车辆超载检测系统研究

ID:343458 · 发表于 2018-6-2 14:11

1 绪论

目前，为有效治理机动车严重违章超载、超限运输现象，预防道路交通事故，维护良好的道路交通秩序，许多交通管理部门专门成立了“治超”机构，“治超”人员日夜上路查堵，往往造成交通堵塞，查一漏百，而人工判断又缺乏准确性，查堵中的不正之风时有发生。鉴于这种情况，在超载车必经的道路下埋上检测仪器，通过电脑自动识别是否超载就显得尤为重要。

本设计是车辆超载与检测系统研究，这项研究可以判断机动车是否超载而求在车辆超载时能够提供报警和显示车辆超载的重量。本设计采用AT89C51单片机作为研究系统处理的核心，利用桥式称重传感器WPL110将车辆载重量等量转换成电压信号；然后通过放大电路将电压信号调理后送到A/D转换芯片TLC0838转换成数字信号并计算出载重量；所得的载重量将通过RS485接口电路送到上位机，上位机与设定的载重量作比较并判断是否超载，若超载显示超载的重量并报警。

1.1选题背景　

随着我国经济和交通事业的发展全国公路总里程不断增长路网条件不断改善公路运输获得了快速发展公路货运量己成为各种运输方式货运量之首货物周转量也逐年增加然而长期以来公路货运却出现了一种非法超限运输的怪现象即超高超宽超长超重运输据不完全统计超限运输的比率占货运车辆的50%以上超载量平均为4-6.25 倍车辆超载大大缩短了交通基础设施的使用寿命给国家造成巨大的经济损失同时因超载超限运输引发的交通事故也日益增多威胁着人民的生命安全严重影响了公路的正常运行。针对超载车辆，主要有以下几个不良影响：

（1）加速公路路面损坏和大大缩短了公路使用年限。在理论上，公路的使用寿命的设计年限是根据《公路工程技术标准》的规定来计算设计的，在我国公路路面的荷载为单轴双轮荷载10吨来设计的，司机若按这个荷载承载货物运输，是不会对公路路面造成大的损害的，而且，不会增加公路管理局对公路路面的维护量。但若车辆作用于路面的实际荷载超过路面的设计荷载时，那么，公路的使用寿命将大大缩短。车辆超载会增加车辆对路面的损害，按照国际上通用的计算方法，汽车轴载质量对公路路面的破坏关系服从“十六次方法则”，即汽车轴载质量每增加一倍，公路受损将增加16倍,全国公路每年因车辆超载造成的损失超过300亿元。

（2）严重的环境污染。车辆超载必然使发动机超负荷运转，从而排出的浓烟和噪声是正常情况下的几倍，对自然和社会环境的危害是显而易见的。

（3）严重影响公路交通安全。近年来我国发生的车辆连环相撞特大交通事故，许多均与车辆的超载有关。例如，京沪高速公路江苏沂淮段在一年时间内因车辆超限所造成的交通事故共46起，死亡61人，伤123人。广东京珠高速公路粤境北段开通半年就已经死伤80多人，经交通部门的专家分析，与车辆严重超载超限有直接关系。车辆严重超载时，使车辆的行驶稳定性、刹车性能、轮胎承荷能力、转向可靠度等行驶状况大大降低，一旦，出现问题行驶的车辆将无法驾驭，极易引发交通安全事故。

（4）降低公路的使用效率和影响交通。严重超载车辆车速无法高速行驶，且由于车体大，影响后车通行，常常造成公路的交通阻塞，使公路的使用效率大大降低。由于超载车辆行驶速度难以提高，形成移动瓶颈，影响邻车司机的视野，造成车辆行驶缓慢，漫漫车龙前后绵延数十公里。例如，2003年9月110国道与八达岭高速公路上大量的超载车辆导致八达岭高速公路遭遇到历史上最严重堵车，连续7天道路不畅，上千辆载重货车蜗行。

