王立忠，王薏林，賀五洋，彭 路，劉 微，許德成

(吉林師范大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，吉林四平136000)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城鎮(zhèn)化步伐的加快，城市出租汽車數(shù)量也迅速增多，出租車計價器的需求量相應(yīng)增大。每年都需要對出租車計價器進行檢定，工作量較大。出租車計價器檢定裝置是一種采用模擬車輛行走的原理，對各類出租汽車計價器使用誤差進行整體檢測，并通過計算機配套軟件對檢測結(jié)果進行科學(xué)分析與管理的專用系統(tǒng)，對出租車計價器“K”值(計價器常數(shù))年檢，是保證出租車計價器正確計量的必要設(shè)備。早期的出租車計價器檢定裝置全部由機械元器件組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差。目前所用的電子線路代替部分機械元器件的半電子式出租車計價器裝置受機械元件的磨損程度影響較大，因此，計價準(zhǔn)確性難以保證。另外，檢定裝置存在自動化程度不高，檢測效率低，操作不便及維修困難等缺點［1－5］。為此，計量單位目前所用的計價器檢定裝置已經(jīng)不能滿足要求。根據(jù)國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗總局2009年發(fā)布的JJG517－2009出租車計價器檢定規(guī)程的要求，出租車計價器不能使用電子分頻器，也不能引用電子車速里程表傳感器的信號替代計價器傳感器［6－8］。

筆者以單片機AT89C52為核心設(shè)計的出租車計價器檢定裝置，通過控制變頻器控制電機的運轉(zhuǎn)速度和累計轉(zhuǎn)數(shù)，拖動出租汽車計價器的傳感器按要求運轉(zhuǎn)，檢定出租汽車計價器本機的計程誤差。出租車計價器檢定裝置是由機械部分、單片機電控部分和計算機管理軟件等組成。電控部分主要由單片機控制模塊、轉(zhuǎn)速檢測模塊、電機驅(qū)動模塊、紅外收發(fā)模塊和電源模塊及顯示模塊組成。該裝置采用自動檢定方式，檢測信號采取無線傳輸模式，減少布線麻煩，提高了工作效率。筆者詳細敘述了裝置電控部分的軟硬件設(shè)計方法，并說明了安裝和調(diào)試步驟。

1 裝置結(jié)構(gòu)及功能特性

裝置控制部分由硬件電路和軟件兩部分組成。硬件控制電路實現(xiàn)信號的檢測、傳輸與處理，軟件程序包括主程序和子程序，其中主程序完成各子程序的調(diào)用，子程序主要有里程計數(shù)程序、紅外線遙控程序和無線傳輸處理程序等。通過軟硬件的配合，實現(xiàn)計價器檢定功能。筆者主要針對電控部分進行改進設(shè)計。

1.1 裝置整體方案

裝置整體方案設(shè)計框圖如圖1所示。裝置的電控系統(tǒng)主要由單片機AT89C52控制電路、HA12－M8NA霍爾傳感器、M35SP－7步進電機、FR－S500變頻器、NRF24L01無線收發(fā)電路、紅外線遙控驅(qū)動電路、74LS138譯碼器驅(qū)動顯示電路及電源電路組成。

圖1 整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The overall structure diagram

裝置工作過程由單片機AT89C52全程自動控制。在被檢汽車駛?cè)霗z測臺后，按下紅外遙控器的“開始”按鈕，啟動檢測臺的步進電機，使其正轉(zhuǎn)兩周，車輪胎下降到檢測位置，然后由單片機控制變頻器啟動，通過變頻器設(shè)置的頻率控制伺服電機轉(zhuǎn)動，電機轉(zhuǎn)動時即可通過霍爾傳感器計數(shù)。單片機將傳感器送來的模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量W(車輛特征系數(shù))，并將信號通過無線模塊發(fā)送到中央處理器［9－12］，通過74LS138譯碼器顯示在4位數(shù)碼管上。W表示車輛每行駛1 km發(fā)動機通過脈速輪傳輸給出租車計價器的信號數(shù)及類型(脈沖信號或轉(zhuǎn)數(shù)信號)的一個特征量。計價器常數(shù)K表示計價器正確指示1 km行程而必須接收到信號數(shù)的特征量，單位為r/km。K值為可調(diào)參數(shù)。本裝置設(shè)定檢測長度為1 km。當(dāng)達到1 km時，變頻器將頻率降為0，伺服電機停止工作，計數(shù)停止，步進電機反轉(zhuǎn)回到初始位置。將觀察數(shù)碼管的計數(shù)W和出租車計價器顯示的K值進行對比，如果K值等于W值，說明被檢測出租車計價器合格。

