CN114563072A - 一种车载的便拆装高精度实时称重装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车载的便拆装高精度实时称重装置，其特征在于：包括称重装置、传感器和上位机，所述称重装置包括显示板、主板和接收板，所述传感器设置在车轴上，所述显示板上设置有数码管，所述接收板上设置有应变信号处理电路，所述主板上设置有单片机和模数转换芯片，所述单片机与所述上位机连接，所述传感器与所述应变信号处理电路的输入端连接，所述应变信号处理电路的输出端与所述模数转换芯片的输入端连接，所述模数转换芯片的输出端与所述单片机的输入端连接，所述单片机的输出端与所述数码管连接。本发明提供的一种车载的便拆装高精度实时称重装置，采用模块化设计，传感器端与数据处理装置端分开，方便安装与拆卸且安全性提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种车载的便拆装高精度实时称重装置，属于称重系统技术领域。
背景技术
随着社会进步，无论是在物流行业，还是在工业生产行业，都对车辆的载重有严格的要求，因此车辆实时称重系统的研究备受关注，其能较好的解决货车非法改装和超限超载问题，所需资金是交通运输部门每年都要拨付的经费之一。更为重要的是超载超限会为道路交通带来严重的安全隐患，造成人员伤亡和财产损失。
尽管一般高速公路上会安装固定的称重系统和测速系统，但都属于被动治理超载超限问题，因此该现象仍然层出不穷。相比于被动治理超载超限问题，更有效的方式是从源头解决问题，比如物流公司的货车上安装随车而行的称重系统，在车运行前、运行时和运行后都能为驾驶员提供车的质量数据，从而即时提醒驾驶员是否超载，只有这样才能真正地有效解决超载超限问题。
但是现有的车载实时称重系统还有很多问题，造成车载实时称重系统不能大范围推广应用，通过调查和分析，传统的车载实时称重系统，主要有三个方面的问题：精度低、成本高、安装麻烦且有安全隐患。其中最主要的问题是安装麻烦且有安全隐患。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种车载的便拆装高精度实时称重装置，采用模块化设计，传感器端与数据处理装置端分开，方便安装与拆卸且安全性提高。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种车载的便拆装高精度实时称重装置，包括以下步骤：
一种车载的便拆装高精度实时称重装置，包括称重装置、传感器和上位机，所述称重装置包括显示板、主板和接收板，所述传感器设置在车轴上，所述显示板上设置有数码管，所述接收板上设置有应变信号处理电路，所述主板上设置有单片机和模数转换芯片，所述单片机与所述上位机连接，所述传感器与所述应变信号处理电路的输入端连接，所述应变信号处理电路的输出端与所述模数转换芯片的输入端连接，所述模数转换芯片的输出端与所述单片机的输入端连接，所述单片机的输出端与所述数码管连接。
所述传感器为应变电阻传感器，所述应变电阻传感器由惠斯通全桥电路构成，包括四个电阻应变片，四个所述电阻应变片在车轴上下和左右方向呈几何对称分布。
所述单片机引出SWD接口用于烧录程序，SWD接口共有四个引脚，分别为电源、地线、时钟线和数据线。
所述显示板安装有四个用户按键和一个复位按键，所述单片机引出四个IO接口分别用于与四个所述按键连接，四个所述IO接口内部接10K欧姆上拉电阻，所述单片机引出复位引脚与所述复位按键连接。
所述显示板上设置有蜂鸣器和按键指示LED，所述单片机分别引出单独IO接口与所述蜂鸣器和按键指示LED连接。
所述接收板上设置有2Pin接线端子和开关型稳压芯片，所述主板上设置有LT8471电源管理芯片、AMS1117稳压芯片和RT9193稳压芯片，所述2Pin接线端子经过防倒流二极管和拨动开关后与LM2596开关型稳压芯片连接，所述LM2596开关型稳压芯片与所述LT8471电源管理芯片连接，所述LT8471电源管理芯片通过连接AMS1117稳压芯片给所述、单片机、蜂鸣器和数码管供电，所述LT8471电源管理芯片通过连接RT9193稳压芯片给所述模数转换芯片供电。
所述单片机的型号是STM32F103C8T6，所述模数转换芯片的型号是ADS1256。
