CN107917770B - 具备长距离传输和抗干扰功能的道路路基压力检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明具备长距离传输和抗干扰功能的道路路基压力检测装置，属于道路路基压力检测装置技术领域。所要解决的技术问题是：提供一种具备长距离传输和抗干扰功能的道路路基压力检测装置；解决该技术问题采用的技术方案为：包括中央控制器、恒流源驱动模块、差分电压放大模块、数据通信模块和电源供电模块；所述中央控制器的电源端与电源供电模块相连，中央控制器的信号输出端与差分电压放大模块相连，所述恒流源驱动模块与差分电压放大模块相连；所述中央控制器的信号输出端还连接有数据通信模块；所述中央控制器的信号输入端与压阻式传感器相连；本发明安装应用于道路路基压力检测场所。

Description

具备长距离传输和抗干扰功能的道路路基压力检测装置
技术领域
本发明具备长距离传输和抗干扰功能的道路路基压力检测装置，属于道路路基压力检测装置技术领域。
背景技术
对公共道路结构的监控是确保公共道路安全运营的重要环节，其中对道路路基的压力检测是整个监控过程中重要一项，对道路路基的压力测量需要使用压力传感器，压阻式传感器是一种能把物理压力数值转变为电信号电压值并进行传输处理的装置；随着信息处理技术和计算机技术的高速发展，传感器作为各种控制系统的前端单元，越来越重要，以半导体材料的压阻效应为原理制成的半导体力敏传感器因具有体积小、性能高、廉价等优点得到了广泛应用，从民用领域的汽车和消费类电子到军用领域，压阻式传感器都在其中扮演着重要的角色。
但是由于在实际工程项目中其利用散射技术形成的电桥阻值输出差分电压信号，放大后的差分电压信号在实际应用中传输距离有限，而且其传输速率较低且信号容易受到干扰，限制了该类器件准确度的提高和应用。
随着压阻式传感器在各个领域应用的拓展与加深，提高自身性能的同时，应该保证压阻式传感器工作的精确性，必须对封装后的压阻式传感器进行电路改进；例如，压阻式传感器输出的电压差分信号放大后在传输时由于线路的阻值导致信号的衰减，而且实际信号传输中还会对信号产生干扰，必须采取措施对传感器进行有效的改进。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种具备长距离传输和抗干扰功能的道路路基压力检测装置；为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：具备长距离传输和抗干扰功能的道路路基压力检测装置，包括中央控制器、恒流源驱动模块、差分电压放大模块、数据通信模块和电源供电模块；
所述中央控制器的电源端与电源供电模块相连，中央控制器的信号输出端与差分电压放大模块相连，所述恒流源驱动模块与差分电压放大模块相连；
所述中央控制器的信号输出端还连接有数据通信模块；
所述中央控制器的信号输入端与压阻式传感器相连；
所述差分电压放大模块的电路结构为：所述差分电压放大模块使用的芯片为U1；
所述芯片U1的1脚接地；
控制芯片U1的2脚依次并接电阻R6的一端，电阻R10的一端，电阻R9的一端，电阻R5的一端后与电阻R4的一端相连；
所述芯片U1的4脚依次并接电阻R6的另一端，电阻R10的另一端后与电阻R8的一端相连，所述电阻R9的另一端依次并接电阻R5的另一端，电阻R7的一端后与芯片U1的5脚相连，所述电阻R8的另一端依次串接电阻R1，电阻R3后与电阻R7的另一端相连；
所述芯片U1的3脚依次并接电阻R2的一端，电阻R4的另一端，电阻R13的一端，电容C3的一端后与电阻R1和电阻R3之间的连线相连，所述电阻R2的另一端接地；
所述芯片U1的6脚并接电阻R13的另一端后与电阻R12的一端相连；
所述芯片U1的7脚并接电容C2的一端后与三极管Q1的基极相连，所述电容C2的另一端并接三极管Q1的集电极，电阻R12的另一端后与电容C3的另一端相连；
所述芯片U1的8脚并接电容C1的一端后与电阻R11的一端相连，所述电容C1的另一端接地，所述电阻R11的另一端并接三极管Q1的发射极后与中央控制器的信号输出端相连。
