基于差動(dòng)式電容傳感器的車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)存在的不足，提出了一種電容式車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的載荷檢測(cè)傳感器采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，大大提高了測(cè)量的靈敏度和非線性，電容測(cè)量線路采用差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制集成測(cè)量電路，數(shù)據(jù)的采集和處理采用自帶A/D轉(zhuǎn)換器的STC89LE516AD單片機(jī)芯片，數(shù)據(jù)通信采用無(wú)線通信模式。這種載荷檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、安裝方便、性能可靠、測(cè)量電路簡(jiǎn)單、抗干擾性好，可用于交通數(shù)據(jù)的采集和便攜式測(cè)量，具有良好的使用前景。

關(guān)鍵詞：車輛載荷檢測(cè)； 差動(dòng)式電容傳感器； STC89LE516AD芯片； 無(wú)線通信

中圖分類號(hào)：TN712-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)09-0190-03

Vehicle Load Detection System Based on Differential Capacitance Sensor

CHEN Mei

(Department of Physics and Information Engineering,Shangqiu Normal University,Shangqiu 476000,China)

Abstract： Aiming at the shortage of present vehicle load detection system,a capacitive vehicle load detection system is introduced. In the system,the load detection sensor used differential structure,which greatly improved the measurement sensitivity and non-linear,the capacitance measurement circuit used differential pulse width modulation integrated circuit,data acquisition and processing used STC89LE516AD single chip which has its own A / D converter,data communication used wireless communication mode. This load detection system has simple structure,low cost,easy installation,reliable performance,simple measurement circuit and good anti-jamming. The system can be used for traffic data collection and portable measurement,and has good application prospects.

Keywords： vehicle load detection; differential capacitance sensor； STC89LE516AD chip; wireless communication

0 引 言

隨著公路運(yùn)輸業(yè)和商業(yè)貿(mào)易的不斷發(fā)展，車輛載荷檢測(cè)技術(shù)已成為測(cè)量領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。目前比較常用的車輛動(dòng)態(tài)載荷檢測(cè)傳感器主要有彎板、壓電軸、單傳感器、車載電容傳感器及光纖傳感器［1-4］。這些載荷檢測(cè)傳感器多適用于固定式安裝，對(duì)路面情況要求較高，即使一些便攜式車輛載荷檢測(cè)傳感器也因?yàn)橹亓窟^(guò)重、體積過(guò)大的缺點(diǎn)無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)便攜測(cè)量。同時(shí)，一些傳感器測(cè)量技術(shù)過(guò)于復(fù)雜，傳感器價(jià)格過(guò)于昂貴。因此，為了減小安裝和維護(hù)成本，提高車輛動(dòng)態(tài)載荷檢測(cè)系統(tǒng)的便攜性，本文提出了一種電容式車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中載荷檢測(cè)傳感器采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，大大提高了測(cè)量的靈敏度和非線性，電容測(cè)量線路采用差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制集成測(cè)量電路，數(shù)據(jù)的采集和處理采用自帶A/D轉(zhuǎn)換器的STC89LE516AD單片機(jī)芯片，數(shù)據(jù)通信采用無(wú)線通信模式。這種載荷檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，安裝方便，差動(dòng)式電容載荷傳感器抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、測(cè)量范圍寬、靈敏度高、穩(wěn)定性能好。

1 差動(dòng)式電容車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)

差動(dòng)式電容車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 差動(dòng)式電容車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖

車輛載荷檢測(cè)裝置為便攜式，使用時(shí)鋪設(shè)在路面上。手持裝置為測(cè)量系統(tǒng)控制單元，通過(guò)無(wú)線通信方式對(duì)檢測(cè)裝置發(fā)出指令和接收數(shù)據(jù)。載荷檢測(cè)傳感器采用差動(dòng)式電容載荷傳感器［5］，傳感器將載荷的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葜档淖兓?。電容測(cè)量電路采用獨(dú)特的差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制集成電路，將來(lái)自于差動(dòng)式電容載荷傳感器的極其微弱的電容信號(hào)采集出來(lái)，并轉(zhuǎn)化成易于檢測(cè)的電壓信號(hào)。數(shù)據(jù)處理模塊采用內(nèi)部自帶8路8位A/D轉(zhuǎn)換器的電壓輸入型STC89LE516AD單片機(jī)芯片。數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，之后，將處理后的載荷結(jié)果輸出。為了減少線路鋪設(shè)的麻煩，增加工作人員的安全性，檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信采用無(wú)線通信裝置。

