車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于周斐， 楊 旭， 劉 健， 宋雨欣， 郭中旺

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 電子工程學(xué)院， 天津300222）

0 引 言

如今汽車的超載現(xiàn)象非常嚴(yán)重，影響道路交通安全。 根據(jù)調(diào)查，目前汽車超載違規(guī)檢查方式還停留在靜態(tài)檢測上，檢測時(shí)間長、檢測系統(tǒng)安裝過程復(fù)雜并且工期長，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。 在收費(fèi)站和倉庫等需要載重檢測的地方經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)排隊(duì)等待載重檢測的現(xiàn)象［1－3］。

為了解決這些問題，通過使用壓電薄膜作為檢測裝置的核心設(shè)備，設(shè)計(jì)了一款安裝快捷、可檢測高速車輛載重的動(dòng)態(tài)載重檢測裝置，并配合無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)共分為3 個(gè)部分：

（1）傳感器部分包括載重檢測傳感器、攝像頭傳感器等。 系統(tǒng)通過載重傳感器檢測車輛在行駛過程中的載重信息，攝像頭對車輛進(jìn)行拍照和記錄；

（2）手持控制裝置，微處理器通過Zigbee 網(wǎng)絡(luò)和手持控制裝置進(jìn)行通信。 手持控制裝置上可以查看系統(tǒng)所采集的車體重量和圖片數(shù)據(jù)；

（3）TCP 服務(wù)器，微處理器通過WIFI 網(wǎng)絡(luò)將打包的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和保存等操作［4］。

車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of vehicle dynamic weighing system

2 載重檢測技術(shù)原理分析

2.1 動(dòng)態(tài)稱重原理分析

當(dāng)有車輛通過時(shí)，壓電薄膜傳感器在車輪對其壓力的作用下產(chǎn)生電荷，電荷經(jīng)電荷放大模塊轉(zhuǎn)化為所需的電壓信號，電壓信號經(jīng)微處理器的AD 模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后將數(shù)據(jù)打包通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

為了與本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單電荷放大功能的要求相匹配，對市場中常用的電荷放大模做了進(jìn)一步改進(jìn)。

下面介紹本次放大模塊中用到的兩種放大測量電路：

在電荷放大器模塊中，用Cs、Ce、Ci分別表示傳感器極間電容值、傳感器傳輸電纜的電容值、電荷放大器的輸入電容值，其輸出電壓Vout與輸入電荷Q成正比，Rfs 表示放大器的反饋電導(dǎo)，見公式（1）和公式（2）。 電荷放大器電路圖如圖2 所示［5］。

圖2 電荷放大電路Fig.2 Charge Amplifier Circuit

在電壓放大器中，輸出電壓與輸入電壓成正比的關(guān)系［6］：

設(shè)R3＝0

其中，輸入電阻和反饋電阻分別為Ri和Rf，輸入電容和輸出電容分別為Ci和Ce為連接電纜的分布電容，Cs為壓電器件電容，施加在壓電薄膜傳感器上的力為F，壓電常數(shù)為d［3］。（不能從［3］開始）電壓放大器電路如圖3 所示。

圖3 電壓放大電路Fig.3 Voltage Amplifier Circuit

由以上計(jì)算得出結(jié)論：電荷放大器的輸出與傳輸電纜的電容和傳感器無關(guān)，電壓放大器的輸出與傳輸電纜的電容和傳感器相關(guān)聯(lián)，時(shí)間常數(shù)和增益可自行調(diào)整，因此，本次設(shè)計(jì)中將電荷放大器簡化為非理想情況下的電路模型。 非理想情況下的電路模型如圖4 所示。

圖4 非理想運(yùn)放下的電荷放大電路Fig.4 Charge Amplifier Circuit for Non － ideal Operational Dropping

K 是運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)， Ri→∞，Cf?Rf，可得出：

當(dāng)K 增大到一定程度時(shí)， (1 ＋K) Cf?Cs＋Ce＋Ci，因此，當(dāng)K 減小到一定程度時(shí)，傳輸電纜的電容會(huì)對測量結(jié)果產(chǎn)生誤差：

為了減小測量誤差，可增大Cf和K，Ci忽略不計(jì)。 由上述討論，通過改變電路各原件參數(shù)，最終可獲得比較理想的信號［7］。

2.2 軟件分析

軟件由微處理器中的軟件和服務(wù)器中的軟件兩大部分構(gòu)成。

在微處理器中，軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）通過AD 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；

（2）把得到的信號串行發(fā)送至服務(wù)器。

服務(wù)器中處理的軟件部分以圖形化編程的方式完成。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)硬件包括電源供電電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、電荷放大器電路、觸摸屏電路、無線通信電路、SD 卡電路。

3.1 微處理器最小系統(tǒng)電路

本 設(shè) 計(jì) 采 用 的 微 處 理 器 型 號 為STM32F103ZET6，微處理器全部的電源引腳并聯(lián)20 pf 電容進(jìn)行3.3 V 供電，使芯片內(nèi)部不同區(qū)域的電路運(yùn)行。 將外部晶振Y2 兩端并聯(lián)22 pf 電容，將時(shí)鐘信號輸入到微處理器之中，使微處理器在運(yùn)行的時(shí)候有了時(shí)間依據(jù)。 在程序的下載過程中，將微處理器的SWDIO、SWCLK、GND 引腳連接到下載器中，便可以進(jìn)行程序下載。 如圖5 所示。

