传统的汽车称重方案主要是地磅、动态称重即WlM(Weighting—in—Motion)技术、便携式轴重仪。这些方案的缺点是不言而喻的，如安装维护困难、费用昂贵，不能覆盖全路段，称重精度与车辆通行速度之间存在矛盾等。本文提出一种全新的方案— — 车载动态称重，该系统能够实时测量货物重量，并通过GPS把重量数据传回给远方的监控平台并且安装维护简单、快速，对速度没有限制，在全程对车辆进行监控真正实现动态称重，从源头上杜绝超载。

1 称重原理的概述

本方案则对车辆车架用解析法及有限元CAD方法建立车架承载力学模型，并经对比、验证理论计算与实测应力的准确性(误差达5％以内)。以车架当秤架，选择车架合适的测点的位置，进行应力测量，最终可按力学模型给出承载总重量数值。下面以六轴车为例来说明该原理是如何应用的。六轴车的力学抽象示意图如图1所示。

在图中标注的测点位置上安装应变传感器，在静态下进行标定，用来确定各个传感器的输出在总重中所占的权重。具体做法是：把后三轴传感器的信号合并成1路，在磨盘两侧各安装1路传感器，总共三路信号，由下面的式子来确定各路信号对总重的权重，即各个系数。

式中A0、B0、C0是传感器在没有加载标定砝码时的初始输出，Ɛ为误差。Ai、Bi、Ci 为每次标定是各个传感器输出值，yi为每次标定所加的砝码重量。通过多次标定得到多组A 、B 、C．、Y．值，根据最小二乘法拟合求出各个系数k。主要过程如下：

3)令上面三个偏导数为O，联立求解各个系数：k1，、k2，、k3 。在求出上面的系数后，把系数置入仪表，当再次加装货物时，仪表就能根据表达式yj=k，△A+ △B+ △C，(AA、AB、AC为各路信号相对于零点的变化量)自动计算所加载货物的重量。

2 车载动态称重仪表的构成

车载动态称重仪表由主处理器的最小系统， 直变传感器模块，模拟数字转换模块，人机交互模块，UART转RS232接口(为上位机GPS提供接El服务)，停车辨识电路构成。其结构示意图如图2所示。

整个系统的工作过程是：应变传感器将检测到的应力变化转换成电信号，将该信号通过电缆传到模拟数字转换芯片中，在主处理器的控制下，把原先的电信号转换成数字信号。通过上述原理处理后就能得到车上的货物重量。该重量信息显示在数码管上，当主处理器收到上位机GPS发来的索要数据命令后，该重量信息进过处理后发送给GPS，再有GPS传送到最终的监控平台上。

3 系统硬件设计

3．1主处理器的最小系统

STM32F103最小系统由STM32F103单片机，晶振电路，JTAG接口和复位电路组成。该系统的中选用的是STM32F103一VBT6的芯片，内置20KB SRAM 和128KB Flash，而且内部集成了lIC，SPI，CAN，USB等资源，功能十分强大。供电电压2．0—3．6V， 有睡眠，停止， 待机这些低功耗模式可选择。采用32．768kHz和8MHz晶振，分别提供精确时钟和工作时钟，复位采用按键和上电自动复位相结合的方式。S丁M32F103芯片的使用，提高了整个系统的执行效率，增强了系统的稳定性，降低功耗和成本。

3．2 电源模块

卡车上的供电电压24V，而本系统中各个模块需要的电压有5V和3．3V，因此，该系统中首先采用DC／DC转换器，把24V的电压转换成5V，当把这个5V供给芯片时，还需要在电源引脚附近并联1O4电容；在5V的基础上再通过AS1117稳压芯片，把5V转换成3．3V供给主处理器使用，同样要在AS1117的输入和输出引脚上并联上电容，经过这样的处理电源就能满足系统的需要。

3．3 信息采集部分

这部分主要包括电阻应变式传感器，24位模数转换芯片HX710。这里的应变片是专门制作的避免敏感栅应力集中的大焊点、耐疲劳专用应变片。基于惠斯顿电桥的应变电阻内阻350～1000n、工作温度一40~+100~；，本身精度(0．05~0．1)％。

带特种防水胶、胶／金属箔／胶与外壳防护。HX710与同类相比具有抗干扰性强，相应速度快，高达128的输入放大器增益，满足系统需求。该ADC仅仅需要两个GPIO就能实现对ADC的控制，所有控制信号都由管脚驱动，无需对芯片编程，也无需外接任何器件，降低系统的成本并提高了稳定性。

把传感器输出的差分信号接到HX710的INF、INP引脚上，将芯片DOUT和PD_SCK接到单片机的两个GPlO 上就能完成信号采集。为了把外界的干扰降到最小，本部分的传感器的供电，ADC电源以及它的参考电压，还有STM32的供电都保持一致。图3给出传感器与HX710的连接以及HX710与STM32的GPIO连接方式。

3．4 人机交互模块

本系统设计6个按键以及两排总共1O个数码管组成简易人机交互模块。按键示意图如图4所示。共占用6个GPIO，数码管显示部分采用CS5817的专用数码管驱动芯片，该芯片与STM32采用llC协议通信。使用通用IO 口模拟IIC协议与使用STM 的硬件lIC相比要容易很多，后者配置较复杂。