2 差動(dòng)式電容載荷傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理

差動(dòng)式電容載荷傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。它主要由測(cè)量頭、外殼、敏感元件(彈性體)、定極柱、動(dòng)極柱、電極、等位環(huán)、引出線等構(gòu)成。其特點(diǎn)為：測(cè)量范圍寬；靈敏度高，便于拾取信號(hào)；極板間不接觸、不變形、不磨損，機(jī)械損失小、壽命長(zhǎng)；電容傳感器受溫度影響??；動(dòng)態(tài)性能好；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境和場(chǎng)合。

圖2 差動(dòng)式電容載荷傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

傳感器的測(cè)量頭和殼體為間隙配合，兩者之間可相對(duì)滑動(dòng)，并有定位螺釘定位測(cè)量頭的初始位置，定位螺釘同時(shí)也起到測(cè)量頭滑動(dòng)時(shí)的定向作用，還可使施力物體保持相對(duì)穩(wěn)定。測(cè)量頭由敏感元件(彈性體)支撐，它受外力作用后把該力傳給敏感元件。敏感元件(彈性體)位于測(cè)量頭和殼體之間，起感受外力并按一定關(guān)系轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移量的作用。動(dòng)、定極柱為中空?qǐng)A柱型，其表面鍍有電極。動(dòng)極柱與測(cè)量頭粘接為一體，隨測(cè)量頭一起滑動(dòng)。定極柱與殼體粘接為一體，相對(duì)固定不動(dòng)。在動(dòng)、定極柱電極的兩端均設(shè)有等位環(huán)，以減小電容邊緣效應(yīng)，提高測(cè)量精度。

當(dāng)差動(dòng)式電容載荷傳感器受外力F作用時(shí)，測(cè)量頭把該力傳給敏感元件，敏感元件是彈性系數(shù)為k的彈性體，在該力作用下發(fā)生彈性變形，其變形量d與作用的外力成正比。敏感元件的變形使得測(cè)量頭以及動(dòng)極柱上的電極移動(dòng)同樣的距離d。此時(shí)，差動(dòng)電容載荷傳感器的電容值將產(chǎn)生相應(yīng)的變化，其變化量為Δc，測(cè)量頭移動(dòng)的距離d與傳感器輸出電容的變化量Δc成正比。由此可知，被測(cè)物體所受外力F與差動(dòng)式電容載荷傳感器的輸出電容變化量Δc成正比，即：F=kL2c0Δc(式中，k為敏感元件的彈性系數(shù);L為動(dòng)極柱與定極柱初始覆蓋部分長(zhǎng)度;c0為單個(gè)電容電極間的初始電容)。只要由測(cè)量電路檢測(cè)出電容的變化量Δc，就可知物體所受的外力F。

3 電容測(cè)量電路

差動(dòng)式電容載荷傳感器是將被測(cè)載荷的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化輸出，而電容傳感器所產(chǎn)生的電容量很微小，電容極板引線與地之間產(chǎn)生的雜散電容往往大于被測(cè)電容。因此小電容轉(zhuǎn)換測(cè)量技術(shù)一直被人們所重視。然而，一般的檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，精確度較低，不能滿足測(cè)量要求。為了提高測(cè)量的靈敏度，針對(duì)差動(dòng)式電容載荷傳感器，在基于四相檢測(cè)技術(shù)的電荷轉(zhuǎn)移式電容檢測(cè)電路［6］的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)采用了差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制集成測(cè)量電路［7］，該電路具有集成度高、實(shí)現(xiàn)了電容傳感器頭有源化、輸出脈沖方波、省去高頻激勵(lì)信號(hào)源、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高等特點(diǎn)，尤其適合差動(dòng)式電容傳感器的測(cè)量。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，圖中的虛線框內(nèi)為差動(dòng)式電容傳感器的兩個(gè)可變電容C1和C2。

圖3 差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

工作原理如下:設(shè)直流電源接通時(shí)，Q端為高電平，Q端為低電平，則信號(hào)控制單元使充放電網(wǎng)絡(luò)1向電容C1充電，C1上電壓漸升，一旦達(dá)到電路控制電平值，信號(hào)處理單元使Q端立即變?yōu)榈碗娖?，而Q端為高電平；此時(shí)，電容C1上的電壓經(jīng)充放電網(wǎng)絡(luò)1迅速放電至零，同時(shí)信號(hào)控制單元使充放電網(wǎng)絡(luò)2向電容C2充電，C2上電壓漸升，一旦達(dá)到電路控制電平值，信號(hào)處理單元再次使Q端為高電平，Q端為低電平；于是又開始下一周期的C1充電C2放電，……，如此周而復(fù)始，在差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制集成電路的輸出端各產(chǎn)生一串其寬度受C1和C2電容變化量控制的矩形方波。當(dāng)C1=C2時(shí)，Q和Q端電壓波形反相對(duì)稱，從Q端與Q端取出的兩個(gè)平均值電壓之差將等于零。當(dāng)被檢測(cè)的載荷使電容C1>C2時(shí)，兩輸出端的電壓平均值之差為：V0=ΔddV1 (其中V1為充電網(wǎng)絡(luò)輸入的電壓值)，可獲得較好的線性度。

