別器

改進(jìn)后的輪軸識別器總的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其電路主要有模擬放大模塊、微處理器模塊、AD轉(zhuǎn)換器模塊、電子模擬開關(guān)和輸出指示。與原來電路相比主要增加了模擬放大模塊、AD轉(zhuǎn)換器模塊和輸出指示[2]。

圖4 改進(jìn)后的輪軸識別器總的結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Improved tire recognizing structure

放大器的作用就是將輸入的微小電壓按一定的倍數(shù)放大，這樣在電路中不易被電阻等其它元器件消耗掉。改進(jìn)后的輪軸識別器放大模塊中有兩個放大器一個是OP07運算放大器，一個是AD620儀表放大器。OP07是一種高精度運算放大器，具有極低的輸入失調(diào)電壓，極低的失調(diào)電壓溫漂及長期穩(wěn)定等特點。AD620是一款高精度儀表放大器，具有低失調(diào)電壓和低失調(diào)漂移特性，是電子稱和傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的首選。

電子模擬開關(guān)選用高性能的比如切換速度必須足夠快，以此滿足車輛在快速通過傳感器時產(chǎn)生的信號能夠完整的通過它。

A/D轉(zhuǎn)換器通過一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。模擬量可以是電流、電壓等電信號，也可以是濕度、位移、聲音等非電信號。在A/D轉(zhuǎn)換前，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的信號必須經(jīng)各種傳感器把各種物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號[3]。它的選擇也必須滿足現(xiàn)場測量的要求，尤其在轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度上。它是整個電路的關(guān)鍵部分，其性能的優(yōu)劣將直接影響到整個電路板的整體性能。

輸出指示主要是LED燈顯示。

通常情況下，傳感器的輸出信號是比較小的只有零點幾毫伏，非常微弱。經(jīng)放大模塊里的AD620儀表放大器和OP07運算放大器放大幾倍后，再經(jīng)電子模擬開關(guān)送其人AD轉(zhuǎn)換器，此時的AD轉(zhuǎn)換器與電子模擬開關(guān)直接相連。 CPU是整個電路板的核心處理器，它不僅擔(dān)任著數(shù)據(jù)信號的處理，而且還協(xié)調(diào)AD轉(zhuǎn)換器和電子模擬開關(guān)的工作。輸出指示電路是主要是為了現(xiàn)場觀察和調(diào)試方便。

通過兩個電路的比較可知，原輪軸識別器沒有放大器模塊，傳感器采集到的信號很可能被電阻消耗等而消失，而且其處理數(shù)據(jù)方式比較簡單。

實測證明：改進(jìn)后的輪軸識別器處理速度加快，識別率大大提高，很少出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

3 輪軸識別器的軟件實現(xiàn)

該系統(tǒng)軟件采用C語言編程，C語言是美國貝爾研究所推出的，C語言已經(jīng)成功移植到大、中、小及微型機(jī)上。它既可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計語言，編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以編寫不依賴計算機(jī)硬件的應(yīng)用程序。它的應(yīng)用范圍非常廣泛，且具備很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，具體應(yīng)用比如嵌入式、單片機(jī)等。主要程序代碼如下：

1）主函數(shù)：

2）AD處理函數(shù)：

4 結(jié)束語

現(xiàn)場實測證明：對輪軸識別器的進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計后，總體來說，本文的設(shè)計增加了防雷、閃電等功能，而且提高了處理數(shù)據(jù)速度和能力。應(yīng)用于高速公路計重收費系統(tǒng)后，電路板很少出現(xiàn)燒壞卡死的現(xiàn)象，而且識別率大大提高，應(yīng)用穩(wěn)定。

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