馮四龍，高曉丁

(西安工程大學(xué)，陜西西安 710048)

0 引言

近年來(lái)，少數(shù)運(yùn)輸者為追求高額利潤(rùn)，不顧公道運(yùn)輸安全限重的規(guī)定，車(chē)輛的載物經(jīng)常超載，經(jīng)常導(dǎo)致嚴(yán)重的交通事故，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了很大的威脅;同時(shí)造成公路路面質(zhì)量下降、甚至損壞［3］。

目前，車(chē)輛超重檢查都是由路檢人員設(shè)點(diǎn)進(jìn)行檢查，屬于靜態(tài)檢測(cè)，效率比較低、漏檢率很高，而且還可能造成道路車(chē)輛的擁堵，影響正常的交通秩序。筆者設(shè)計(jì)了一種基于STC15F2K60S2單片機(jī)的車(chē)輛超載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)能對(duì)車(chē)輛載重進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)并記錄10天內(nèi)的車(chē)輛載重信息，為路檢人員檢查車(chē)輛超載提供可靠的依據(jù);系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示并記錄車(chē)輛載重?cái)?shù)據(jù)，當(dāng)車(chē)輛裝載超重時(shí)發(fā)出報(bào)警，給司乘人員以提醒［1］。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)的功能模塊主要有:參數(shù)檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、儲(chǔ)存模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、PC機(jī)通信模塊和控制模塊等。力檢測(cè)采用多點(diǎn)測(cè)試方法，即測(cè)試模塊上連接多個(gè)力傳感器。各個(gè)傳感器完成一次數(shù)據(jù)測(cè)試后，將其數(shù)據(jù)預(yù)處理、經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送給核心CPU，然后主芯片對(duì)該數(shù)據(jù)做運(yùn)算處理，并將數(shù)據(jù)按一定的規(guī)則儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中，同時(shí)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示在液晶屏上。路檢人員可以隨時(shí)用U盤(pán)通過(guò)系統(tǒng)串口通信模塊獲取系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)記錄了車(chē)輛近十天運(yùn)行載重的情況。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 重力檢測(cè)模塊

稱(chēng)重系統(tǒng)中采用NLSensor的WTP206系列柱式傳感器，其安裝在車(chē)輛的底部，保證測(cè)量穩(wěn)定可靠［2］。該型號(hào)的傳感器線性度誤差和重復(fù)度誤差均小于0.05;傳感器供電電壓為10 VDC;傳感器量程可根據(jù)車(chē)輛載重及安裝傳感器的數(shù)量選擇10 t，15 t，20 t［2］。

2.2 信號(hào)調(diào)理模塊

傳感器輸出信號(hào)的電壓很小，不能直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，必須進(jìn)行放大處理，采用 INA129芯片。INA129是低功耗高精度的通用儀表放大器，通用的3運(yùn)放設(shè)計(jì)和體積小巧的特點(diǎn)使其應(yīng)用范圍廣泛［2-3］。該放大電路的電源電壓為±18 V，工作溫度-40～+125℃。

為有效地防止信號(hào)采集過(guò)程中產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象，削弱現(xiàn)場(chǎng)高次諧波或高頻干擾和噪聲，采用電容濾波器MAX7415。MAX7415芯片通過(guò)3 V供電電壓，只有1.2 mA電源電流，濾波帶通截止頻率為1 Hz到15 kHz。該濾波器為理想的低功耗A/D轉(zhuǎn)換模塊提供過(guò)濾和抗鋸齒應(yīng)用，也可以進(jìn)入低功耗模式，電源電流降低到0.2μA。

2.3 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。存儲(chǔ)器選用Atmel公司生產(chǎn)的AT24C256芯片，其為256 k字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，采用II2C總線通信方式與主CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。為便于測(cè)試后更好的閱讀數(shù)據(jù)，采用一定的儲(chǔ)存模式將數(shù)據(jù)保存在AT24C256中。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，按照設(shè)定的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議:首先傳送檢測(cè)通道號(hào)，然后傳送測(cè)試時(shí)間，最后傳送壓力值。具體傳輸格式如圖2所示。

圖2 傳輸數(shù)據(jù)幀格式

STC15F2K60S2單片機(jī)內(nèi)部集成有II2C通信模塊，其外接端口與PC0和PC1端口復(fù)用，在使用該端口時(shí)，只需給兩根傳輸總線外連上拉電阻，每根一個(gè)。II2C通信芯片直接與該端口連接即可。

2.4 串口模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和功能模塊

串口模塊主要實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與該檢測(cè)系統(tǒng)通信工作，下載系統(tǒng)程序;路檢人員可用U盤(pán)通過(guò)該模塊獲取系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)［4］。USB信號(hào)使用分別標(biāo)記為D+和D-的雙絞線傳輸，見(jiàn)圖3，它們各自使用半雙工的差分信號(hào)并協(xié)同工作，以抵消長(zhǎng)導(dǎo)線的電磁干擾。