所述主板平行放置，所述显示板和接收板分别垂直于所述主板两侧，所述显示板和接收板与所述主板之间焊接连接，并通过螺丝固定。
包括装置外壳，所述装置外壳为铝型材壳体，所述装置外壳内设置有用于安装所述主板、显示板和接收板的扁平凹槽。
所述电阻应变片包括基底，所述基底为PEEK薄膜，所述基底上设置有盖片，所述基底与所述盖片之间设置有敏感栅，所述基底与所述敏感栅以及所述基底与所述盖片之间均通过通过粘结剂固定。
所述单片机烧录系统程序包括初始化模块，所述初始化模块连接主菜单模块，所述主菜单模块分别连接四通道单级标定模块、四通道多级标定模块、重量实时显示模块、AD驱动模块和显示驱动模块。
本发明的有益效果：本发明提供的一种车载的便拆装高精度实时称重装置，采用模块化设计，传感器端与数据处理装置端分开，主要由对称安装于车轴的应变电阻传感器、用于接收、处理和输出数据的数据处理装置组成，应变电阻传感器和数据处理装置之间视情况使用一定长度硅胶导线连接。数据处理装置内部由三块印制电路板组成，分别为显示板、接收板和主板。接收板用于连接应变电阻传感器和整体装置电源输入，为装置供电并接收微小电压信号；显示板装有八位数码管和按键，用于显示称重结果并为用户提供装置复位、多级标定等功能；主板进行电源管理、模数转换和计算处理输出等操作，是整个装置的核心部分；传感器直接对称安装于车轴两侧，且对对称要求不高，方便安装与拆卸，其不同于传统的普通称重传感器安装在车厢和车架之间而导致诸多安装问题，对称安装于车轴处的应变电阻传感器拆卸和安装都非常方便，兼顾了安全、精度高、成本低且安装便捷等诸多优点。
附图说明
图1为本发明一种车载的便拆装高精度实时称重装置的系统框图；
图2为本发明中应变电阻传感器的安装示意图；
图3为本发明中电阻应变片的结构示意图；
图4为本发明中接收板的DCDC电路原理图；
图5为本发明的应变信号处理电路原理图；
图6为本发明的单片机电路原理图；
图7为本发明的软件框图；
图8为本发明的标定流程图；
图9为本发明的按键功能图；
图10为本发明以通道0为例的具体标定流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供一种车载的便拆装高精度实时称重装置，主要包括称重装置、传感器和上位机三部分。称重装置包括主板、显示板和接收板。主板用于电源管理、模数转换和数据处理，显示板用于人机交互，为用户提供按键输入、复位和显示输出功能，显示输出使用八位数码管，接收板用于接收传感器输出，将数据传输给主板；上位机为远程监测设备，如有需要可将设备远程接入，将数据传输至上位机方便用户监测。传感器与称重装置和上位机分离，传感器与称重装置之间可根据需要选择长度适中的硅胶导线连接。
如图2和图3所示，单通道传感器由单个惠斯通电桥组成，单个惠斯通电桥结构共引出四个引脚，分别接电源正极输入，电源负极输入和两个电压信号线输出。单个惠斯通电桥即为单个应变电阻传感器，单个应变电阻传感器由四个电阻应变片组成。应变电阻传感器实际是一个由贴片在车轴上下，左右都几何对称的四个电阻应变片构成的全桥惠斯通电路。车质量变化引起车轴形变，车轴形变引起电阻应变片形变，从而改变电阻应变片阻值，进而产生电压信号。
电阻应变片是由敏感栅、基底、盖片和粘结剂等组成。电阻应变片包括基底，基底上设置有盖片，基底与盖片之间设置有敏感栅，基底与敏感栅以及基底与盖片之间均通过通过粘结剂固定。
电阻应变片由敏感栅、引线、基底、盖片和粘结剂组成，敏感栅是应变片的重要组成部分；引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属丝；基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置；盖片既保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，还可保护敏感栅；粘结剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。根据测试，在敏感栅的栅长、栅宽、栅间距以及引线和焊盘都设计了新的结构，同时选取吸水率最小的PEEK薄膜作为基底，全密封结构，具有温度自补偿和蠕变自补偿功能；具有极低的吸湿率和较好的抗湿热能力；蠕变、回零性能优良；基底具有一定的韧性。