（5）扰乱国家养路费和路桥收费政策，使国家税费大量流失，导致不公平竞争。目前，我国公路的养护费、管理费、通行费都是按车管部门核定的吨位来收的，超载就必然导致这部分费用的流失。正常营运的货车，保守地按每车平均超载15吨来计算，每年流失的养路费高达4万元，从全国证常营运的货车数量不难算出国家每年因车辆超载而流失的税费将是一个庞大的数目。养路费和路桥费是道路使用者或受益者对利用道路所支付的一种补偿，所以，超载的运输公司或承运者钻了国家公路收费的政策的空子，而对于遵纪守法的人来说，无疑是不公平的。

（6）严重扰乱运输市场秩序。随着社会的发展和市场经济的成熟发展，人民对物质的需求日益增多和提高，同时也加大了运输市场运力的需求，所以，运输公司或承运者为节省成本和提高效益，于是采用超载运输来获取高额的利润和行业的竞争优势，同时，看到利益的同行也都相继模仿，竟相超载运输，严重扰乱了运输市场的秩序，加剧超载运输现象。例如，2007年，由于国际油价的飙长，国内成品油价格也相继提高，某些未进行超限超载试定的省份或地区，运输公司或承运者恶意违反道路交通规定，使车辆严重超限超载上路运输。

（7）对桥梁的安全构成重大威胁。如果车辆经常严重超载通过桥梁，即使设计标准较高的水泥混凝土桥梁也会产生桥梁挠度增大，水泥混凝土过早开裂，逐步引起钢筋锈蚀，而在桥梁的薄弱环节，则会出现伸缩缝接口出现钢材焊口开焊、桥头填土下沉，甚至还可能由于我国公路超重运输现象也十分普遍和严重，车主通过改装车身、后桥和轮胎来大幅度提高货车的装载能力。超重对路面的破坏非常严重，给路上行人及车辆带来非常大的安全隐患。要遏制超限运输，最大可能的减少超限运输造成的危害，需要做很多方面的工作，实现对公路汽车的动态称重，无疑是其中很重要的一环。超限超载工作治理需要大量的检测设备，然而，目前在全国装有检测设备的高等级公路匝道或收费站却不多，车辆是否超载主要由交警和路政凭经验判断，这样由于缺乏科学性，给管理部门的严格执法带来了很大困难。

在高速公路上交警若怀疑某车超载则让其停车，到指定的检测点进行静态称重，以确定其超载及超载量。其缺点是：

1)依靠目测和经验来判断，误差很大，极易造成对超载车的漏检；

2)若对过往每辆车都检查，则很容易引起交通阻塞；

3)停车称重，检测效率非常低，需要时间长。

传统的称重方法是采用基于电量学的汽车衡(地秤)，然而这种传统的电量学汽车衡在耐久性指标上难以满足实际工程需要，因为它具有成本高、精度低、功能简单、稳定性重复性差、灵敏度低和零点漂移大以及维修复杂等缺陷，这样就给计量工作带来了的误差，从而使国家税费流失。因此，当前的汽车称重传感检测技术还不能充分满足工业和实际工程的需要，急需研制出响应快、抗干扰能力强、准确度高的新型称重传感器，这对交通部门有效地实施超限管理，保证行车安全、延长公路的使用寿命、降低公路养护的成本、减少环境污染等方面有着显著的社会效益和经济效益。若能实现对汽车的动态称重，则可以很好的解决这些问题。动态称重是测量行驶中汽车重量的一种技术，利用动态称重技术，增加对超载汽车的监控，配合处罚可以迫使车辆不敢超载，保护道路的同时还降低了交通事故的发生。动态称重系统一般安装在高速公路收费站前，当汽车驶过的时候，重量被记录下来，显示给高速公路的路政管理人员。动态称重系统，提供了一种实时连续，对所有汽车无偏差测量的新技术。虽然各种动态称重的原理不同，但是目前大部分动态称重传感器的缺点有精度低、寿命短、易受电磁十扰等。