圖5 微處理器最小系統(tǒng)Fig.5 Minimum System of Single Chip Microcomputer

3.2 電源電路

系統(tǒng)通過12V 外部電源進(jìn)行供電，使用多級降壓模塊產(chǎn)生不同的電壓。 第一級采用LM2596 降壓芯片對外部電源進(jìn)行降壓，使第一級的輸出電壓為5 V，系統(tǒng)電源直接對LM2596 的輸入端口進(jìn)行供電。 在輸出端口，通過串聯(lián)68uH 電感、并聯(lián)IN5824穩(wěn)壓管的形式穩(wěn)定輸出電壓。 在第二級中采用AMS117 降壓芯片，在芯片的輸入引腳接入5 V 電壓，AMS117 芯片會(huì)在芯片內(nèi)部自動(dòng)將5V 的電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V 電壓，對電路進(jìn)行供電。

3.3 電荷放大器電路

在電荷放大電路中，采用LMC660 運(yùn)算放大器芯片，實(shí)現(xiàn)簡易的電荷放大電路。 在輸入信號的第一級采用同相比例放大器電路，同時(shí)引入了電流串聯(lián)負(fù)反饋，起到了穩(wěn)定輸出電流的作用。 在輸入信號的第二級，共劃分了三個(gè)等級進(jìn)行輸出，CH1.1A1和CH1.1A2 通道采用了積分運(yùn)算放大器電路，使輸出呈線性變化。 CH1.1A_TP 采用電壓跟隨器，起到了緩沖器的作用。 在電路的芯片電源接口處，為防止電源不穩(wěn)定造成的輸出不穩(wěn)定，加入了電容進(jìn)行濾波［8］，如圖6 所示。

圖6 電荷放大器電路Fig.6 Charge Amplifier Circuit

3.4 TFT 液晶屏電路

TFT 液晶屏采用16 根數(shù)據(jù)線、6 根指令線、1 根片選信號線、1 根時(shí)鐘線進(jìn)行控制。 在電源供電處，通過并聯(lián)電容的方式穩(wěn)定電壓，防止因?yàn)殡妷翰▌?dòng)造成的燒壞屏幕。 同時(shí)將數(shù)據(jù)線、指令線、片選信號線、時(shí)鐘線直接連接到微處理器上，起到了驅(qū)動(dòng)液晶屏幕的作用［9］。

3.5 無線通信電路

在無線通信電路中接入了Zigbee 和WIFI 共2種通信電路。 Zigbee 模塊和WIFI 模塊每個(gè)模塊都是由2 根信號線和2 根電源線構(gòu)成，供電采用5V 供電方式，每個(gè)模塊的信號線通過USART 方式控制，在電路中將微處理器的USRT 接口直接連接到Zigbee 模塊和WIFI 模塊的信號線接口。

3.6 SD 卡電路

SD 卡模塊通過SPI 的方式與微處理器通信，SD卡的SPI 總線和微處理器的SPI 總線直接連接，使用電源電路的3.3V 電壓為SD 卡模塊供電。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用Rt－Thread 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 在本地采用微處理器數(shù)據(jù)采集，通過Zigbee 進(jìn)行本地的人機(jī)互動(dòng)通信，通過手持的觸摸屏通信，也可以通過手機(jī)連接阿里云進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，通過攝像頭實(shí)時(shí)拍照。

4.1 微處理器程序設(shè)計(jì)

微處理器程序中包含了載重?cái)?shù)據(jù)采集和攝像頭數(shù)據(jù)采集，本地?cái)?shù)據(jù)保存到SD 卡中，將要傳輸給觸摸屏和云端的數(shù)據(jù)打包并且上傳。

在微處理器中，通過Rt－Thread 采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對接收到的攝像頭數(shù)據(jù)、AD 采集到的車輛載重?cái)?shù)據(jù)、上位機(jī)的操作數(shù)據(jù)進(jìn)行輪轉(zhuǎn)調(diào)度，使其以較高的效率運(yùn)行。 同時(shí)對采集到的數(shù)據(jù)通過動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理系統(tǒng)進(jìn)行管理。

微處理器的數(shù)據(jù)上傳過程中，通過Rt－Thread自帶的HTTP 協(xié)議與阿里云通信，將數(shù)據(jù)打包上傳到云端服務(wù)器中。

微處理器接收到攝像頭的數(shù)據(jù)后，會(huì)將攝像頭的打包數(shù)據(jù)直接以JPG 的格式存儲到SD 卡中，同時(shí)把數(shù)據(jù)以HTTP 的格式打包發(fā)送到云端進(jìn)行保存。 如圖7 所示。

圖7 微處理器流程圖Fig.7 Microprocessor Flow Chart

4.2 攝像頭程序

攝像頭數(shù)據(jù)采集采用Openmv3。 Openmv3 是用Python 編寫的程序。 攝像頭接收到微處理器發(fā)送的拍照指令后拍照，將照片數(shù)據(jù)發(fā)送到微處理器上［10］，如圖8 所示。

4.3 阿里云設(shè)置

在云端，利用可視化的編程，配置硬件的數(shù)據(jù)接口編寫程序，對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，并將數(shù)據(jù)整理保存。

圖8 攝像頭流程圖Fig.8 Camera Flow Chart

5 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)的車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)經(jīng)過測試，實(shí)現(xiàn)了車輛動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)檢測、對攝像頭采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同步等設(shè)計(jì)目標(biāo)。 系統(tǒng)使用了特殊的壓電薄膜傳感器，達(dá)到以70km／h 的速度進(jìn)行重量檢測。 檢測速度快且精確，不但實(shí)現(xiàn)了最初城市路段的檢測，還適用于各種高速路的測量檢測。 但是，系統(tǒng)設(shè)計(jì)還有進(jìn)一步的提升空間，后續(xù)的設(shè)計(jì)將著重以智能化為主，當(dāng)檢測到車輛出現(xiàn)超重過載情況，信息同步交通管理系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)處罰，還可以在檢測站添加自動(dòng)扣費(fèi)功能，使車輛進(jìn)出收費(fèi)路段可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)，更加方便快捷。