1.2 硬件電路設(shè)計

裝置電控部分由單片機控制模塊、轉(zhuǎn)速檢測模塊、電機驅(qū)動模塊、紅外收發(fā)模塊、電源模塊及顯示模塊等部分組成。裝置的核心部分為電動機傳動、霍爾傳感器信號采樣、無線傳輸和處理。下面對這些硬件設(shè)計進行說明。

1.2.1 電機傳動控制

裝置的機械部分包含鋼板整體框架、滾輪、制動裝置、防側(cè)滑裝置、起落架裝置、傳動軸承和驅(qū)動電機等。根據(jù)國家出租車計價器檢定裝置規(guī)程，對裝置的傳動、信號檢測與傳輸部分進行改進設(shè)計。檢測臺主滾輪由周長為1 m的滾輪制成，副滾輪起襯托作用。檢測時被檢汽車輪胎落在主副滾輪之間，主滾輪每轉(zhuǎn)1周，相當(dāng)于汽車前進1 m。主滾輪軸端裝有霍爾傳感器，主滾輪每轉(zhuǎn)1周，霍爾傳感器產(chǎn)生一個脈沖，脈沖信號通過無線模塊傳送至控制器［13－15］。裝置安裝如圖2所示。

圖2 檢測臺側(cè)面示意圖Fig.2 The schematic diagram of the side test bench

1)主滾輪傳動的控制。主滾輪控制采用FR－S500變頻器對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)速，控制電路如圖3所示。

2)升降板傳動的控制。升降板步進電機控制主要由中央處理器通過控制ULN2003實現(xiàn)，圖4為升降板控制電路。ULN2003是七路達林頓驅(qū)動器陣列，是低邏輯電平數(shù)字電路與高電壓大電流設(shè)備接口的理想器件。開始檢測時，按下“開始”按鈕，M1升降板步進電機開始下降，當(dāng)碰到SQ1(升降電機下限)時，M1停止，說明到達指定位置，確保檢測時車胎在主副滾輪之間。

圖3 主滾輪控制電路Fig.3 The control circuit of the main roller

圖4 升降板控制電路Fig.4 The control circuit of the lifting plate

1.2.2 整機單片機的控制

1)紅外線遙控電路。紅外遙控系統(tǒng)主要由紅外遙控發(fā)射裝置、紅外接收設(shè)備和遙控微處理器等組成，圖5為紅外發(fā)射電路。紅外遙控發(fā)射裝置主要元件為紅外發(fā)光二極管。單只紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率約100 mW。接收電路的紅外接收管是一種光敏二極管，使用時要給紅外接收二極管加反向偏壓，保證其正常工作，獲得較高的靈敏度。

該裝置的紅外遙控裝置主要由AT89C52單片機和4×4的矩陣按鍵組成，可通過“開始”按鍵啟動步進電機控制升降板以及0～9的數(shù)字按鍵設(shè)置里程數(shù)。紅外線接收設(shè)備IRLINK與中央處理的P3.2相連，從而通過INT0中斷操作，實現(xiàn)紅外遙控如圖6所示。

圖5 紅外發(fā)射原理圖Fig.5 The schematic diagram of the infrared emission

圖6 紅外接收電路圖Fig.6 The schematic diagram of the infrared receiving circuit

2)HA12－M8NA霍爾傳感器信號采集。出租車檢定需要一個能準(zhǔn)確獲得車輪轉(zhuǎn)動即路程計量信號的裝置［16－18］，以得到標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號送入單片機的定時/計數(shù)器T1即P3.5引腳，利用單片機T1的計數(shù)功能完成1 000次的計數(shù)后產(chǎn)生中斷完成路程的測量。設(shè)車輪周長為1 m，則霍爾傳感器每產(chǎn)生1 000個脈沖便表示車已行程1 km。當(dāng)電機帶動主滾輪轉(zhuǎn)動時，霍爾傳感器開始檢測輸出脈沖信號并送入P3.5引腳完成信號采集。