本发明的主要工作过程为：装卸货物时，通过装卸前后车轴形变而引起安装于其上的应变电阻传感器形变，通过惠斯通电桥结构产生微弱电压变化，该变化经过设计完好的电路被数据处理装置接收，再经过定好的标定系数计算出对应质量，最后将结果显示在显示器端的数码管上以供驾驶员即时监测。该结果可以根据需要传输至监测中心，以实现远程监测功能。
如图4所示，整体装置电压输入范围为4.5V至40V，通过DCDC和LDO转换为不同的电压为不同的器件供电。具体地，接收板上装有2Pin接线端子，为电源输入接口，经过防倒流二极管和拨动开关，进入LM2596开关型稳压芯片，芯片输出12V经过18AWG导线连接至主板。主板12V电源输入，经过LT8471电源管理芯片，输出+7V和-13V电压。-13V经过LM2990S升至-5V。+7V先后经过AMS1117-5V、AMS1117-3.3V、RT9193输出+5V、+3.3V和+3.3V电压。RT9193输出的+3.3V电源区别于AMS1117-3.3V输出的+3.3V电源，单独给模数转换芯片供电，因为RT9193低噪声，低静态电流，具有关断功能，低纹波的特性更适于作为模数转换芯片的供电电源。而AMS1117输出的+5V和+3.3V电压则给STM32F103C8T6(微控制器)、蜂鸣器、数码管等模块供电。为了降低电路之间的互相干扰，在主板中引入三种不同的地，作为不同功能电路的0V参考点，形成不同的电流回路。三种地分别为电源地线GND、模拟地线AGND和数字地线DGND。三种地之间采用0欧姆电阻连接。
如图5所示，应变信号处理电路主要包括差分输入、校准，此外，还包含衰减输出(单通道数值校准条件下不使用)。应变信号处理电路的输出信号再经过模数转换电路输出给主控制器，该模数转换芯片输入为-0.1V到5.0V，输出为24位补码，采样频率最大300kHz。主控制器接收到信号后，经过事先标定的系数计算出输入信号对应的质量，最后显示在八位数码管上。应变信号处理电路中，U15用于差分输入，U21和U17用于校准零点信号，U19用于衰减输出。电路中R37、R42和R45阻值不固定，根据具体应变信号进行调整。校准功能通过电位器调节减法器的负输入端电平大小实现调零。
如图6所示，本发明中主板上电路主要由STM32F103C8T6芯片、时钟产生电路、复位电路、电源电路组成。芯片电源输入部分使用100nF电容接地实现滤波。单片机引出SWD接口用于烧录程序，代码编写使用STM32F103标准库，在Keil5 MDK上完成编辑、编译和下载。SWD接口共有四个引脚，分别为电源、地、时钟线和数据线；引出复位引脚置显示板上，用于用户重启装置；引出四个IO接口用于按键输入，四个IO接口内部接10K欧姆上拉电阻；引出SPI的时钟线、数据线、片选线和单独设置的同步线等连接模数转换芯片，实现对该芯片的驱动；引出单独IO接口采用推挽输出方式控制三极管通断从而控制蜂鸣器开关，当用户按下按键，蜂鸣器慢速鸣叫一次，以指示用户按下成功；引出单独IO接口采用推挽输出方式控制按键指示LED，当用户按下按键，该指示灯慢速闪烁一次，以指示用户按下成功；引出模拟时钟线、片选线以及数据输出线连接数码管，从而控制数码管显示。单片机与装置内的其余外设均供地以获得相同的零基准电平。显示板安装有四个用户按键和一个复位按键，并装有八位数码管。接收板主要装有一个2Pin接线端子、拨动开关和四路信号输入接线端子。
三块不同功能的印制电路板通过开窗焊接连接。主板平行放置，显示板与接收板平行，显示板和接收板分别垂直于主板两侧边缘，通过定位铺铜，焊接三者使其连接。在三块印制电路板上预留定位孔，可制作特定大小的筋装置并使用M3螺丝固定。除后置板为主板输入的电源线使用18AWG硅胶导线外其余信号线和电源线均使用排线连接，排线结构紧凑，占用空间小，且不易滑落。装置外壳使用标准106mm×55mm×155mm的铝型材壳体，壳体内存在扁平凹槽，三块印制电路板置于铝合金包装壳内，紧贴于显示板和接收板的铝合金包装壳凹槽部分以适应高低不一的电子元器件，便于将印制电路板装配其中。前后平面切割指定的面积、形状，以便将按键、数码管、开关和接线端子等裸露在外。
