基于红外测距传感器的铁路货车车载电子称重方法

张瑞国

摘要：为了减少铁路货车超载和欠载现象，更好提升铁路货运效益与驾驶安全性，并解决现有车辆称重技术称重地点受限问题，本论文对铁路货车车载电子称重技术进行研究。提出了基于红外测距传感器车载电子称重系统方案。该系统主要包括三个模块：数据采集模块、数据处理模块和数据传输显示模块。实测结果表明本论文设计的基于红外传感器铁路货车车载电子称重系统能够实时测量铁路货车载重量并作出预警提示。

关键词：铁路货车;车载电子称重;红外测距传感器

0  引言

铁路货车超载会影响车辆部件的性能，并对铁轨造成损坏，从而产生严重的安全事故。同时，欠载也会增加货物的运输成本。让每列铁路货车在不超载情况下装载更多的货物，减少欠载与超载情况，有利于提高机车行驶的安全性，同时还能降低货运成本和提高收益。因此，车辆称重对铁路货车运营有着重要意义。

车辆称重技术主要分为机械式称重技术和机电式称重技术两大类。而机械式称重技术主要原理是通过杠杆传动装置把被测车辆的质量和已知的质量进行比较，从而知晓被测机车车辆的重量。对于机电式称重技术，其主要分为有基坑机电式车辆动态称重技术和无基坑机电式车辆动态称重技术。现代的无基坑机电式车辆动态称重技术主要是以轨道称重传感器为核心，构成无基坑无称台车辆称重系统，其主要缺点是待测量车辆货物称重时，必须把车辆运行到安装了轨道称重传感器的指定位置，受测量地点限制。为了解决测量地点受限问题，达到实时称重，本文提出了基于红外测距传感器的铁路货车车载电子称重技术。

1  系统设计原理

1.1 系统设计要求

本系统针对转K6型转向架的货车车辆，设计了车载电子称重系统，实现如下功能：

①当车辆超载时，显示车重和超载量，开启超载警报;

②当车辆欠载时，显示车重和欠载量;

③显示车辆两个转向架上的四组弹簧受力情况，若超过其最大承受力，开启警报。

1.2 转K6型转向架的弹簧减振装置

转K6型转向架的组成部分由轴箱、轮对、摇枕、侧架、弹簧减振装置和基础制动装置六部分组成。每节车辆有两个转K6型转向架，每个转向架左右两侧各有一个摇枕弹簧组，每个摇枕弹簧组由9组弹簧组成，具体如图1所示。

在空载情况下，一节车辆的自重是20t，两个转K6型转向架平均承重10t;在满载情况下，两个转K6型转向架平均承重50t。由于摇枕外圆弹簧1、摇枕外圆弹簧2、摇枕内圆弹簧、减振外圆弹簧和减振内圆弹簧这五种弹簧的自由高不相等，导致它们在不一样的受力情况下各自被压缩的距离也不一样，因此计算时采用分段方法计算，得到了表1所示的参数。

1.3 系统设计原理

综合分析转K6型转向架各组成部分的作用，得到了以下设计思路：当车辆静止时，转K6型转向架的弹簧减振装置所受到的压力就是车辆重力和货物重力之和。此时计算出弹簧减振装置所受的压力，就得到了车辆重力和货物重力之和，加之车辆的重量是固定的且已知，则货物的重力就等于弹簧减震装置的受力减去车辆重力，得如下计算公式：

整个称重系统将测试弹簧受力转变为测试其压缩长度，又因每个弹簧自由高是固定的，因此只需测量出其受力稳定后的长度，即可由其自由高减去压缩后的长度，得到其被压缩的长度量。最后根据公式（5）计算出车辆货物的载重量。

2  系统设计

本文以STC89C52C单片机为主控制器，结合TLC2543模数转换芯片和红外测距传感器GP2Y0A41SK0F搭建了铁路货车车载电子称重系统电路。该称重系统电路除了能够完成称重数据采集、数据处理和数据传输显示外，还能进行超载警报和欠载提示。

2.1 铁路货车车载电子称重系统硬件总体结构

系统总体电路如图2所示，包括数据采集模块、数据处理模块和数据传输显示模块。首先数据采集模塊采集弹簧压缩量信息，并将该信号传送给数据处理模块，数据处理模块根据距离电压关系式计算出距离值，然后计算出相应的重量，即车辆所载货物的重量，并在显示屏上显示。

