0 导言
跟着公路运输业和商业贸易的不断发展，车辆载荷检测技能已成为丈量范畴研讨的要点。现在比较常用的车辆动态载荷检测传感器首要有弯板、压电轴、单传感器、车载电容传感器及光纤传感器。这些载荷检测传感器多适用于固定式设备，对路面状况要求较高，即便一些便携式车辆载荷检测传感器也由于分量过重、体积过大的缺陷无法真实完结便携丈量。一同，一些传感器丈量技能过于杂乱，传感器价格过于贵重。因而，为了减小设备和保护本钱，进步车辆动态载荷检测体系的便携性，本文提出了一种电容式车辆载荷检测体系，该体系中载荷检测传感器选用差动式结构，大大进步了丈量的灵敏度和非线性，电容丈量线路选用差动脉冲宽度调制集成丈量电路，数据的搜集和处理选用自带A／D转化器的STC89LE516AD单片机芯片，数据通讯选用无线通讯形式。这种载荷检测体系结构简略，本钱低价，设备便利，差动式电容载荷传感器抗干扰能力强、动态呼应好、丈量规模宽、灵敏度高、安稳功能好。
1 差动式电容车辆载荷检测体系
差动式电容车辆载荷检测体系如图1所示。
车辆载荷检测设备为便携式，运用时铺设在路面上。手持设备为丈量体系操控单元，经过无线通讯方法对检测设备宣布指令和接纳数据。载荷检测传感器选用差动式电容载荷传感器，传感器将载荷的改变转变为电容值的改变。电容丈量电路选用共同的差动脉冲宽度调制集成电路，将来自于差动式电容载荷传感器的极端弱小的电容信号搜集出来，并转化成易于检测的电压信号。数据处理模块选用内部自带8路8位A／D转化器的电压输入型STC89LE516AD单片机芯片。数据处理模块对信号进行A／D转化、数据搜集、数据处理，之后，将处理后的载荷成果输出。为了削减线路铺设的费事，添加作业人员的安全性，检测体系的数据通讯选用无线通讯设备。
2 差动式电容载荷传感器结构及作业原理
差动式电容载荷传感器结构示意图如图2所示。它首要由丈量头、外壳、灵敏元件(弹性体)、定极柱、动极柱、电极、等位环、引出线等构成。其特色为：丈量规模宽；灵敏度高，便于拾取信号；极板间不触摸、不变形、不磨损，机械丢失小、寿命长；电容传感器受温度影响小；动态功能好；结构简略、习惯各种恶劣环境和场合。
传感器的丈量头和壳体为空隙合作，两者之间可相对滑动，并有定位螺钉定位丈量头的初始方位，定位螺钉一同也起到丈量头滑动时的定向效果，还可使施力物体坚持相对安稳。丈量头由灵敏元件(弹性体)支撑，它受外力效果后把该力传给灵敏元件。灵敏元件(弹性体)坐落丈量头和壳体之间，起感触外力并按必定联络转化为机械位移量的效果。动、定极柱为中空圆柱型，其外表镀有电极。动极柱与丈量头粘接为一体，随丈量头一同滑动。定极柱与壳体粘接为一体，相对固定不动。在动、定极柱电极的两头均设有等位环，以减小电容边缘效应，进步丈量精度。
当差动式电容载荷传感器受外力F效果时，丈量头把该力传给灵敏元件，灵敏元件是弹性系数为k的弹性体，在该力效果下发生弹性变形，其变形量d与效果的外力成正比。灵敏元件的变形使得丈量头以及动极柱上的电极移动相同的间隔d。此刻，差动电容载荷传感器的电容值将发生相应的改变，其改变量为△c，丈量头移动的间隔d与传感器输出电容的改变量△c成正比。由此可知，被测物体所受外力F与差动式电容载荷传感器的输出电容改变量△c成正比，即：(式中，k为灵敏元件的弹性系数；L为动极柱与定极柱初始掩盖部分长度；c0为单个电容电极间的初始电容)。只要由丈量电路检测出电容的改变量△c，就可知物体所受的外力F。
3 电容丈量电路
差动式电容载荷传感器是将被测载荷的改变转化为电容量的改变输出，而电容传感器所发生的电容量很细小，电容极板引线与地之间发生的杂散电容往往大于被测电容。因而小电容转化丈量技能一向被人们所注重。但是，一般的检测电路结构比较杂乱，精确度较低，不能满意丈量要求。为了进步丈量的灵敏度，针对差动式电容载荷传感器，在根据四相检测技能的电荷转移式电容检测电路的基础上，规划选用了差动脉冲宽度调制集成丈量电路，该电路具有集成度高、完结了电容传感器头有源化、输出脉冲方波、省去高频鼓励信号源、功耗低、抗干扰能力强、分辨率高级特色，特别合适差动式电容传感器的丈量。其内部结构框图如图3所示，图中的虚线框内为差动式电容传感器的两个可变电容C1和C2。