3)無線傳輸模塊。檢定裝置為了達到提高檢定效率、簡化線路等目的采用了無線通訊方式。NRF24L01無線收發(fā)一體芯片工作在2.4 GHz自由頻段，支持多點間通信。高效GMSK調(diào)制方式使NRF24L01具有極強的抗干擾能力。另外，NRF24L01最大優(yōu)勢在于其沒有復(fù)雜的通信協(xié)議，完全對用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。由此可見，NRF24L01的性能指標(biāo)完全符合系統(tǒng)要求。在測試過程中，把NRF24L01的MISO、MOSI、SCK引腳分別連接單片機的 P1.1、P1.5、P1.6引腳，用于完成數(shù)據(jù)通信。IRQ、CSN、CE分別接單片機P1.0、P1.2、P1.7引腳，用于控制NRF24L01工作狀態(tài)(見圖7)。

圖7 無線傳輸模塊接線圖Fig.7 The schematic diagram of wireless transmission module

2 裝置的軟件設(shè)計

裝置除了硬件電路支撐外，還需軟件的配合，才能實現(xiàn)對出租車計價器進行檢定功能。軟件包括主程序和子程序兩部分，均采用C51語言進行編程。

2.1 主程序的設(shè)計

裝置采用自動采集、自動處理的方式工作，單片機實現(xiàn)的控制任務(wù)包括信號處理、判斷、通信和結(jié)果的顯示等［19］。采用C51語言進行編程和調(diào)試。分為主程序和子程序。主程序完成各子程序的調(diào)用，其流程如圖8所示。

圖8 主程序流程圖Fig.8 The main program flow chart

2.2 關(guān)鍵子程序

1)T1/T0里程計數(shù)程序。設(shè)計過程中首先對T1的計數(shù)功能進行配置，為了測試計數(shù)功能，可在仿真過程中在P3.5(T1)引腳外接輸入信號。另外，從檢定裝置校準(zhǔn)的實際情況出發(fā)，需要配置T1的工作方式(方式1):TMOD=0x05，TH0和 TL0構(gòu)成16位計數(shù)寄存器，最大可計數(shù)65535。

霍爾傳感器輸出的脈沖信號輸入到單片機的T1接口，車輪每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個脈沖信號，單片機進行一次中斷，目的是啟動定時器，以及單次里程與總里程的累加計算并將結(jié)果存入寄存器中。

2)INI1的紅外線遙控程序。通過紅外遙控器的啟動按鈕執(zhí)行外部中斷1，啟動步進電機工作，將升降板升到指定的測量位置，給P1.4高電平，從而啟動變頻器開始進入檢測狀態(tài)。

3)NRF24L01無線傳輸軟件的設(shè)計。裝置中NRF24L01用于實現(xiàn)控制系統(tǒng)與檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，其作用相當(dāng)于一個無線串口。設(shè)計采用編寫SPI時序完成NRF24L01無線收發(fā)操作。NRF24L01有發(fā)送模式、接收模式、待機模式和關(guān)機模式4種工作模式，由PWR_UP register、PRIM_RX register和CE三者組合狀態(tài)決定。軟件流程圖如圖9所示。

圖9 NRF24L01傳輸軟件流程圖Fig.9 The flow chart of the NRF24L01 transmission software

3 裝置的檢查與調(diào)試

裝置檢查調(diào)試包括通電前后的檢查和裝置調(diào)試，調(diào)試前要做好準(zhǔn)備工作，下面說明調(diào)試方法。

1)通電前檢查。裝置通電前，檢查機架及主副滾輪、升降板縱向橫向是否符合水平要求;所有固定件螺栓是否擰緊;潤滑油是否按要求加注;手動檢查主副輪電機轉(zhuǎn)動是否靈活;機架面板是否安裝到位符合安全要求。檢查電氣控制箱接線是否正確;電機絕緣及繞阻是否符合要求;霍爾測速傳感器及限位開關(guān)安裝是否符合要求;電源電壓三相380 V是否正常。

