一种基于限重检测的智能路障装置

骆永标　王小奇　何杜兴　李　昊　黄裴颜　施　佳　刘依涵

(绍兴文理学院　机电学院，浙江　绍兴　312000)



一种基于限重检测的智能路障装置

骆永标王小奇何杜兴李昊黄裴颜施佳刘依涵

(绍兴文理学院机电学院，浙江绍兴312000)

摘要：从真正影响道路使用寿命的原因—道路所受承重出发并提出一套基于限重检测的智能路障装置.该智能路障装置，通过检测单元、控制单元和挡板的配合，自动完成车辆重量的数字检测、阻拦和放行，整个过程无需人工干预，具有检测精确、操作方便、检测效率高、使用寿命长、功能齐全等特点.

关键词：限重检测；数字检测；智能路障

随着人们生活水平的不断提高，虽然交通体系不断完善，但是多数货物的搬运还是要依靠汽车.车辆超载对安全行车和运输造成了极大的危害，严重危及国家和人民的生命财产安全，诱发了大量的道路交通事故.据统计，70%的道路交通事故是由于车辆超载引发的，50%的群死群伤重大道路交通事故与超载有重要关系；有鉴于此，本文专门提出一种基于车辆限重检测的智能路障装置，本设计致力于研究车辆测重装置，从根本上解决影响道路使用寿命的承重问题.本设计针对公路本身对过往车辆的重量要求，在某些有限重路段的公路上设置自动测重装置系统，使满足限重要求的车辆能通过，而使超重的车辆被阻挡在该限重路段之外，从而达到延长公路使用寿命和减少道路事故发生的目的.达到根据车辆自身的重量来对车辆是否通行进行判断，并采取一定的机构或装置对车辆能否通过进行动作，从而真正实现智能化操作以及具备简易的指挥道路疏通功能.

1设计方案

为保证道路的正常使用和不影响道路的使用寿命，目前有关研究及采取有效的措施尚停留于限高或者限宽两种基本方式.上述方式存在很多弊端.此后公开了一种基于车辆自重的限重智能路障装置，该装置是纯机械结构，其主要存在以下不足：测重装置采用压缩弹簧使其产生形变，再通过限位开关来判断其通电情况，安装到位后，不能根据道路的实际情况再对限重车辆的重量值进行修改；整个机构采用单电机提供动力源，再有一套连杆机构使两个挡板同时升起或下降，对连杆机构的尺寸要求比较严格，很难做到同时升降.由于精度要求高，故在机构运行过程中存在磨损等现象，势必会影响整个机构的可靠性和使用寿命.

鉴于此，本设计在上述装置的设计思想上，进行深入研究，提出一种基于车辆限重检测的智能路障装置.该智能路障装置，通过检测单元、控制单元和挡板的配合，自动完成车辆重量的检测、阻拦和放行，整个过程无需人工干预，检测精确，操作方便，检测效率高，使用寿命长，功能齐全.

2技术分析

1.1机械控制原理

当车辆行驶到压板上时，由于汽车的自重会使压板往下移动，由于压板与垫块通过固定螺钉联接，自然地使得垫块也往下移动，使压力传感器悬空的一端产生变形，在压力传感器中部容易变形的地方贴有感应片，感应片能将变形量转化成电信号，通过信号线输送给控制盒.控制盒通过设定的程序作出判断，当车辆重量超过设定值(即压板产生较大的变形时)，控制盒发出指令让两个与左右挡板连接的电机分别转动，使得左右挡板分别转动90°角，竖立在道路中央，从而车辆无法通过.而当车辆退出压板或去重后，压力传感器上的感应片处于微小变形状态，此时控制盒会给电机发出指令，使两电机反转，使得左右挡板恢复到初始位置(与地面齐平状态).当车辆的自重在该路障设定的容许范围之内时，车辆行驶到压板上时，虽压板也有少许变形，但感应片输送到控制盒的信号值未能超过触发电机转动的初始值，电机不工作，即左右挡板不转动，车辆能顺利通过.该装置通过对汽车重量的判断来对汽车实现是否让其通过，真正实现自动控制更加适合现成复杂工况的目的.

同时在该装置中供电机构选用可充电的太阳能电池，在阳光充足的时候，自动将太阳能转换成电能储存起来，当其充满电后自动切换保持电池的收支平衡.反之在太阳不足的地方，可以直接通过电源供电.

1.2控制系统流程图

在设计中单片机控制系统实时对AD转换后的数字信号检测判断，并与设定值做出比较，最后根据比较结果控制电机驱动模块.具体的程序流程如图1.

图1　程序流程图

1.3控制系统框图

压板的下边安装有压力检测装置对压板的受重进行实时检测捕获，将检测捕获到的信号通过A/D转换，最后将有效的数字信号输入单片机，单片机对该数字信号进行检测判断，当判断到压板受重至超限重时，单片机迅速驱动电机带动档杆处于突出路面位置，当压板去重时，又迅速驱动电机反转带动档杆处于路面下位置.根据设计的需要分别采用应变式力传感器、24位A/D转换器芯片HX711、STC12C5A60S2单片机、步进电机精确控制档杆的旋转角度.具体的控制系统框图如图2所示.

图2　硬件框图

3设计创新理念

1.4精确自动控制的主要原因

该装置精确自动控制主要原因有：

(1)电阻应变式称重传感器.是基于应变效应，在压力作用下，黏贴于弹性体表面的应变片，跟弹性体一起产生形变，应变片产生相应的形变后，转换成阻值的变化，惠斯登电桥电路将阻值的变化转化成电信号输出，从而间接测量出重力.

