基于单片机AD7714的动态地磅在公路收费系统中的应用

本文介绍了动态称重在公路收费系统中的实际应用。本系统以基于单片机AD7714的动态地磅为核心,采用双CPU结构，数据管理单元采用上位机、下位机分级管理，辅之一些必不可少的设备构成一 套完整的计重收费系统。该系统有效地提高了系统的响应时间和稳定性。

0.引言

动态地磅也称动态轴重仪,是对行驶中的 车辆称重的一种衡器，在公路计重收费系统中用 于对车辆超限进行检测和对车辆计重。本文介绍 的计重收费系统已在实际中应用。本系统适用于 各种运输车辆的检测，特别适用于公路车流量大、 需要全天候检测的地方。本系统既可建站专人管 理，也可实现无人自动检测，可满足不同客户及各 种条件。系统采用模块化结构设计，易于扩展、收 缩。主要模块包括检测单元、信号采集处理、变送 单元(单片机）、数据管理单元（微机）、辅助单元 (显示、打印）等。数据管理单元采用上位机、下 位机分级管理，同时下位机具有上位机主要功能， 增强系统的容错能力。信号采集处理、变送单元 (单片机)采用目前先进的模拟信号处理技术，采 用双CPU结构，有效地提高了系统的响应时间和 稳定性。

1.计重收费系统构成及功能

计重收费系统构成如图1所示，其各部分的 功能如下：

①动态地磅台面采用上翻式结构，具有 防水、防潮作用，设于距离收费窗口约30m左右 (最长的车辆长度）的路面，用于动态检测车辆各 轴轴重U,)、总重(M)、轴数（a)以及车辆第一车 轴到达时间（〃<1)、最后车轴离开时间（W2 )等。 台面尺寸为3 600mm x 760mm x 198mm，传感器 (4个)采用电阻应变式、精度为±0.2%c、灵敏度 为3mV/V的压力传感器。

②汽车收尾识别器位于动态地磅台面 后方20cm处，用于检测车辆车头高度、到达时间 U1)、离开时间U2)，高度为1 800mm。采用收 发式红外线阵列进行面检测,接收和发射均经过 聚光处理且为双备份，系统能自动检测到每一个 接收、发射点的工作情况，当检测到有不正常工作 时，系统自动调整发送功率或接收点的工作状态 来修复故障。修复失败时由系统自动切换备用 点，即使有不相邻的数个检测点不能使用也不影 响系统正常运行。这些措施可以保证系统在恶劣 的环境下能正常、长期运行。红外线汽车收尾识 别器能够检测到面内直径不小于8cm的杆体。 有些书中介绍用环形线圈来检测车辆的收尾，事 实证明不但不能解决拖挂车的收尾问题，且无法 识别相距较近的两辆车；这种介绍只具有理论性， 不能用于实际系统中。

③速度识别器位于汽车收尾识别器前 方2m处，高度为800mm，用于检测车辆到达时 间（pt1)、离开时间（Pt2)以及根据收尾识别器 检测到的到达时间计算出车辆通过动态地磅台面时的速度（V)。有些书中介绍用环形线 圈来检测车辆的速度，事实证明由于车辆底盘 结构和高度不同，又是在小范围内检测车辆的 速度，所以其精度极差；这种介绍也只具有理 论性，不能用于实际系统中。

④下位机用于对汽车收尾识别器和速度 识别器的红外阵列的控制、检测、修复、备用点切 换，对动态地磅中的压力传感器输出的模拟信 号进行预处理放大和A/D转换。红外阵列的控 制、检测、修复、备用点切换用一块单片机进行，采 用并行总线和每一接收和发送点连接，发送点用 38kHz可控发送功率的红外发射管，接收点用集 成化的红外接收模块。系统根据接收到的发送脉 冲数来断定是否有物体遮挡红外线路，接收、发送 点是否有故障等，并采用交叉发送和接收工作，这 样有个别点不工作也不影响系统正常运行。对压 力传感器输出的模拟信号进行预处理放大和A/ D转换也用一块单片机进行。本系统采用美国 Analog Devices 公司推出的 24Bit AD7714 芯片 (ADC家族AD771X系列中的新品，适用于低频、 高精度转换）。该芯片具有完整的模拟前端，可 以直接测量传感器输出的直流微弱信号,转换精 度达到24位无误码。采用三线串行口与单片机 联接，通过软件编程对输人通道作出设置。该芯 片具有自校准、系统校准和背景校准功能，可以消 除零点误差、满量程误差及温度漂移的影响。因 篇幅有限，有关AD7714的各种工作模式、校准操 作等未能详细介绍，可参阅Analog Devices公司 的AD7714数据手册。

⑤综合显示器置于收费岛面上，司机能看 清显示器上的数据。能显示收费车辆的车型、应 收金额和通行信号灯。司机按显示的金额交纳通 行费，并按通行信号灯的指示行驶。

⑥自动栏杆司机交费结束自动抬起放行， 通过栏杆后自动落下。

⑦上位机接收来自下位机信号和数据，计 算出车辆总重和通行速度，车辆总重乘以通行速 度影响系数(P)为车辆实际重量，再根据收费标 准计算出应收金额，送综合显示器显示，并控制栏 杆。同时根据下位机送来的数据计算车辆的车头 高度、车轴数、车辆长度(I)、车轴距离（Z)等车辆 特征来判定车辆标载重，和实际载重比较后就能 知道该车是否超限。计算公式为：

2.数据处理与软件设计方法

当计重区内（收费窗口到收尾检测面之间的 区域）没有车辆时，红外阵列进行自检，从发现故 障到修复一般只需3分钟的时间。当长时间（10 分钟）没有车辆进人时，红外阵列进人睡眠节能 状态；当有车辆进人时，自动激活运行。

当收尾检测器检测到车辆进人计重区时，下位 机的收尾检测器控制单元输出高电平并记录时间， 根据挡住最高点的红外头计算出车辆高度，同时 A/D以200次/秒的速率采样、转换数据。第一个 车轴进人称台时记录到达时间，并将车轴在称台上 的时间段内的数据存储，车轴离开称台时记录时间 并对所存储的计重进行处理得出轴重并存储。重 复这个过程直到车辆离开收尾检测器，最后一次车 轴到达称台的时间为车辆的末轴到达时间。车辆 离开收尾检测器时，记录离开时间，收尾检测器控 制单元输出低电平，同时A/D停止采样、转换数 据。上述的这些数据在车辆离开收尾检测时通过 RS -232串行口送上位机进行处理，当断定车辆载 重超限时报警，由有关人员另行处理。

由于计重区范围较大，上位机的软件编程应 考虑到有多辆车进人区域的情况，故应在上位机 的屏幕上显示当前车辆的收费信息，以及收费区 内所有车辆的收费信息。当前车辆收费结束后， 第二辆自动上升为当前车辆，还要考虑到当车辆 长久停在称台时（时间大于10s)，则此辆车的速 度影响系数应以0速度计算（实践证明其误差率 小于0.1 %，能够满足要求）。

3.结束语

本文仅着重介绍了计重部分的内容,在具体 的收费过程中还需要配合图像监控、对讲监听以 及系统网络才能形成一套完整的公路收费系统。 有关公路收费系统的内容请参照其他资料。

本计重系统在设计过程中充分考虑了系统的 环境适应性、稳定性、抗干扰性、自适应性。所研 制的系统正应用于公路收费现场，运行良好，证明 设计方案是正确的。