3.5接口转换

GPS的提供的接口是RS232， 因此需要使用STM32的一个USART端口，并通过MAX232进行电平转换即可。

3．6 停车辨识模块

在这里使用一个反射式光电开关，把开关装在手刹旁，在停车时手刹拉起来，光电开关输出高电平；当车开动时，手刹拉下去，光电开关输出低电平。把这个输出信号接到单片机的一个外部中断。

4 系统软件设计

4．1软件的总体设计

本设计在MDK编译环境中编写STM32F103的源程序，经过编译后生产hex文件，用JLink V8将hex文件下载到单片机的片上Flash中。系统软件采用前后台系统，USART的通信放在USART中断中进行，采用一个定时器产生10ms的中断，在这里面处理按键扫描。其余的传感器信号采集、处理、重量计算与显示、菜单设置，均在后台中执行。仪表在上电初始化后，进行系统自检，如果发现有通道没有接入传感器信号或者信号异常，仪表白动报警；自检通过后，首先去读存储在Flash中的设置信息，读到这些信息后进人大循环中采集传感器数据，根据上面的读到信息进行处理、显示。菜单设置也在大循环中执行，长按“设置键”3s，进入密码输入界面，输入正确的密码后，就可以进行菜单设置，在退出菜单时，设置的参数被写到Flash的特定位置。退出菜单后，在大循环中根据刚才设置的参数处理传感器采集的数据。当有中断到来时，程序到中断服务程序执行相应任务。主函数设计如下：

Void main()

{

Syslnit()；／／系统初始化

While(!(SelfTest()))

{

DisplayErr0；／／整机自检没有通过，这里显示出错的地方

}

ReadFromFlash0；／／读取保存在flash中的设置信息

While(1)

{

CalaWeight()；／／计算重量

TraceZer0()：／／零点跟踪

ShowDesk0；／／最终显示界面，显示重量，超载阈值

MenuDesign0；／／菜单设置

l

}

下面主要给出通信协议的设计以及菜单的设计细节。

4.2通信协议设计

该系统只给GPS返回重量信息。信息帧9个字节。主要包含的内容有报文开始字节，符号位，重量数据整数部分和小数部分，校验和，报文结束字节。具体内容如下：

开始字节：0x0e。

符号位：0xl0表示正数，0xld表示负数。

整数部分：两个字节。把正数部分转换成十六进制，把该十六进制数拆分成高四位，低四位，分别把他们转换成ASCIl码，

并用十六进制表示。

小数部分：与整数部分一致。

校验和：两个字节。首先把符号位，整数部分，小数部分三者进行异或运算，将得到的数据拆分成高四位，低四位，在分别转换成十六进制表示的ASCll的形式。

结束字节：0xfe。

举例说明：把24．34这个数据转换成该帧格式为：

OxOe 0xl 0 0x31 0x38 0x32 0x32 0x32 0x41 Oxfe

4．3 菜单设计

菜单内容体现了系统功能的多样性，该系统共有8个一级菜单，其中第五、六两个有二级菜单。当输入密码正确后就可以进入该系统设置相关菜单项。密码初始值12345，进入后可以修改密码。菜单的示意图如图5所示。

各个菜单项的简要说明：

F0菜单：查看ADC的内码值，即传感器输入的模拟值所对应的数字值。在该项就能查看各个传感器转换后的数字值，通过按键来切换ADC。

F1菜单：小数点位数。通过该项可以设置显示数据的小数点位置。

F2菜单：显示分度值。通过该项可以设置数据变化的最小单元。

F3菜单：零点跟踪。通过该项设置零点跟踪的范围。

F4菜单：超载阈值。通过该项可以设置最大装载吨位，超过此值，系统就会报警

F5菜单：各个ADC工作选择。通过该项可以决定让某个ADC工作与否。

F6菜单：系数设置。通过该项可以设置各个ADC转换后的结果在总重中的权重。

F7菜单：回复出厂设置。

5 遇到的问题及解决方案

当卡车卸载货物后，车轴不能完全回复到装载前的状态，所以即便是车上已没有货物了，但是系统还显示有重量，如果不处理再次装载货物，那么显示的重量就会比实际的多，导致测量不准确。针对该问题，我们采用手动清零，即在装货前按下清零键，给系统一个准确的零点。

不同的路况，不同的行驶状况如上坡、下坡、加速、刹车等也会使车轴发生较大的形变，那么传感器读回来的信息就包含了货物之外的因素造成的误差，这将使测量不准确，具体表现在车子行驶过程中数据跳动很大。针对该问题，我们采用锁机制，根据停车辨识电路输出的高低电平信息，来做相应处理。处理的结果如图6所示：

图中①线表示实际的传感器输出的数据，②线表示经过处理后的数据与皮重之和。

有时候会发生ADC损坏的硬件问题，于是我们在设计硬件时都多设计一个ADC模块，当一个出现问题时，可以直接把传感器接到备用模块上继续工作。

 

 

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