软质地毯式称重传感器及其信号处理方法的研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 6 4 2.63MB 68 页 15积分

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摘要

车辆超载是各国普遍存在的问题，我国尤为严重，几乎所有的货运车辆都存

在不同程度的超载行为，这给路桥基础设施造成了极大的危害，同时也给人民生

命安全造成极大威胁。而目前市场上现有的车辆称重装置大都采用静态方式进行

称重，检测效率低，影响交通流量畅通，少量一些可对车辆进行动态称重的测量

装置，因采用硬质材料，大多需进行固定安装，极为烦琐，而且体积庞大，价格

昂贵，难以普及，因此为了遏止日益严重的车辆超载现象，交通部门急需一种便

于测量，价格经济，能对车辆进行动态测量的车重测量装置。

在这样的需求背景下，我们探索了一种新的称重测量原理，采用软质材料构

成称重传感器。据此提出一种可供研制开发价格经济，携带方面，能准确测量行

驶车辆载重的测量装置的新技术和方法。

本文主要包括以下三个方面的工作：称重传感器的制作、电路板的研制、称

重信号的采集和处理。在传感器的制作中，对构成电容导电极板的材质进行了多

次更换，比较了不同材料的导电性能和特点，并结合本项目的要求，最后确定选

用能长期保持导电性且价格经济的导电布作为电容的导电极板。电路系统部分包

括ARM7 芯片 LPC2134 的最小系统、自动采集系统、显示系统和通信系统。在

信号处理中，先对车重信号进行 FIR 滤波，后对信号进行分析和建模，基本得到

了静态称重系统的解决方案。

项目完成了基于 ARM7 的软质地毯式称重系统的软硬件设计，取得了较好的

静态称重效果，为下一步的动态研究奠定了基础。

关键词：软质动态称重嵌入式系统 ARM

ABSTRACT

Overload in Vehicle's transportation is a widespread problem in all over the world,

but this phenomena is more ubiquitous in our country,in our country almost all the

transportation vehicles have overload behavior with different degrees. Because of this,

road and bridge destroied badly,and this also bring threaten to people’s life safety. But

at present weighing equipments which are available on the market always adopt static

state method to measure the weight. The efficiency of this method is low, and influence

the expeditor of the transportation .A very little amount weighing equipments which can

carry dynamic state method to measure the weight of the vehicles, because be made of

hard quality material, need to be installed fixedly, extremely trivial, and the physical

volume is huge, price is high,so popularization of thest equipments is hard .In order to

stop the vehicle’s overload phenomenon which is increasingly serious,the transportat-

-ion section needs a kind of weighing equipments which are easy to carry, no need to be

installed, economic, and can measure the weight of the vehicle in motion.

Under this background, we research a new method of weighing .We adopt soft

material to compose the sensor of the seystem.Abase this bring forward a new technic in

making weighing equipments which are economic,easy to carry, with the ability to give

accurate result of the measument.

The research include the following three aspects:The making work of the sensor ,

the manufacture of the circuit board,the gathering and the disposal process of the weight

signal.When making the sensor ,wo have change the material of the electric board seve-

-ral times.At last ,wo choose electric fabric to compose the sensor,according to the

electric performance of different material. The circuit includes LPC2134’s minimum

system, automatic gathering system,display system,and the c ommunication system.In

the process of the signal,wo first filter the weigh signal of the vehicle,then we analyse

and give modeling to the signal. Settle scheme of statice method of weighing system has

basicly achieved.

Software and hardware design of the system which is based on ARM7 have

accomplished,the effect of the static method is satisfactory.This lay the foundation for

the weigh in motion study in the following step.

Key Word: soft quality of a material ，weigh in motion ，

embedded system ，ARM

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................................................................................1

§1.1 课题研究背景 ....................................................................................................1

§1.2 国内外研究动态 ................................................................................................2

§1.3 项目基本情况 ....................................................................................................5

第二章系统测量方案设计与分析 .................................................................................8

§2.1 软质称重传感器设计与制作 ............................................................................8

§2.2 软质电容式传感器称重原理 ............................................................................8

§2.3 测频法的初步尝试及其局限性 ......................................................................10

第三章硬件电路设计 ...................................................................................................14

§3.1 系统的总体框架 ..............................................................................................14

§3.2 微处理器选型 ..................................................................................................14

§3.3 数据采集系统设计 ..........................................................................................18

§3.4 通信与显示系统设计 ......................................................................................24

§3.5 最小系统模块 ..................................................................................................25

第四章基于 ARM7 的测量系统软件设计 ................................................................. 30

§4.1PWM ................................................................................................................. 30

§4.2ADC 模块的通讯设计 ..................................................................................... 32