圖3 USB電纜

USB接口以其方便、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為嵌入式設(shè)備與PC機(jī)進(jìn)行高速通信的理想選擇。采用Philips的PDIUSBD12設(shè)備端接口芯片擴(kuò)展出一個(gè)USB的設(shè)備接口。通過(guò)此USB設(shè)備接口芯片，采用Bulk-Only傳輸方式，將此設(shè)備做成一個(gè)海量存儲(chǔ)設(shè)備(即U盤(pán))，使用嵌入式控制器具有U盤(pán)功能。這樣，一來(lái)嵌入式設(shè)備的應(yīng)用程序可以直接通過(guò)U盤(pán)這種途徑下載到嵌入式控制器的Flash存儲(chǔ)器中。二來(lái)，為嵌入式設(shè)備引入FAT文件系統(tǒng)，使其與U盤(pán)的閃存兼容，這樣，可以使用嵌入式設(shè)備在共同的Flash上創(chuàng)建文件，然后通過(guò)U盤(pán)功能方便地復(fù)制到PC機(jī)上。當(dāng)插入U(xiǎn)盤(pán)后，液晶顯示屏?xí)@示該車(chē)輛的車(chē)牌、時(shí)間和10以內(nèi)的數(shù)據(jù)［5］。

2.5 顯示模塊

該系統(tǒng)采用SMG12864液晶，其體積小、重量輕、功耗小、顯示質(zhì)量高。同時(shí)顯示4路采集數(shù)據(jù)。對(duì)于8路數(shù)據(jù)可采用循環(huán)顯示方法。顯示的數(shù)據(jù)為通道號(hào)和壓力數(shù)據(jù)。如果不需要顯示數(shù)據(jù)時(shí)，可采用功能鍵關(guān)掉顯示。12864液晶與STC15F2K60S2的數(shù)據(jù)端口直接與PD口連接，功能控制端接在PB端口上。

2.6 最小系統(tǒng)

STC15F2K60S2單片機(jī)有兩種晶振方式:外部晶振、內(nèi)部晶振。這里采用的是外部晶振，復(fù)位電路采用的是外部RST引腳復(fù)位，供電電壓為5V，可以使用車(chē)載轉(zhuǎn)換為其供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主程序、液晶顯示程序、數(shù)據(jù)采集、以及處理程序［6］。系統(tǒng)上電后，首先完成單片機(jī)、液晶顯示、傳感器等的初始化和自檢。進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)后，則對(duì)稱(chēng)重傳感器信號(hào)進(jìn)行采樣處理，將采樣數(shù)據(jù)及節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)接收載重?cái)?shù)據(jù)存入接收緩沖區(qū)并記錄節(jié)點(diǎn)信息，如果系統(tǒng)某監(jiān)測(cè)點(diǎn)遭到拆卸或意外受損主機(jī)未接收到該檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)則液晶顯示該節(jié)點(diǎn)號(hào)并鎖死系統(tǒng)，進(jìn)行自動(dòng)制動(dòng)防止人為的故意拆卸和由此產(chǎn)生的系統(tǒng)錯(cuò)誤測(cè)量［7］。

圖4 主程序

當(dāng)確認(rèn)各檢測(cè)點(diǎn)正常后，主機(jī)對(duì)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算明確車(chē)輛的載重狀態(tài)是否正常并將載重量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示;如有異常，則對(duì)超載行為進(jìn)行報(bào)警提示及顯示。如圖4，5所示。

圖5 載重信息采集及處理程序

4 系統(tǒng)的調(diào)試與試驗(yàn)

本系統(tǒng)在模擬試驗(yàn)上進(jìn)行。給模擬小車(chē)裝有傳感器并調(diào)試試驗(yàn)壓力值，然后給定相應(yīng)的壓力值，給定的值可以在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，讓其一直工作1～2天并記錄數(shù)據(jù)，連續(xù)重復(fù)試驗(yàn)10天左右，通過(guò)對(duì)壓力的客觀測(cè)量及研究，符合試驗(yàn)的要求，此系統(tǒng)將有助于車(chē)輛超重的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，更方便、更快地給路政人員提供依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式處理器的測(cè)量車(chē)輛載重系統(tǒng)。該系統(tǒng)在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛在正常工作狀態(tài)下的壓力連續(xù)采集與存儲(chǔ)，且系統(tǒng)具有體積小、功耗低、速度快、測(cè)試準(zhǔn)確、工作可靠等特點(diǎn)，該嵌入式系統(tǒng)可以為路政人員的實(shí)時(shí)檢查提供了依據(jù)和基礎(chǔ)，為車(chē)輛超重測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了一條新的思路。

［1］ 田晶晶，李世武.基于位移傳感器的汽車(chē)超載動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2012(6):1475-1480.

［2］ 陳廣華.基于粘貼式應(yīng)變傳感器的車(chē)輛超載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(4):409-414.

［3］ 施漢謙，宋文敏.電子稱(chēng)技術(shù)［M］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1991.

［4］ 郁有文，常 健.傳感器原理及工程應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

［5］ 譚奇良，鐘 麗，謝湘南，余廷浩.壓力傳感器檢定數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)［J］.中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2003(06):18-20.

［6］ 安志軍，趙志恒，邵曉明.壓力傳感器自動(dòng)檢定系統(tǒng)川［M］.北京:計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2010.

［7］ 王福瑞.單片機(jī)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001.