2.2 数据采集模块

数据采集模块主要是由红外测距传感器GP2Y0A41SK0F和模数转换模块TLC2543构成。数据采集处理模块工作流程如图3所示：首先对数据处理模块和显示模块LCD1602进行初始化;然后模数转换模块对红外测距传感器输出的模拟电压信号进行模数转换;接下来数据处理模块读取模数转换模块的输出数据，并调用传感器数据和距离压缩量，把该数据转换为相对应的重量。此外数据采集模块还能判断该重量是否超过弹簧组的受力极限：若是，则在LCD1602上显示受力情况为Error并报警;若不是，则在LCD1602上显示受力情况为OK。最后再将重量的数据通过无线传输模块发送出去。

上面提到的TLC2543模数转换模块输出12位二进制数据，把该数据乘以模数转换模块的最小电压值0.00122就得到传感器的输出电压。又由传感器的测量距离与输出电压之间的关系式，计算出测量距离。

2.3 数据处理模块

数据处理模块由数据处理模块单片机、转向架的摇枕弹簧组受力显示及报警电路组成。数据处理模块对模数转换模块TLC2543输出的信号进行运算处理，然后在LCD1602上显示摇枕弹簧组的受力情况，并驱动摇枕弹簧组受力报警电路进行报警提示。

摇枕弹簧组受力显示及报警电路由连接排阻的LCD1602显示屏电路和连接PNP三极管的蜂鸣器电路组成。当摇枕弹簧受力未超过自身极限时，LCD1602会显示四组弹簧组是OK的，且蜂鸣器不会报警;当传感器所测距离小于全压缩长度165mm时，代表这组弹簧组已经超越极限了，具有危险性，此时LCD1602会显示该组为Error，且蜂鸣器开始报警。

2.4 数据传输显示模块硬件电路

该模块电路主要包括了数据无线传输模块、重量显示模块电路和超欠载报警提示模块。数据无线传输模块采用AS50-T20无线传输模块，通过无线传输模块，从而将单片机所处理的数据传到另外一个单片机上。重量显示模块主要功能是显示车辆的货物载重量和处于超载还是欠载。超欠载报警提示模块和转向架摇枕弹簧组受力报警电路相似。当货物超载时，蜂鸣器报警;当货物欠载时，蜂鸣器不报警。

数据接收显示模块工作流程如图4所示：模块上电启动后，先对数据处理模块单片机和显示模块LCD1602进行初始化;然后将接收的数据转换为Double型数据并传输给单片机处理得到重量值，再判断其是否超载。若超载，则在LCD1602上显示超载重量并驱动超载警报;若欠载，则在LCD1602上显示欠载重量。

3  系统仿真调试

本系统实时监测车辆所载货物是否超载及欠载情况，并显示该车辆2个转向架上的四个摇枕弹簧组在承载貨物情况下各自的受力情况。

在欠载情况下：当传感器测量的摇枕弹簧组压缩后长度均为200mm时，重量显示模块显示处于欠载情况，且货物总重量为72.16t，该车辆还能增加7.84t的货物。而摇枕弹簧组受力显示模块显示该车辆两个转K6型转向架上的四组摇枕弹簧的受力均未超过其极限，所以两个报警电路均未报警，只有欠载指示灯被点亮。

在超载情况下：当传感器测量的摇枕弹簧组压缩后长度均为180mm时，重量显示模块显示该系统此时处于超载情况，且货物总重量为111.94t，该车辆超载了31.94t的货物，而摇枕弹簧组受力显示模块显示该车辆两个转K6型转向架上的四组摇枕弹簧的受力均未超过其极限，所以摇枕弹簧组受力报警电路未报警，而超载报警模块报警且超载指示灯被点亮。

当传感器测量的摇枕弹簧组压缩后长度均为140mm时，重量显示模块显示摇枕弹簧组受力已超极限情况，此时货物实际总重量是不知道的，而重量显示模块显示的总重量为0。而摇枕弹簧组受力显示模块显示该车辆两个转K6型转向架上的四组摇枕弹簧的受力均超过其极限，所以摇枕弹簧组受力报警电路报警。

其仿真图如图5所示。

4  结论

本论文完成了基于红外测距传感器的铁路货车车载电子称重系统的设计。包括系统整体架构设计，各个模块硬件电路设计和软件程序设计，并进行了系统仿真。此外还完成该系统PCB设计并制作电路，最后对该系统进行功能测试与调试。测试结果显示，所设计制作的基于红外传感器铁路货车车载电子称重系统能够实时测量铁路货车载重量并作出预警提示，达到预期目标。

参考文献：

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