§4.3 串口通信程序设计 UART0 ............................................................................ 34

§4.4 基于 VC++的上位机程序 ..............................................................................37

第五章实验数据处理与分析 .....................................................................................40

§5.1 实验数据 ..........................................................................................................40

§5.2 实验结果分析 ..................................................................................................44

第六章总结与展望 ...................................................................................................50

§6.1 总结 ..................................................................................................................50

§6.2 展望 ..................................................................................................................51

附录Ⅰ电容传感器及称重系统实物图 .........................................................................52

附录Ⅱ称重系统 PCB 原理图及电路板 ....................................................................... 53

附录Ⅲ 串口 C++程序代码及 MSComm 控件属性 ....................................................54

参考文献 .........................................................................................................................62

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................65

致谢 .............................................................................................................................66

第一章绪论

§1.1 课题研究背景

§1.1.1 车辆超载运输的危害

伴随着经济的高速发展，我国的交通需求量日益增加。公路、桥梁、城市道

路，特别是高速公路的建设取得了巨大成绩。公路以 1.91%的速度发展，高速公路

以50.8%的速度发展。至 2000 年年底，全国已通车公路里程达 140 万公里，高速

公路总里程达 16000 公里，居世界第三。但另一方面，随之而来的是车辆超载问

题的日益突出[1]。车主在运输货物时，为取得更多利润，逃避税收，常通过采用改

装车身、后桥、轮胎的方法来提高车辆的运载能力。在严重的地区,几乎所有的货

运车辆都存在不同程度的超限超载行为。这造成了一系列严重的社会问题。

首先车辆超载运输诱发了大量道路交通安全事故。超载运输使车辆长期处于

超负荷运转状态，车辆的制动性及操纵稳定性恶化。据统计,70 %的道路安全事故

是由于车辆超限超载引发的,50 %的群死群伤性特大道路交通事故与超限超载有直

接关系,车辆超限超载运输给人民生命安全构成了极大的威胁。

其次车辆超载运输严重破坏路桥基础设施，极大得缩短了其使用寿命。已经

证明，道路的破坏与车辆轴载成四次方关系，即轴载增加一倍，对公路的破坏作

用将增加 15 倍，因此车重超过道路设计载荷，对公路具有极大的破坏作用。现超

限超载车辆的荷载大都远远超过了公路和桥梁的设计承受荷载,因此常致使路面严

重损坏、桥梁断裂,正常使用年限大大缩短,据交通部门测算，超载使水泥路面使用

年限缩短 40%，沥青路面缩短 30%。很多路桥设施不得不提前大中修。全国公路

每年因车辆超限超载造成的损失超过 300 亿元,给国家财产造成了巨大损失。

同时车辆超载运输造成国家税收大量流失。收取公路规费是我国公路建设投

资的主要回收方式之一。公路规费主要包括养路费，客货运附加费和车辆通行费，

这三种费用都是按照车辆的核定吨位进行征收的。因此大量车辆超载将对国家税

收造成巨大损失。2002 年，仅张家口市因车辆超载国家税费损失就达 3000 多万元。

并且车辆超载运输扰乱了交通运输市场。首先直接导致了道路运输市场的恶

性竞争;车主竞相压价承揽货源,通过超限超载来获取更多利润,超载越多,利润越大,

形成 “压价→超限超载→运力过剩→再超限超载”的恶性循环。我国交通运输方