2)通電后檢查。裝置通電后，測量變頻器、控制器電源是否正常。分別將變頻器、步進驅(qū)動器設(shè)定為手動控制方式，使其轉(zhuǎn)動后檢查電機轉(zhuǎn)動方向是否符合要求，確認無誤后恢復(fù)自動控制方式，檢查傳感器接收信號是否正常，觀察顯示器是否為零，啟動紅外線遙控器，檢查工作程序是否形成閉環(huán)。

3)裝置調(diào)試。測試時將出租車駛?cè)霗z測臺，觀察升降板是否抬起車輛前輪，車輪兩側(cè)位置是否均等，再次啟動遙控器，觀察車前輪是否與主副滾輪接觸，當(dāng)主輪變頻器工作時，按變頻器“SET”鍵，檢查滾輪電機工作電流是否正常，調(diào)整變頻器內(nèi)部電子過電流保護;聆聽電機升降速過程中的噪音，調(diào)整PWM(Pulse－Width Modulation)頻率選擇(P72)參數(shù)，將電機升降速時的噪音降為最小;觀察車輪和滾輪之間升降速的打滑情況，調(diào)整變頻器內(nèi)部加速時間(P7)和減速時間(P8)的設(shè)定值;根據(jù)降速制動情況，調(diào)整變頻器內(nèi)部直流制動動作頻率、時間、電壓的參數(shù)，使其計量準(zhǔn)確。

4 實現(xiàn)功能及實測數(shù)據(jù)

筆者設(shè)計的出租車計價器檢定裝置實現(xiàn)了出租汽車計價器計程、計時和切換速度等參數(shù)的檢測，并通過檢測的參數(shù)判斷計價器是否合格。計價器常數(shù)K和車輛特征系數(shù)W，一個傳輸信號，一個接收信號，通過系統(tǒng)軟件比較K值和W值的大小。如果K值等于W值，說明計價器正確記錄了車輛行駛里程;如果K值和W值有差異，說明計價器不能正確記錄車輛行駛里程，此時必須調(diào)整計價器的K值，使其盡量與W值接近。

通過實驗測試檢定裝置的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，測試主要配套設(shè)備有鋼卷尺(測主滾輪周長)，輪胎壓力表(徐州黃河儀表，05732016，測量胎壓是否符合要求)。測試溫度22℃，相對濕度80%RH，供電電壓230 V，頻率50 Hz，胎壓為0.4 Mpa，均符合測試要求。正常檢測速度為40 km/h，裝置可以0起無級調(diào)速到90 km/h，并能隨意設(shè)定速度。

準(zhǔn)確性測試距離設(shè)為1 km，對里程進行8次測量?！兑?guī)程》要求計程器示值誤差范圍在±3%之間，測量數(shù)據(jù)如表1所示。示值誤差

其中C為輪胎修正系數(shù)，一般經(jīng)驗值取0.05%;D為起程值;Jd為檢定裝置的計數(shù)器讀數(shù)。

表1 準(zhǔn)確性實測數(shù)據(jù)Tab.1 Accuracy of test data

為了測試裝置的穩(wěn)定性，進行了4組實驗，測量時間相隔一個月，裝置起算距離1 km，得到測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 穩(wěn)定性實測數(shù)據(jù)Tab.2 Stability of test data

進行以上4組測量，其最大誤差與最小值誤差的差值為0.6 m，相對差值為0.6/1 000×100%=0.06%，符合JJG517－2009出租車計價器檢定規(guī)程對不確定度的要求，即達到了穩(wěn)定性要求。

5 結(jié) 語

筆者設(shè)計的檢定裝置以單片機為控制核心，霍爾傳感器為檢測元件并產(chǎn)生脈沖信號，通過K值和W值比較，判斷出租車計價器的準(zhǔn)確性。裝置利用無線收發(fā)模塊和紅外線遙控技術(shù)，解決了現(xiàn)有檢定裝置設(shè)計復(fù)雜，自動化程度低等問題。裝置采用自動檢定方式，檢測信號采用無線傳輸模式。裝置具有安裝方便，檢測精度和檢測效率高等特點。

另外，檢測臺的機械部分由原來伺服電機通過皮帶帶動主滾輪改成用一臺滾筒電機作為主滾輪電機進行檢測，這樣在施工安裝檢測臺時，可在較大程度上簡化施工難度。由于設(shè)備的簡化，裝置使用過程中出現(xiàn)故障時能加快故障排除的速度，提高維修效率。

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