本设计就是基于这种需求，设计一基于单片机的机车超载检测系统，对过往机动车辆进行称重，判断是否超载，若超载显示超载重量并进行报警。要判断汽车是否超载首先要知道车辆所装载的货物质量，随着传感器技术和微处理器技术的发展，利用电子技术也可以测量出物体的质量进而实现对汽车超载的监控，而且精度可以做的很高。利用电子技术判断汽车是否超载的基本的原理是：利用传感器将汽车的载重量转化为电压信号，然后通过放大电路将这个微弱的电压信号按比例放大后送A/D转换芯片转换为数字信号，通过接口电路将这个数字信号传送给计算机进行处理，计算出汽车的载重量并判断是否超载，如果超载了要显示超载的重量并报警。

1.2国内外汽车动态称重系统研究现状

公路的快速发展对国民经济的促进作用已为多年来持续发展的经济所证明。但是在汽车运输中，由于受经济利益的驱动。载货汽车超载现象普遍存在。超载行驶造成公路严重损坏，引发许多恶性交通事故。超载，是指汽车装载的货物超过汽车本身的额定载重量。国外许多国家的道路运输也普遍存在超限超载现象。为了避免超限超载车辆引发的一系列危害，欧共体成员国和美国、加拿大等国在上世纪50年代就开始对汽车动态称重系统(weigh—in—motion．简称WIM)进行研究并取得了相应的成果。1974年，美国首次在车辆载荷研究中使用WIM系统。1992年，由欧洲高速公路系统研究实验室联盟(FEHRI)发起。按照欧盟运输委员会(ECTD)的程序框架制定了COST323计划．该计划主要内容就是研究对公路行驶车辆进行动态载

荷监控的相关问题，其中最重要的一项测试是在瑞士进行为期30个月的WIM系统实际应用测试。

遍存在的问题是：设备质量重，安装困难，工作效率低，影响交通通行，甚至诱发交通事故，危及稽查人员的人身安全。特别是随着高速不停车收费系统的发展。现有的静态称重系统和动态称重系统很难满足要求。

1990 年在美国举行的“国际交通数据采集技术会议”上西德PAT的平板式传感器性能较理想同时展示数种低成本的动态称重系统它们主要基于压电缆压电膜和电容传感技术在安装理想的情况下能使统计平均误差控制在15%左右

1994 年在中国举行的“国际交通自动化技术会议”上德国展示了采用平板式传感器的SAW100 动态称重系统及其在自动收费站的应用在90 年代中期以后安放在桥板上面的WIM 系统在美国联邦高速公路协会的同意下成为可能在美国在公路长期管理计划LTPP 下已经搜集了大量的数据.

1997 年美国联邦公路管理局出版“WIM 实践手册”用于爱荷华州州立大学运输研究和教学使用

2002 年ASTM1318高速公路WIM 系统标准说明书第2 版发行.国内对超载车辆动态监测系统的研究正方兴未艾现有的动态车辆系统主要是在静态称重基础上改进形成的动态汽车衡要求汽车通过速度低且需要开挖道路安装不方便目前的产品包括青岛公平衡器总公司的ZCS 型公路车辆超限检测系统和SCS 系列便携式轴重秤北京高登衡器的ZCS 固定式公路运输车辆超限检测系统广东天日科技有限公司的TCD104 车辆超限检测仪等其缺点主要是要求通过的速度低从而导致交通的不畅通高速系统仍处于实验研究阶段因此，有必要运用法律、行政、经济等手段对车辆超载的违法进行治理。尤其是运用技术手段对车辆超载行为进行“主动”治理。但是，截止目前为止。纯技术手段的研究仍较少见。本文将从技术层面出发，从“源头”对车辆超载的行为进行限制，最大限度扼制超载违法行为，净化公路通行环境，提升公路安全通行效率和运输车辆合法转载率，减少道路交通事故。