4 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)的采集與處理單元采用自帶A/D轉(zhuǎn)換器的STC89LE516AD單片機(jī)芯片，完成數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理以及驅(qū)動(dòng)顯示單元。當(dāng)時(shí)鐘在40 MHz以下時(shí)，每17個(gè)機(jī)器周期可完成一次A/D轉(zhuǎn)換。STC89LE516AD單片機(jī)與差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制集成電路結(jié)合起來(lái)，完成電容傳感器的檢測(cè)。其主程序和A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖4,圖5所示。

圖4 STC89LE516AD芯片主程序

圖5 A/D轉(zhuǎn)換子程序

5 數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)的傳輸采用無(wú)線通信模塊。利用nRF401無(wú)線收發(fā)芯片和控制單片機(jī)89C52實(shí)現(xiàn)差動(dòng)式電容車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)中的無(wú)線通信，具有硬件電路簡(jiǎn)單、成本低廉、編程簡(jiǎn)便、通信可靠性高等優(yōu)點(diǎn)［8］。無(wú)線通信技術(shù)在車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，使執(zhí)法人員可以方便地通過(guò)手持儀器對(duì)公路車輛進(jìn)行不停車載荷檢測(cè)，大大提高了工作效率。

無(wú)線通信裝置包括載荷檢測(cè)裝置和手持裝置兩部分。載荷檢測(cè)裝置接收手持裝置的指令，向手持裝置輸送載荷結(jié)果，必要時(shí)向手持裝置輸送車輛類型、車牌號(hào)數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差校正；手持裝置中超聲波信號(hào)發(fā)射和數(shù)據(jù)接收裝置向載荷檢測(cè)裝置發(fā)出指令，接收來(lái)自載荷檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)；單片機(jī)系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后送給顯示裝置，并可以與PC機(jī)建立數(shù)據(jù)聯(lián)系；PC機(jī)形成局域網(wǎng)后，可以完成信息收集、顯示、查詢、檢索以及數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)、處理、存儲(chǔ)等多項(xiàng)工作。

從圖1中可以看出，載荷檢測(cè)裝置對(duì)車輛的載荷進(jìn)行檢測(cè)和處理，從單片機(jī)按照控制命令接收車輛的載荷檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)，與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。圖6為從單片機(jī)構(gòu)成的顯示及收發(fā)控制系統(tǒng)的硬件組成框圖，主要包括采集與數(shù)據(jù)處理模塊、看門狗、復(fù)位電路、電源監(jiān)控電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、無(wú)線收發(fā)模塊、控制單片機(jī)、信息輸出單元等部分?？刂茊纹瑱C(jī)選用Atmel公司的89C52。

圖6 從機(jī)顯示及收發(fā)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖1中的手持儀器為主機(jī)，主機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示，由控制單片機(jī)、顯示電路、看門狗、復(fù)位電路、電源監(jiān)控電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、按鍵、無(wú)線收發(fā)模塊，以及串行通信電路組成。

圖7 主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)?shù)缆饭芾砣藛T按動(dòng)手持儀器的控制按鍵，要求讀取數(shù)據(jù)，主機(jī)接到命令后，向從機(jī)發(fā)送命令，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊接收從機(jī)載荷數(shù)據(jù)，然后在手持儀器的顯示屏幕上顯示載荷信息和車輛有關(guān)信息，并且可以根據(jù)需要通過(guò)串口通信上傳至道路管理部門的計(jì)算機(jī)。與從機(jī)相比，主機(jī)多了一個(gè)用來(lái)與計(jì)算機(jī)通信的串行口。此串口采用RS 232標(biāo)準(zhǔn)，可用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié) 論

基于差動(dòng)式電容傳感器的車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、測(cè)量電路簡(jiǎn)單、抗干擾性好、體積小、性價(jià)比高等特點(diǎn)。實(shí)際的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)載荷檢測(cè)，車輛總載荷的測(cè)量誤差在10%以內(nèi)，其精度優(yōu)于ASTM E131-02給出的Ⅰ類WIM(Weigh-in-Motion)系統(tǒng)精度 (置信95%時(shí)總重誤差±10% ) ，可用于交通數(shù)據(jù)采集，尤其適合公路稽查人員進(jìn)行便攜式測(cè)量，具有良好的使用前景。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文