車載式貨車超載控制系統的設計

彭鵬峰，趙曉敏

（廣東工貿職業技術學院 汽車工程學院，廣東 廣州 510510）

前言

貨車超載危害極大，不僅損害公路和車輛自身，而且容易引發交通事故。在貨車肇事的道路交通事故中，有60%以上是由超載運輸引起的。目前，我國對于超載檢測主要是基于安裝在道路上的稱重設備，因公路路網廣無法做到全覆蓋，且很多司機故意繞開檢測站，治理效果不理想。

近年來，有部分學者將目光轉向汽車車載稱重領域，并將車載稱重技術和超載治理相結合。陳廣華等[1]開發的車輛超載監測系統，在車輛超載時將超載信息以短消息形式發送給相關超載監管部門；曹陽[2]開發的系統是在貨車超載時向駕駛室發出警告聲信息，警告無效，則與GPRS建立連接，鎖定目標監測，并將信息發給交管中心。上述研究只是對車輛的超載進行監測和預警，貨車超載后仍可繼續運行。為阻止超載車輛上路，史建慧等[3]開發的貨車超載自鎖系統可在車輛超載時，切斷啟動電路；謝建新等[4]開發的汽車全自動超載檢測裝置在車輛超載時車載ECU將會對汽車的起動系統做出干涉，禁止汽車起動。上述研究針對貨車超載后采取的控制措施是切斷啟動電路，但是車輛啟動時間很短，超載控制系統的響應若不夠迅速，就會造成控制失效。

本文設計一種車載式貨車超載控制系統，系統能實時監測車輛負載情況，當車輛超載時切斷發動機點火電路，使車輛自動熄火，從而使超載車輛無法上路，以期從根源上杜絕超載現象的發生。

1 系統總體設計

系統由稱重模塊、超載監測模塊、顯示模塊、報警模塊和超載控制模塊組成，系統結構框圖如圖1所示。稱重模塊根據傳感器的信號計算貨車載重量；顯示模塊對貨車載重量進行實時顯示；控制模塊在系統監測到超載時切斷車輛點火電路，使車輛無法運行。報警模塊由語音輸入模塊和喇叭構成，語音模塊中存放提前錄制好的語音報警信息。當系統監測到超載時觸發報警模塊，在喇叭中播放語音信息。

圖1 系統總體結構框圖

系統由位移傳感器、STM32單片機、OLED液晶顯示屏、1W喇叭、JQ8900-16P語音模塊芯片、繼電器等元件組成。系統由貨車上的蓄電池給供電，受點火開關的控制，只有當車輛啟動后系統才開始工作，當車速超過20 km/h時，系統停止工作。

2 單元模塊設計

2.1 超載監測模塊

超載監測模塊主要包括微處理器、電源電路、工作模式接口電路、復位電路等組成。微處理器采用STM32F103C8T6芯片，該芯片是是一款基于ARM Cortex-M內核32位的微控制器，特點是低成本、低功耗、實時性強，內部集成12位A/D模數轉換器，可將傳感器輸出的模擬信號直接轉換為數字信號[5]。芯片工作溫度為?40 °C～85 °C，滿足在貨車上使用的環境溫度要求。

2.1.1 電源電路

由于汽車電源電壓是12 V，而STM32F103C8T6單片機的工作電壓為3.3 V，需要進行降壓處理。而系統中還有一些元件，如繼電器、液晶顯示屏的工作電壓是5 V，因此需要提供兩種電壓。首先將12 V電壓降為5 V，然后再將5 V電壓變壓為3.3 V，電路圖所圖2和圖3所示。

圖2 12 V到5 V的轉換電路

圖3 5 V到3.3 V的轉換電路

2.1.2 工作模式接口電路

芯片工作模式接口電路如圖4所示。當引腳1和2連通時為下載模式，引腳2和3連通時為工作模式。

圖4 工作模式接口電路

2.2 稱重模塊

稱重模塊由4個光電式位移傳感器組成，傳感器安裝在車橋上鋼板彈簧U型螺栓旁5 cm的位置，每根車橋上安裝2個。傳感器的分辨率為0.1 mm，量程為50～500 mm，工作電壓為12 V，輸出信號為0～5 V。傳感器的實物圖和接線圖如圖5所示。

圖5 傳感器的實物圖和接線圖

2.2.1 稱重原理

鋼板彈簧變形量與貨車載重量之間存在映射關系，在不同載重量下其鋼板彈簧變形量不同。本文基于人工神經網絡搭建貨車載重量預測模型，根據前、后軸上鋼板彈簧變形量間接獲得貨車載重量。