目前，在我国广泛使用着的车辆动态称重系统，动态称重装置的秤体仍然是采用秤体平台跨接在传感器上，使称重物的重量经过秤体结构再传递到传感器上的简支梁型的桥式结构。其有着价格优势大、组装灵活和易于维护等特点。并且，国内与其配套的精度较高的车辆动态称重显示控制器仪表，在16km/h以内的匀速过秤测试中，单轴载重测量的平均误差从±2% ~ ±6%不等[13]，但在16km/h以上更快速度下，会产生非真实的车重值甚至会由于检测速度不够快而导致丢轴重的情况发生。所以，在过去几十年的动态称重技术研究中，在如何保持检测精度的稳定性和减少车辆通过速度对检测的影响，一直是致力解决的问题。

1.3国内外汽车动态称重系统发展动向

尽管对车辆动态称重系统的研究己经有了很大进展，但在研究过程中还存在许多问题需要解决：

（1）研究称重本体。车辆是称重本体，是称重系统的对象，车辆在秤台上运动时，秤台的受力情况的与车辆的运动情况有着密切的联系，对它们的研究分析和对其之间的关系进行深入的研究有利于帮助提高系统的测量精度。

（2）注重模型和实践检验。由上面所了解到的许多关于车辆动态称重技术的研究方法，这些技术大多数仍停留在理论研究的层次，真正应用于实践的并不多，而没有能在真正的系统运行环境以及以实践中检验。

（3）应用高性能微控制器。电子衡器仪表与微控制器的结合，是衡器发展的历史飞跃。这是由于采用微控制器后，对动态称重信号的实时分析成为可能，如机械阻抗分析、数字滤波、傅立叶分析等，这样使电子衡器仪表的数据处理能力有很大的提高，使车辆动态称重技术的国内发展展望。

A) 车辆动态称重系统将融入ITS(Intellingent Transport Systems)，成为其组成部分，因此作为固定式的WIM系统或装置，设计时要考虑这一背景，在数据处理、信号传输、上下位机的关系、硬件配备等方面，均要考虑，以便于其“嵌入”ITS。

B) 称重传感器的寿命将制约车辆动态称重系统的广泛使用，这是国内业界应当认真面对的问题。国内较为普遍地运用压电陶瓷式、电阻应变片式等形式称重传感器，国外则较多地运用了压电薄膜、液压管、共聚物压电轴等形式的称重传感器，大大提高了使用寿命，对于便携式WIM系统还能方便现场使用。

C) 目前国际上还没有规范且权威的车辆动态称重技术标准，仅有一个得到西方国家承认的国际参考标准ASTM E1318—94。这给我国研究和应用车辆动态称重技术带来了机遇和挑战。机遇是在没有国际权威规范标准的情形下，我国有了领先设立国际标准的机会。挑战在于如何在国内深入研究和应用车辆动态称重技术，至少先要建立相应的国家标准，并付诸实施。

D)低速WIM系统的造价和维护费用都要低于高速WIM系统。以我国目前的道路运输水平，对应WIM系统的允许通过车速并不需要太高。用于计重收费的场合，固定式WIM系统一般安装在收费口或匝道口，在与ITS系统相配的情形下，车速一般不会高于40km/h。用于执法临检的场合，便携式WIM系统一般安装于辅道或路侧，车速一般不会高于5km/h。

1.5主要设计（研究）内容

本设计涉及一基于单片机设计的机车超载检测系统，在高速公路收费口的路面上装有固定连着传感器的钢板，当汽车经过时，车辆的重量就会被称重传感器测量出来，送到变送器处理后，再传送到计算机，经过分析判断，就会对超载车辆发出警报。

设计实现的主要功能：

（1）该系统有32个传感器，每个收费路口用4个传感器组成一个称，可同时检测8个收费口；

（2）计算机通过发送命令字控制相应的变送器进行校正、故障诊断、数据采集等工作；

（3）一台计算机控制32个变送器工作，采用多点通讯形式；

（4）具备掉电参数保护功能，上电后参数恢复功能（部分数据清零）；

（5）能够遵循RS-485通讯网络协议，生成标准MODBUS通信数据包。

1.5系统主要技术指标

本系统所实现的主要技术指标如下:

（1）参数测量误差范围为不大于±1%；

（2）监控数量：32台；