所述数据通信模块的电路结构为：所述数据通信模块使用的芯片为U2；
所述芯片U2的1脚，2脚，3脚，4脚均与中央控制器的信号输出端相连；
所述芯片U2的5脚接地；
所述芯片U2的6脚依次并接电阻R15的一端，电阻R14的一端后与通信模块的信号输出端相连；
所述芯片U2的7脚依次并接电阻R15的另一端，电阻R16的一端后与通信模块的信号输出端相连；
所述芯片U2的8脚并接电阻R14的另一端后与电容C12的一端相连，所述电容C12的另一端并接电阻R16的另一端后接地。
所述电源供电模块的电路结构为：所述电源供电模块使用的芯片为U3和U4；
所述电源正极串接开关S1后依次并接有极电容C4的正极，有极电容C11的正极后与芯片U3的输入端相连，所述芯片U3的输出端依次并接有极电容C5的正极，有极电容C6的正极，有极电容C7的正极，有极电容C8的正极后与芯片U4的输入端相连；
所述电源负极依次并接有极电容C4的负极，有极电容C11的负极，芯片U3的接地端，有极电容C5的负极，有极电容C6的负极后接地；
所述芯片U4的输出端依次并接有极电容C9的正极和有极电容C10的正极后与中央控制器的电源端相连，所述有极电容C7的负极依次并接有极电容C8的负极，芯片U4的接地端，有极电容C9的负极，有极电容C10的负极后接地。
所述中央控制器还连接有掉电保护模块。
所述数据通信模块的信号输出端与监控中心计算机相连。
所述数据通信模块为RS485通信模块。
所述中央控制器使用的芯片型号为STM32C8T6。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明通过使用专用处理器芯片，在压阻式传感器的外围电路进行改进，通过设置恒流源放大电路与差分信号电压放大电路，可将传感器采集到的信号进行放大，使用的中央控制器内置模数转换电路，对采集数据进行处理后传输至通信模块，数据在电路中的传输过程使用的接口电路接口电平低，数据传输速度快，抗干扰能力强，可有效提高压阻数据的传输效率。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明差分电压放大模块的电路结构示意图；
图3为本发明数据通信模块的电路结构示意图；
图4为本发明电源供电模块的电路结构结构图；
图中：1为中央控制器、2为恒流源驱动模块、3为差分电压放大模块、4为数据通信模块、5为电源供电模块、6为压阻式传感器、7为掉电保护模块、8为监控中心计算机。
具体实施方式
如图1所述，本发明具备长距离传输和抗干扰功能的道路路基压力检测装置，包括中央控制器1、恒流源驱动模块2、差分电压放大模块3、数据通信模块4和电源供电模块5；
所述中央控制器1的电源端与电源供电模块5相连，中央控制器1的信号输出端与差分电压放大模块3相连，所述恒流源驱动模块2与差分电压放大模块3相连；
所述中央控制器1的信号输出端还连接有数据通信模块4；
所述中央控制器1的信号输入端与压阻式传感器6相连；
所述差分电压放大模块3的电路结构为：所述差分电压放大模块3使用的芯片为U1；
所述芯片U1的1脚接地；
控制芯片U1的2脚依次并接电阻R6的一端，电阻R10的一端，电阻R9的一端，电阻R5的一端后与电阻R4的一端相连；
所述芯片U1的4脚依次并接电阻R6的另一端，电阻R10的另一端后与电阻R8的一端相连，所述电阻R9的另一端依次并接电阻R5的另一端，电阻R7的一端后与芯片U1的5脚相连，所述电阻R8的另一端依次串接电阻R1，电阻R3后与电阻R7的另一端相连；
所述芯片U1的3脚依次并接电阻R2的一端，电阻R4的另一端，电阻R13的一端，电容C3的一端后与电阻R1和电阻R3之间的连线相连，所述电阻R2的另一端接地；
所述芯片U1的6脚并接电阻R13的另一端后与电阻R12的一端相连；
所述芯片U1的7脚并接电容C2的一端后与三极管Q1的基极相连，所述电容C2的另一端并接三极管Q1的集电极，电阻R12的另一端后与电容C3的另一端相连；
所述芯片U1的8脚并接电容C1的一端后与电阻R11的一端相连，所述电容C1的另一端接地，所述电阻R11的另一端并接三极管Q1的发射极后与中央控制器1的信号输出端相连。