电阻的计算公式为：R=ρ·L/S

ρ、L、S分别为应变片的电阻率、长度和横截面积.

当有外力作用时，应变片产生形变，设长度变化ΔL，横截面积变化ΔS，电阻率变化Δρ，对上式进行全微分，则ΔR=Δρ·L/S+ΔL·ρ/S-ΔS·L/S2.

除此以外，惠斯登电桥四个臂上的应变片，都参与机械变形，在同处一个温度场，温度影响相互抵消,电压输出灵敏度高.当4个应变片的材料、阻值都相同时，可推导出以下公式：

ΔU=EK(ε1-ε2+ε3-ε4)/4=EKε1

K为灵敏度，ε为材料的应变

(2)精确的AD转换.传感器满量程输出电压=电源电压(5v)×灵敏度(1.0mv/v)=5mv.HX711模块在VAVDD和AGND产生电压，由VAVDD=VBG(R1+R2)/R2，VBG为模块基准电压1.25V，R1=20K,R2=8.2K因此得到VAVDD=4.3V.同时HX711模块A通道带有128倍信号增益，可将5mv的电压放大128倍，然后采样输出24bit AD转换值，单片机通过指定时序将该信号读出.

假设车重为akg，传感器的量程为0～nkg则传感器输出值为：a×4.3/n=4.3a/n (mv)，经过HX711模块A通道128倍增益后为：550.4a/n (mv)，转换为24bit 数字信号y为：(550.4a/n)×224/1000=2147483.648a/n (V)，故a≈ y n/2147 (v).

1.5简单稳定的系统结构

基于车辆限重检测的智能路障装置，包括底板，设置在底板中间部位的横梁，所述横梁将底板分为检测区和通行区，其中位于检测区的底板上并排设有数个检测单元，所述检测单元包括固定安装在底板上的传感器固定座，压力传感器一端安装在传感器固定座上，另一端悬空设置，压力传感器的悬空端上表面设有垫块，压板通过固定螺钉安装在各个检测单元的垫块上方，压力传感器的检测头上设有感应片，用于检测悬空端因为垫块压力作用产生的形变，进而检测到车辆的重量；通行区的底板上设有2个电机，电机的主轴上各安装有一挡板，挡板的另一侧均通过转轴与横梁相连，通过电机主轴的转动带动挡板随着横梁上的转轴转动；电机通过电机支座固定安装在底板上，盖板固定安装在电机上方.

智能路障装置进一步包括一控制单元，控制单元包括单片机，以及与单片机相连的A/D转换器、电机驱动模块，压力传感器通过A/D转换器与单片机相连，电机通过电机驱动模块与单片机相连.该设计装置具有制作简单，成本较低，使用寿命较长的优点.系统的整体结构模型如图3所示.

图3　系统结构

横梁结构说明：在横梁上设有水平挡条，当挡板水平放置时挡板2先转至水平位置，挡板2的下端面与水平挡条接触，挡板1下端面同挡板2的上端面接触，当车辆通过时车辆的重量将承受到水平挡条上，而非电机的输出轴上.当电机将两挡板转动90°角后，两挡板的另一端又恰好竖直，挡条的两外侧面接触挡块，不能再多转一定角度.具体结构如图4所示.

图4　横梁结构

4结论

本技术方案中的重量判断部件简单、稳定且准确；采用不同电信号电路的形式进行是否超限重结果的信号传递，虽结构简单但性能稳定，传递便利，计量准确，使用寿命长；直接以车辆重量为依据，从根本上解决了影响道路使用寿命的承重问题.

除此之外，本装置利用了可充电的太阳能电池，即保证电源供应又节能环保，真正实现无人智能化操作以及具备简易的指挥道路疏通功能，并避免了采用纯机械装置时容易引发的问题.进而保护该路段受到超重车辆影响，达到延长公路使用寿命和防止道路事故发生的目的.

参考文献:

[1]李全利,仲伟峰,徐军.单片机原理及应用[M].北京:清华大学出版社，2006.

[2]童诗白，华城英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]康华光.电子技术基础模拟部分[M].第5版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]郑文纬,吴克坚.机械原理[M].第7版.北京：高等教育出版社，1997.

[5]李宪芝.机械设计基础[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2014.

(责任编辑鲁越青)

AnIntelligent Barricades Device Based on Vehicle Weight Detection Device

Luo YongbiaoWang XiaoqiHe DuxingLi HaoHuang PeiyanShi JiaLiu Yihan

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000)

Abstract：The paper proposes an intelligent barricades weight detection device based on the design for the service life of the road from the effects of the real road load bearing. The intelligent barricades device, composed of a detecting unit, a control unit and a baffle, automatically does the digital detection of the vehicle weight either to stop the vehicle or to release it without human intervention in the whole process. The device is accurate in measurement, convenient in operation, efficient in detection, with a long service life and complete functions, etc.

Key words：weight detection; digital detection; intelligent barricade

收稿日期：2016-03-02

作者简介：骆永标(1978-)，男，浙江绍兴人，讲师，硕士，主要研究方向：机械设计及机电一体化.

doi：10.16169/j.issn.1008-293x.k.2016.07.11

中图分类号：TP27

文献标志码：A

文章编号：1008-293X(2016)07-0054-04