式主要有四种：航空、铁路、公路、水运。其中交通运输方式占主导地位。从货

物运输的角度看，公路与铁路和水路运输的关联度较大，超载运输增加了动力，

软质地毯式称重传感器及其信号处理方法的研究

导致运价下跌，各省市的公路货运实际价格大多在国家指导运价之下。公路货运

处于不正常的恶性竞争中，并对铁路、水运市场造成冲击，扰乱了整个交通运输

市场[2][3]。

§1.1.2 车辆动态称重检测的必要性

综上所述，车辆超载运输对交通安全，路桥设施，运输市场及国家税收收入

均带来了严重危害。鉴于此，国家开始高度重视超载车辆的治理工作。

超载治理工作需要大量的检测设备,但市场上现有的车重测量设备通常采用需

停车测量的静态称重方式进行车重检测，车辆排队等候测量，严重影响交通流量

畅通。少量一些可对车辆进行动态称重的测量装置，因采用硬质材料，不但体积

庞大而且大都需要进行固定安装，非常烦琐，同时价格昂贵，因此装有检测设备

的公路匝道或收费站数量极其有限,车辆是否超载很多情况下仅凭交通管理人员的

经验进行判断,缺乏科学性,给交通管理部门的严格执法带来困难。为了遏止日益严

重的车辆超载现象，交通部门急需一种便于测量，价格经济，能对车辆进行动态

测量的车重测量装置[4]。

§1.2 国内外研究动态

§1.2.1 车辆的两种称重方式

车辆称重有动态和静态两种方式。在动态称重出现之前，所有的车辆称重都

采用静态称重方式，在车辆静止时进行重量测量。利用作用在车辆轮胎上的力刚

好与静态车辆向下的地心引力相等的原理，通过检测元件（如传感器）检测出重

量信号[5]。这种称量方式准确度高，但需停车称重，检测效率低，影响交通流量畅

通，易形成“瓶颈”效应。动态称重方式 WIM(weigh in motion)可对行驶车辆进行检

测，因此相对需停车测量的静态方式，具有很大的优势。对载重货车做超载检查

时，动态称重设备一般以轴重检测为基础，计算出整车的重量。动态称重方式检

测效率高，不会造成对正常交通的干扰，因此采用此种测量方式是合乎现代道路

交通管理要求的。

§1.2.2 国外称重系统的发展现状

在国际上，动态称重系统在上世纪 50 年代开始受到关注。二战后，美国受德

国启发，开始修建高速公路网，但随之而来的是超载车辆对路面的严重损害现象，

第一章绪论

因此美国从 1953 年开始关注车辆动态称重技术[6]。

世界上经济较发达的国家都很重视公路动态称重系统的研究，目前研究的国

家主要有：美国、英国、德国、法国、南非等。以下是这些国家在动态称重系统

方面所做研究的基本成果和历程。

1958 年，美国开始了为期 16 年的 WIM (动态称重系统)研究。

1968 年，南非获得第一个电容式 WIM 传感器专利。西德的 PAT 公司在这一年

开始了平板式动态车辆称重器的研究。

1974 年，美国的 Streetre、英国的 Golden River 公司在南非的专利的基础上采用

先进电子技术，大大提高了其性能。

1983 年，Vibracoax 动态称重系统首次在法国投入使用。同时将 PVDF 压电材料

用于动态称重的研究也在美国开始进行。同年九月，美国联邦公路管理总署

（FHWA ）提议开始 “低成本动态车辆称重系统” 的研究。

1984 年，美国 36 个州安装了 WIM 系统。

1986 年，美国“低成本动态车辆称重系统”投入现场运行并提交美国联邦公路部

署推广使用。

1988 年，英国研制成功性能优于 Vibracoax 的新型压电称重传感器 Vibetek5。

1991 年此传感器己改型为 Vibetek20 ·

1990 年，美国材料实验室协会正式出台了车辆动态称重系统相关标准——《动

态称重系统用户需求与测试方法》，该标准出台后，在很多国家得到采用。

同年，美国了举行“国际交通数据采集技术会议”。在该会议上，展示的数

种低成本的动态称重系统，大都基于压电电缆、压电膜和电容传感技术。这

些系统在安装条件良好的情况下，能使统计平均误差控制在 15％左右。西德

PAT 公司的平板式传感器性能表现较为理想。

由于 WIM 系统的用途各异，目前国外产品的单轴称重平均误差从士 5％~士

30 ％不等，相应置信度在 90 ％和 95 %之间。大量用于轴载检测的称量系统的

误差一般控制在士 15％~士25 ％之间，置信度 90 ％左右。目前最理想的的 WIM

系统的单轴载称重误差可以控制在士 5 % 之内，但是成本较高。

§1.2.3 国内称重系统的发展现状

我国从“七五”期间开始引进和消化吸收国外的动态车辆称重研究成果，同

时也开始对动态车辆称重系统的自主研制。于 1985 年正式开始动态车辆称重技术

的研究，当时的交通部北京公路所、西安公路所和重庆公路所均开展了相关研究，

并在全国各地做了大量试验。该项技术涉及到路面、传感器等问题，当时对各项

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摘要：

摘要车辆超载是各国普遍存在的问题，我国尤为严重，几乎所有的货运车辆都存在不同程度的超载行为，这给路桥基础设施造成了极大的危害，同时也给人民生命安全造成极大威胁。而目前市场上现有的车辆称重装置大都采用静态方式进行称重，检测效率低，影响交通流量畅通，少量一些可对车辆进行动态称重的测量装置，因采用硬质材料，大多需进行固定安装，极为烦琐，而且体积庞大，价格昂贵，难以普及，因此为了遏止日益严重的车辆超载现象，交通部门急需一种便于测量，价格经济，能对车辆进行动态测量的车重测量装置。在这样的需求背景下，我们探索了一种新的称重测量原理，采用软质材料构成称重传感器。据此提出一种可供研制开发价格经济，携带方面，能...

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