如图7所示，本发明系统软件主要由初始化模块、主菜单模块、四通道单级标定、四通道多级标定、重量实时显示、BPS_ADS1256驱动模块和HC595显示驱动模块组成。在装置上电后，系统首先进行各外设模块的初始化，包括数码管显示驱动、AD传感器驱动以及初始化重量显示模型系数的预设值。这时将重物放置传感器上，系统将按照模型系数的预设值计算重物质量并显示在数码管上。
如图8所示，为该装置的标定流程图。如果需要执行标定过程，则按下相应按键，即可进入标定功能，标定完成后更新模型系数，之后在数码管上会显示校准后的质量数值，再按下相应按键退出标定功能。
如图9所示，为该装置的按键功能图。显示板上除安装有重启按钮外，还安装有四个功能按键，主要拥有工作状态的切换、单级标定、单通道多级标定、校准置零和用户态置零等功能。通过按键KEY1可以顺序切换系统工作状态，系统分为七个状态，分别为用户态、采用通道调节状态、单级标定、0通道5级标定、1通道5级标定、2通道5级标定和3通道5级标定，将这七个状态分别称为0-6状态。当系统处于0状态，按键KEY1为切换状态功能，按键KEY2为校准归零功能，按键KEY3为显示归零功能。如果需要使用多级校准，需要在0状态下按下KEY2归零，这么做的原因是系统初始化后传感器可能会存在初始值，称之为皮值，从而在数码管上显示该数值。多级标定需要记录初始状态时的四个通道皮值为VALUE0、VALUE1、VALUE2、VALUE3以及一个用于单级标定的四个通道传感器皮值的均值VALUE。当系统处于状态1时，默认调节0通道采样值。首先通过调节接收板上的电位器使数码管示数至50000-100000之间，接着按下KEY2按键切换至1通道采样值调节，以此重复操作可以调节3、4通道，四个通道采样值设置完成后，即可按下KEY1按键切换至其他状态。2状态为单级标定，其操作方法较为简单可参考3、4、5、6状态下的改变示数环节。3、4、5、6状态为四个通道的5级标定状态，每个通道的按键功能一致，KEY1为切换状态功能，KEY2为移动显示光标功能，KEY3为改变光标示数功能，KEY4为进入下级标定功能。KEY2和KEY3用于调节标定系数，系统默认五次标定系数分别为200、400、600、800、1000，通过KEY2调节数码管光标位置，接着按下KEY3可以调整光标处示数大小，面对不同质量的标定物体，用户可以自行改变标定过程中的五个标定值。完成一次标定后按下KEY4即可进入下一级标定，全部标定结束后按下KEY1进入下一个系统状态。
如图10所示，为通道0的具体标定流程。按照系统默认的标定参数，分别选取200kg、400kg、600kg、800kg、1000kg重量物体作为标定物体，在每级标定过程中，将对应质量物体放置在传感器上。在2-5级标定情况下，标定系数K的计算需要考虑前一级的传感器真实值，若此时数码管示数和传感器的真实值分别为CurrentDisplay和CurrentValue，前一级数码管示数和传感器的真实值分别为LastDisplay和LastValue，那么当前级的标定系数K的计算公式为：
特殊的，在一级标定下，由于皮值VALUE的存在，当前级的标定系数K的计算公式为：
其中，VALUE为四个通道传感器皮值的均值。需要注意的是，只有当5级标定完成时，系统才会将标定完成参数BD置1，只有在BD参数置1时，五个标定系数才能参与到最终的质量计算中。当一个通道的5级标定全部完成后，通过按下KEY4进入下一个通道的第1级标定过程。
本发明中一种车载的便拆装高精度实时称重装置的使用方法，包括以下步骤：
一、将应变电阻传感器对称安装于车轴两侧，并使用一定长度硅胶导线续接原导线，使导线长度适应用户需要；
二、检查导线连接是否正常。如有断接，则重新接线，如果没有，则进行下一步。因为导线长度较长，产生断接情况较为频繁，因此这一步必不可少，以减小后续可能出现的查错难度；
三、将引出的导线的另一端接入装置接收板的信号接线端子中，确保连接稳定；
四、按照输入电压标准为系统接入电源，电源接口位于接收板一侧，打开总电源开关，观察到各电源指示灯常亮即表示系统上电成功；
五、待系统上电成功后，单片机完成各模块初始化工作；
六、放置重物，查看数码管示数是否变化，且数值是否正常，因程序预设，此数值应与放置的重物质量呈线性关系。若没有示数，或示数数值显示不正常，则可能程序跑飞，此时按下重启按钮，但这种情况发生率很低，若示数正常显示，且数值正常，则表示装置启动成功；