所述数据通信模块4的电路结构为：所述数据通信模块4使用的芯片为U2；
所述芯片U2的1脚，2脚，3脚，4脚均与中央控制器1的信号输出端相连；
所述芯片U2的5脚接地；
所述芯片U2的6脚依次并接电阻R15的一端，电阻R14的一端后与通信模块4的信号输出端相连；
所述芯片U2的7脚依次并接电阻R15的另一端，电阻R16的一端后与通信模块4的信号输出端相连；
所述芯片U2的8脚并接电阻R14的另一端后与电容C12的一端相连，所述电容C12的另一端并接电阻R16的另一端后接地。
所述电源供电模块5的电路结构为：所述电源供电模块5使用的芯片为U3和U4；
所述电源正极串接开关S1后依次并接有极电容C4的正极，有极电容C11的正极后与芯片U3的输入端相连，所述芯片U3的输出端依次并接有极电容C5的正极，有极电容C6的正极，有极电容C7的正极，有极电容C8的正极后与芯片U4的输入端相连；
所述电源负极依次并接有极电容C4的负极，有极电容C11的负极，芯片U3的接地端，有极电容C5的负极，有极电容C6的负极后接地；
所述芯片U4的输出端依次并接有极电容C9的正极和有极电容C10的正极后与中央控制器1的电源端相连，所述有极电容C7的负极依次并接有极电容C8的负极，芯片U4的接地端，有极电容C9的负极，有极电容C10的负极后接地。
所述中央控制器1还连接有掉电保护模块7。
所述数据通信模块4的信号输出端与监控中心计算机8相连。
所述数据通信模块4为RS485通信模块。
所述中央控制器1使用的芯片型号为STM32C8T6。
本发明内部设置的中央控制器1内置有模数转换处理电路，可对输出的放大的差分信号进行高精度处理，使得到的差分电压信号更加精确；中央控制器1的主芯片拥有3个ADC，这些ADC可以独立使用也可以使用双重模式，该ADC采用12位逐次逼近性的模拟数字转换器，可以对放大的差分信号进行高精度处理；在工作时，中央控制器1将压阻式传感器6采集到压力数据与内部预设值进行对比和校正后得到比较准确的压力结果。
所述中央控制器1内部预设的程序可给多个压阻式传感器6进行编号，做出标识符进行标识，可验证收到数据的准确性，并能明确识别是哪个传感器传回的数据；中央控制器1外部采用高速晶振电路设计，使得中央控制器1可以快速发出数据采集命令，并高速处理电压信号。
所述恒流源驱动模块2可以提供恒流源激励电流，和差分电压放大模块3配合工作，可以放大压阻式传感器6输出的差分信号，为传感器长时间提供稳定的恒流源电流，不会因为工作时间长而降低传感器的灵敏度；所述差分电压放大模块3使用的控制芯片U1型号为AM417。
所述恒流源驱动模块2可作为压阻式传感器6的驱动激励电路，传感器被激励后再经过差分电压放大模块3，可输出0.5-4.5V的工作电压，输出电压的大小还可根据实际情况调整输出合适的电压。
所述差分电压放大模块3采用PNP三极管Q1及其外围电路构成共集电极放大电路，同时输出端的电流可以通过串联一个电阻到三极管的发射极来控制，三极管Q1和芯片U1的热接触可有效降低输出电流的温度漂移，提高电路的电流限制能力。
所述数据通信模块4为RS485处理电路，使用的芯片U2型号为SP3485，可将中央处理器1处理后的数据进行远程传输，通过该模块传输速率更高，抗干扰能力更强，并能减小噪声的干扰，传输距离更远，支持多节点工作，最多可达到32个节点；数据经RS485工业电缆传输至监控中心计算机8，工作人员通过显示屏及时了解各个道路路基压力状态的数据。
所述电源供电模块5使用恒流源电路为中央控制器1供电，可长时间保持供电电流稳定，不存在时间漂移问题，其中芯片U3的型号为78M05，作为电压稳压器使用，芯片U4的型号为LM1117，作为电压调节器使用。
本发明另外设置有掉电保护模块7，具体为VBAT掉电保护模块，可以使中央控制器1在掉电情况下仍然可以保存数据，防止数据丢失。
