基于嵌入式技术的车辆载重监测系统研究

冯四龙，高晓丁

(西安工程大学，陕西西安 710048)

0 引言

近年来，少数运输者为追求高额利润，不顾公道运输安全限重的规定，车辆的载物经常超载，经常导致严重的交通事故，给人们的生命和财产带来了很大的威胁;同时造成公路路面质量下降、甚至损坏［3］。

目前，车辆超重检查都是由路检人员设点进行检查，属于静态检测，效率比较低、漏检率很高，而且还可能造成道路车辆的拥堵，影响正常的交通秩序。笔者设计了一种基于STC15F2K60S2单片机的车辆超载监测系统，系统能对车辆载重进行动态监测并记录10天内的车辆载重信息，为路检人员检查车辆超载提供可靠的依据;系统实时显示并记录车辆载重数据，当车辆装载超重时发出报警，给司乘人员以提醒［1］。

1 系统组成

本系统的功能模块主要有:参数检测模块、数据显示模块、储存模块、实时时钟模块、PC机通信模块和控制模块等。力检测采用多点测试方法，即测试模块上连接多个力传感器。各个传感器完成一次数据测试后，将其数据预处理、经A/D转换后发送给核心CPU，然后主芯片对该数据做运算处理，并将数据按一定的规则储存在存储器中，同时将数据实时地显示在液晶屏上。路检人员可以随时用U盘通过系统串口通信模块获取系统检测数据，此数据记录了车辆近十天运行载重的情况。系统构成如图1所示。

图1 系统构成

2 系统硬件设计

2.1 重力检测模块

称重系统中采用NLSensor的WTP206系列柱式传感器，其安装在车辆的底部，保证测量稳定可靠［2］。该型号的传感器线性度误差和重复度误差均小于0.05;传感器供电电压为10 VDC;传感器量程可根据车辆载重及安装传感器的数量选择10 t，15 t，20 t［2］。

2.2 信号调理模块

传感器输出信号的电压很小，不能直接进行A/D转换，必须进行放大处理，采用 INA129芯片。INA129是低功耗高精度的通用仪表放大器，通用的3运放设计和体积小巧的特点使其应用范围广泛［2-3］。该放大电路的电源电压为±18 V，工作温度-40～+125℃。

为有效地防止信号采集过程中产生频率混叠现象，削弱现场高次谐波或高频干扰和噪声，采用电容滤波器MAX7415。MAX7415芯片通过3 V供电电压，只有1.2 mA电源电流，滤波带通截止频率为1 Hz到15 kHz。该滤波器为理想的低功耗A/D转换模块提供过滤和抗锯齿应用，也可以进入低功耗模式，电源电流降低到0.2μA。

2.3 数据储存模块

系统设计一个数据存储模块。存储器选用Atmel公司生产的AT24C256芯片，其为256 k字节的数据存储器，采用II2C总线通信方式与主CPU进行数据交换。为便于测试后更好的阅读数据，采用一定的储存模式将数据保存在AT24C256中。在进行软件设计时，按照设定的数据传输协议:首先传送检测通道号，然后传送测试时间，最后传送压力值。具体传输格式如图2所示。

图2 传输数据帧格式

STC15F2K60S2单片机内部集成有II2C通信模块，其外接端口与PC0和PC1端口复用，在使用该端口时，只需给两根传输总线外连上拉电阻，每根一个。II2C通信芯片直接与该端口连接即可。

2.4 串口模块、实时时钟模块和功能模块

串口模块主要实现PC机与该检测系统通信工作，下载系统程序;路检人员可用U盘通过该模块获取系统监测数据［4］。USB信号使用分别标记为D+和D-的双绞线传输，见图3，它们各自使用半双工的差分信号并协同工作，以抵消长导线的电磁干扰。

图3 USB电缆

USB接口以其方便、传输速率高等优点逐渐成为嵌入式设备与PC机进行高速通信的理想选择。采用Philips的PDIUSBD12设备端接口芯片扩展出一个USB的设备接口。通过此USB设备接口芯片，采用Bulk-Only传输方式，将此设备做成一个海量存储设备(即U盘)，使用嵌入式控制器具有U盘功能。这样，一来嵌入式设备的应用程序可以直接通过U盘这种途径下载到嵌入式控制器的Flash存储器中。二来，为嵌入式设备引入FAT文件系统，使其与U盘的闪存兼容，这样，可以使用嵌入式设备在共同的Flash上创建文件，然后通过U盘功能方便地复制到PC机上。当插入U盘后，液晶显示屏会显示该车辆的车牌、时间和10以内的数据［5］。

2.5 显示模块

该系统采用SMG12864液晶，其体积小、重量轻、功耗小、显示质量高。同时显示4路采集数据。对于8路数据可采用循环显示方法。显示的数据为通道号和压力数据。如果不需要显示数据时，可采用功能键关掉显示。12864液晶与STC15F2K60S2的数据端口直接与PD口连接，功能控制端接在PB端口上。

2.6 最小系统

STC15F2K60S2单片机有两种晶振方式:外部晶振、内部晶振。这里采用的是外部晶振，复位电路采用的是外部RST引脚复位，供电电压为5V，可以使用车载转换为其供电。

3 系统软件设计

系统软件设计包括主程序、液晶显示程序、数据采集、以及处理程序［6］。系统上电后，首先完成单片机、液晶显示、传感器等的初始化和自检。进入监测状态后，则对称重传感器信号进行采样处理，将采样数据及节点信息发送给主机，主机接收载重数据存入接收缓冲区并记录节点信息，如果系统某监测点遭到拆卸或意外受损主机未接收到该检测点的数据则液晶显示该节点号并锁死系统，进行自动制动防止人为的故意拆卸和由此产生的系统错误测量［7］。

图4 主程序

当确认各检测点正常后，主机对各节点数据进行加权运算明确车辆的载重状态是否正常并将载重量进行实时显示;如有异常，则对超载行为进行报警提示及显示。如图4，5所示。

图5 载重信息采集及处理程序

4 系统的调试与试验

本系统在模拟试验上进行。给模拟小车装有传感器并调试试验压力值，然后给定相应的压力值，给定的值可以在一定的范围内波动，让其一直工作1～2天并记录数据，连续重复试验10天左右，通过对压力的客观测量及研究，符合试验的要求，此系统将有助于车辆超重的实时监测，更方便、更快地给路政人员提供依据。

5 结语

设计了一种基于嵌入式处理器的测量车辆载重系统。该系统在单个芯片上实现了车辆在正常工作状态下的压力连续采集与存储，且系统具有体积小、功耗低、速度快、测试准确、工作可靠等特点，该嵌入式系统可以为路政人员的实时检查提供了依据和基础，为车辆超重测量系统的开发提供了一条新的思路。

［1］ 田晶晶，李世武.基于位移传感器的汽车超载动态监测预警系统［J］.吉林大学学报(工学版)，2012(6):1475-1480.

［2］ 陈广华.基于粘贴式应变传感器的车辆超载监测系统［J］.北京航空航天大学学报，2011(4):409-414.

［3］ 施汉谦，宋文敏.电子称技术［M］.北京:中国计量出版社，1991.

［4］ 郁有文，常 健.传感器原理及工程应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2000.

［5］ 谭奇良，钟 丽，谢湘南，余廷浩.压力传感器检定数据处理系统的开发［J］.中国测试技术，2003(06):18-20.

［6］ 安志军，赵志恒，邵晓明.压力传感器自动检定系统川［M］.北京:计量与测试技术，2010.

［7］ 王福瑞.单片机微机测控系统设计大全［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2001.