七、准备规定质量的重物用于系数标定，同时根据需要进行功能选择。KEY0用于系统状态切换，在不同系统状态下，其余三个按键拥有不同的功能。四个按键配合使用，完成标定系数的校准。最后将系统切换至状态0等待放置重物。
八、放置待测重物，约在1秒内示数稳定，读出待测重物质量，单位为吨。
从上式可以看出，本发明集成度较高，装配良好，使用步骤较为固定，对轻微的质量变化较为敏感，精度较高。由于系统处于状态0时，程序运行周期短，因此实时性较强。装置设计模块化，体积较小，便于拆卸和安装。工作电压范围较广且最高电压距离人体安全电压有较大空间，因此使用安全。设计材料易于获取，价格低廉，成本适中。
综上，一种车载的便拆装高精度实时称重装置，综合平衡了精度、成本、安全和安装便捷等多个方面，更加符合现代道路交通中车载称重的需求，具有较高的实际应用价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种车载的便拆装高精度实时称重装置，其特征在于：包括称重装置、传感器和上位机，所述称重装置包括显示板、主板和接收板，所述传感器设置在车轴上，所述显示板上设置有数码管，所述接收板上设置有应变信号处理电路，所述主板上设置有单片机和模数转换芯片，所述单片机与所述上位机连接，所述传感器与所述应变信号处理电路的输入端连接，所述应变信号处理电路的输出端与所述模数转换芯片的输入端连接，所述模数转换芯片的输出端与所述单片机的输入端连接，所述单片机的输出端与所述数码管连接。
2.根据权利要求1所述的一种车载的便拆装高精度实时称重装置，其特征在于：所述传感器为应变电阻传感器，所述应变电阻传感器由惠斯通全桥电路构成，包括四个电阻应变片，四个所述电阻应变片在车轴上下和左右方向呈几何对称分布。
3.根据权利要求1所述的一种车载的便拆装高精度实时称重装置，其特征在于：所述单片机引出SWD接口用于烧录程序，SWD接口共有四个引脚，分别为电源、地线、时钟线和数据线。
4.根据权利要求1所述的一种车载的便拆装高精度实时称重装置，其特征在于：所述显示板安装有四个用户按键和一个复位按键，所述单片机引出四个IO接口分别用于与四个所述按键连接，四个所述IO接口内部接10K欧姆上拉电阻，所述单片机引出复位引脚与所述复位按键连接。
5.根据权利要求1所述的一种车载的便拆装高精度实时称重装置，其特征在于：所述显示板上设置有蜂鸣器和按键指示LED，所述单片机分别引出单独IO接口与所述蜂鸣器和按键指示LED连接。
6.根据权利要求5所述的一种车载的便拆装高精度实时称重装置，其特征在于：所述接收板上设置有2Pin接线端子和开关型稳压芯片，所述主板上设置有LT8471电源管理芯片、AMS1117稳压芯片和RT9193稳压芯片，所述2Pin接线端子经过防倒流二极管和拨动开关后与LM2596开关型稳压芯片连接，所述LM2596开关型稳压芯片与所述LT8471电源管理芯片连接，所述LT8471电源管理芯片通过连接AMS1117稳压芯片给所述、单片机、蜂鸣器和数码管供电，所述LT8471电源管理芯片通过连接RT9193稳压芯片给所述模数转换芯片供电。
7.根据权利要求1所述的一种车载的便拆装高精度实时称重装置，其特征在于：所述单片机的型号是STM32F103C8T6，所述模数转换芯片的型号是ADS1256。
8.根据权利要求1所述的一种车载的便拆装高精度实时称重装置，其特征在于：包括装置外壳，所述装置外壳为铝型材壳体，所述装置外壳内设置有用于安装所述主板、显示板和接收板的扁平凹槽，所述主板平行放置，所述显示板和接收板分别垂直于所述主板两侧，所述显示板和接收板与所述主板之间焊接连接，并通过螺丝固定。
9.根据权利要求1所述的一种车载的便拆装高精度实时称重装置，其特征在于：所述电阻应变片包括基底，所述基底为PEEK薄膜，所述基底上设置有盖片，所述基底与所述盖片之间设置有敏感栅，所述基底与所述敏感栅以及所述基底与所述盖片之间均通过通过粘结剂固定。
10.根据权利要求1所述的一种车载的便拆装高精度实时称重装置，其特征在于：所述单片机烧录系统程序包括初始化模块，所述初始化模块连接主菜单模块，所述主菜单模块分别连接四通道单级标定模块、四通道多级标定模块、重量实时显示模块、AD驱动模块和显示驱动模块。
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