作业原理如下：设直流电源接通时，Q端为高电平，端为低电平，则信号操控单元使充放电网络1向电容C1充电，C1上电压渐升，一旦到达电路操控电平值，信号处理单元使Q端当即变为低电平，而端为高电平；此刻，电容C1上的电压经充放电网络1敏捷放电至零，一同信号操控单元使充放电网络2向电容C2充电，C2上电压渐升，一旦到达电路操控电平值，信号处理单元再次使Q端为高电平，端为低电平；所以又开端下一周期的C1充电C2放电，……，如此循环往复，在差动脉冲宽度调制集成电路的输出端各发生一串其宽度受C1和C2电容改变量操控的矩形方波。当C1=C2时，Q和端电压波形反相对称，从Q端与端取出的两个平均值电压之差将等于零。当被检测的载荷使电容C1>C2时，两输出端的电压平均值之差为：(其间V1为充电网络输入的电压值)，可获得较好的线性度。
4 数据搜集与处理
数据的搜集与处理单元选用自带A／D转化器的STC89LE516AD单片机芯片，完结数据搜集、模数转化、数据处理以及驱动显现单元。当时钟在40 MHz以下时，每17个机器周期可完结一次A／D转化。STC89LE516AD单片机与差动脉冲宽度调制%&&&&&%结合起来，完结电容传感器的检测。其主程序和A／D转化程序流程图如图4，图5所示。
5 数据通讯
数据的传输选用无线通讯模块。运用nRF401无线收发芯片和操控单片机89C52完结差动式电容车辆载荷检测体系中的无线通讯，具有硬件电路简略、本钱低价、编程简洁、通讯牢靠性高级长处。无线通讯技能在车辆载荷检测体系中的运用，使执法人员能够便利地经过手持仪器对公路车辆进行不断车载荷检测，大大进步了作业效率。
无线通讯设备包含载荷检测设备和手持设备两部分。载荷检测设备接纳手持设备的指令，向手持设备运送载荷成果，必要时向手持设备运送车辆类型、车牌号数据，进行差错校对；手持设备中超声波信号发射和数据接纳设备向载荷检测设备宣布指令，接纳来自载荷检测设备的数据；单片机体系接纳数据后送给显现设备，并能够与PC机树立数据联络；PC机构成局域网后，能够完结信息搜集、显现、查询、检索以及数据剖析计算、处理、存储等多项作业。
从图1中能够看出，载荷检测设备对车辆的载荷进行检测和处理，从单片机依照操控指令接纳车辆的载荷检测设备的数据，与主机进行数据通讯。图6为从单片机构成的显现及收发操控体系的硬件组成框图，首要包含搜集与数据处理模块、看门狗、复位电路、电源监控电路、实时时钟电路、无线收发模块、操控单片机、信息输出单元等部分。操控单片机选用Atmel公司的89C52。
图1中的手持仪器为主机，主机的硬件结构框图如图7所示，由操控单片机、显现电路、看门狗、复位电路、电源监控电路、实时时钟电路、按键、无线收发模块，以及串行通讯电路组成。
当路途管理人员按动手持仪器的操控按键，要求读取数据，主机接到指令后，向从机发送指令，经过无线收发模块接纳从机载荷数据，然后在手持仪器的显现屏幕上显现载荷信息和车辆有关信息，而且能够根据需要经过串口通讯上传至路途管理部门的计算机。与从机比较，主机多了一个用来与计算机通讯的串行口。此串口选用RS 232规范，可用MAX232芯片完结。
6 定论
根据差动式%&&&&&%传感器的车辆载荷检测体系，具有机械结构简略、功能牢靠、丈量电路简略、抗干扰性好、体积小、性价比高级特色。实践的实验测验成果表明，该车辆载荷检测体系对车辆进行动态载荷检测，车辆总载荷的丈量差错在10％以内，其精度优于ASTME131-02给出的I类WIM(Weigh-in-Motion)体系精度(相信95％时总重差错±10％)，可用于交通数据搜集，特别合适公路稽查人员进行便携式丈量，具有杰出的运用远景。