通過位移傳感器測量車橋和車架間的距離，則鋼板彈簧在某一載重量下的變形量x可由下式計算得到。

式中，x1、x2分別為空載和加載狀態下傳感器測到的數值。

本研究所用的測試車輛為兩軸交通計量車，核定載荷為6 T。用重量為1 T的標準計量砝碼對其進行加載試驗，從空載起以1 T的步長加載至10 T，獲取不同載荷下各組鋼板彈簧的變形量。變換砝碼的位置再次測量，共進行了10輪測試，得到100組數據。根據采集到的彈簧變形量及貨車載重量數據，基于BP神經網絡搭建貨車載重量預測模型，網絡拓撲結構如圖6所示。輸入為4個神經元，分別為4個鋼板彈簧的變形量，輸出為1個神經元，即貨車的載重量，隱層神經元為8個。

圖6 貨車載重量預測模型網絡拓撲結構

將樣本數據的90%作為訓練樣本集，用于對模型進行訓練，其余的作為測試樣本集。BP神經網絡模型的訓練原理為：

記輸入x=（x1，x2，x3，x4）T，隱藏層的輸出為y=（y1，y2，…，y8）T，網絡輸出為z，目標輸出為zs。從輸入層到隱藏層的傳遞函數為sigmoid函數，記為f()，從隱藏層到輸出層的傳遞函數為線性函數，記為g()。于是，可得：

式中，yj表示隱藏層第j個神經元的輸出，wij為第i個輸入神經元與第j個隱藏層神經元的連接權值，θj為隱藏層第j個神經元的激活閾值。

式中，wj為第j個隱藏層神經元與輸出層神經元的連接權值，θ為輸出層神經元的激活閾值。

網絡輸出與目標輸出的誤差為：

在網絡誤差未滿足預期的精度時，網絡沿著反向傳播，對網絡中各隱層的各個神經元的權值進行調整，根據調整后的權值，重新計算網絡輸出誤差[6]。通過不斷的調整權值和迭代運算，直到誤差精度達到要求為止。

設置網絡誤差目標值為0.000 1，經過多次訓練，取結果最好的一次。模型訓練好之后，網絡中各層間神經元的連接權值和神經元激活閾值就確定下來，根據這些數據就可建立鋼板彈簧變形量與貨車載重量之間的關系表達式。經測試，本研究所搭建的貨車載重量預測模型對10組測試樣本的預測值與其實際值的相對誤差均在5%以內，滿足工程使用要求。

2.2.2 電路設計

因傳感器輸出的最大電壓超過芯片所允許的電壓，將傳感器輸出信號通過一個分壓電路處理后再給芯片PA口，傳感器及分壓電路見圖7所示。

圖7 傳感器及分壓電路

2.3 超載控制模塊

2.3.1 超載控制策略

圖8為測試車輛點火系統電路圖。根據圖可知，點火模塊的點火指令由ECM給出，但其工作電源受IG繼電器控制。只有當點火開關打到IG檔時，IG繼電器才通電，然后才能將電送到點火模塊。對點火系統電路進行改動的方案有：一是在ECM和點火器間的連接線上串接由單片機控制的開關；二是在IG繼電器和點火控制器之間的連接線路上串接開關。由于第一種方案在每個點火模塊與ECM間都要串接一個開關，改動量大，控制較為復雜。因此，本系統采用后一種方案，在1A-4和BA1-8間布設開關。由于這條線路同時也給噴油器供電。這條線路斷開，噴油和點火都不能工作。

圖8 點火系統電路圖

2.3.2 電路設計

超載控制模塊電路由三極管、5腳繼電器、二極管等元件構成，如圖9所示。用芯片控制三極管基極電路，三極管控制繼電器電磁線圈的通斷電，繼電器常閉觸點串接在點火電路中。當檢測到超載時，通過芯片I/O口給三極管基極一個觸發電流，從而控制繼電器斷開，切斷點火電路。

圖9 控制模塊電路圖

3 總結

本文基于STM32單片機設計了一種車載式貨車超載控 制系統。在貨車前后軸的兩端安裝位移傳感器用于測量各個鋼板彈簧變形量，通過對車輛進行加載試驗獲得大量的鋼板彈簧變形量和載重量數據，基于人工神經網絡搭建貨車載重量預測模型，從而實現根據傳感器的信號即可測得貨車載重量。系統將載重量信息在液晶顯示屏上進行實時顯示。當監測到超載時，系統將觸發語音報警模塊對駕駛員進行超載提示，并切斷發動機點火電路，使車輛無法運行。