现在使用的压阻式传感器没有防水防雷措施，在实际应用中很容易受到外界环境因素的影响，对使用寿命及灵敏度都可能造成影响；本发明对压阻式传感器6的电路同时做了防水防电措施，利用保护膜对压力传感器进行保护，防止传感器被腐蚀破坏，由于保护膜的作用基本可以将所承受的路基压力在较小损耗的情况下传递给压力传感器，同样可使传感器保持较高的灵敏度，另外传感器电路做了接地处理，可以起到防雷的效果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.具备长距离传输和抗干扰功能的道路路基压力检测装置，其特征在于：包括中央控制器（1）、恒流源驱动模块（2）、差分电压放大模块（3）、数据通信模块（4）和电源供电模块（5）；
所述中央控制器（1）的电源端与电源供电模块（5）相连，中央控制器（1）的信号输出端与差分电压放大模块（3）相连，所述恒流源驱动模块（2）与差分电压放大模块（3）相连；
所述中央控制器（1）的信号输出端还连接有数据通信模块（4）；
所述中央控制器（1）的信号输入端与压阻式传感器（6）相连；
所述差分电压放大模块（3）的电路结构为：所述差分电压放大模块（3）使用的芯片为U1；
所述芯片U1的1脚接地；
控制芯片U1的2脚依次并接电阻R6的一端，电阻R10的一端，电阻R9的一端，电阻R5的一端后与电阻R4的一端相连；
所述芯片U1的4脚依次并接电阻R6的另一端，电阻R10的另一端后与电阻R8的一端相连，所述电阻R9的另一端依次并接电阻R5的另一端，电阻R7的一端后与芯片U1的5脚相连，所述电阻R8的另一端依次串接电阻R1，电阻R3后与电阻R7的另一端相连；
所述芯片U1的3脚依次并接电阻R2的一端，电阻R4的另一端，电阻R13的一端，电容C3的一端后与电阻R1和电阻R3之间的连线相连，所述电阻R2的另一端接地；
所述芯片U1的6脚并接电阻R13的另一端后与电阻R12的一端相连；
所述芯片U1的7脚并接电容C2的一端后与三极管Q1的基极相连，所述电容C2的另一端并接三极管Q1的集电极，电阻R12的另一端后与电容C3的另一端相连；
所述芯片U1的8脚并接电容C1的一端后与电阻R11的一端相连，所述电容C1的另一端接地，所述电阻R11的另一端并接三极管Q1的发射极后与中央控制器（1）的信号输出端相连；
所述数据通信模块（4）的电路结构为：所述数据通信模块（4）使用的芯片为U2；
所述芯片U2的1脚，2脚，3脚，4脚均与中央控制器（1）的信号输出端相连；
所述芯片U2的5脚接地；
所述芯片U2的6脚依次并接电阻R15的一端，电阻R14的一端后与通信模块（4）的信号输出端相连；
所述芯片U2的7脚依次并接电阻R15的另一端，电阻R16的一端后与通信模块（4）的信号输出端相连；
所述芯片U2的8脚并接电阻R14的另一端后与电容C12的一端相连，所述电容C12的另一端并接电阻R16的另一端后接地；
所述中央控制器（1）使用的芯片型号为STM32C8T6。
2.根据权利要求1所述的具备长距离传输和抗干扰功能的道路路基压力检测装置，其特征在于：所述电源供电模块（5）的电路结构为：所述电源供电模块（5）使用的芯片为U3和U4；
所述电源正极串接开关S1后依次并接有极电容C4的正极，有极电容C11的正极后与芯片U3的输入端相连，所述芯片U3的输出端依次并接有极电容C5的正极，有极电容C6的正极，有极电容C7的正极，有极电容C8的正极后与芯片U4的输入端相连；
所述电源负极依次并接有极电容C4的负极，有极电容C11的负极，芯片U3的接地端，有极电容C5的负极，有极电容C6的负极后接地；
所述芯片U4的输出端依次并接有极电容C9的正极和有极电容C10的正极后与中央控制器（1）的电源端相连，所述有极电容C7的负极依次并接有极电容C8的负极，芯片U4的接地端，有极电容C9的负极，有极电容C10的负极后接地。
3.根据权利要求2所述的具备长距离传输和抗干扰功能的道路路基压力检测装置，其特征在于：所述中央控制器（1）还连接有掉电保护模块（7）。
4.根据权利要求3所述的具备长距离传输和抗干扰功能的道路路基压力检测装置，其特征在于：所述数据通信模块（4）的信号输出端与监控中心计算机（8）相连。
5.根据权利要求4所述的具备长距离传输和抗干扰功能的道路路基压力检测装置，其特征在于：所述数据通信模块（4）为RS485通信模块。
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