车载式货车超载控制系统的设计

彭鹏峰，赵晓敏

（广东工贸职业技术学院 汽车工程学院，广东 广州 510510）

前言

货车超载危害极大，不仅损害公路和车辆自身，而且容易引发交通事故。在货车肇事的道路交通事故中，有60%以上是由超载运输引起的。目前，我国对于超载检测主要是基于安装在道路上的称重设备，因公路路网广无法做到全覆盖，且很多司机故意绕开检测站，治理效果不理想。

近年来，有部分学者将目光转向汽车车载称重领域，并将车载称重技术和超载治理相结合。陈广华等[1]开发的车辆超载监测系统，在车辆超载时将超载信息以短消息形式发送给相关超载监管部门；曹阳[2]开发的系统是在货车超载时向驾驶室发出警告声信息，警告无效，则与GPRS建立连接，锁定目标监测，并将信息发给交管中心。上述研究只是对车辆的超载进行监测和预警，货车超载后仍可继续运行。为阻止超载车辆上路，史建慧等[3]开发的货车超载自锁系统可在车辆超载时，切断启动电路；谢建新等[4]开发的汽车全自动超载检测装置在车辆超载时车载ECU将会对汽车的起动系统做出干涉，禁止汽车起动。上述研究针对货车超载后采取的控制措施是切断启动电路，但是车辆启动时间很短，超载控制系统的响应若不够迅速，就会造成控制失效。

本文设计一种车载式货车超载控制系统，系统能实时监测车辆负载情况，当车辆超载时切断发动机点火电路，使车辆自动熄火，从而使超载车辆无法上路，以期从根源上杜绝超载现象的发生。

1 系统总体设计

系统由称重模块、超载监测模块、显示模块、报警模块和超载控制模块组成，系统结构框图如图1所示。称重模块根据传感器的信号计算货车载重量；显示模块对货车载重量进行实时显示；控制模块在系统监测到超载时切断车辆点火电路，使车辆无法运行。报警模块由语音输入模块和喇叭构成，语音模块中存放提前录制好的语音报警信息。当系统监测到超载时触发报警模块，在喇叭中播放语音信息。

图1 系统总体结构框图

系统由位移传感器、STM32单片机、OLED液晶显示屏、1W喇叭、JQ8900-16P语音模块芯片、继电器等元件组成。系统由货车上的蓄电池给供电，受点火开关的控制，只有当车辆启动后系统才开始工作，当车速超过20 km/h时，系统停止工作。

2 单元模块设计

2.1 超载监测模块

超载监测模块主要包括微处理器、电源电路、工作模式接口电路、复位电路等组成。微处理器采用STM32F103C8T6芯片，该芯片是是一款基于ARM Cortex-M内核32位的微控制器，特点是低成本、低功耗、实时性强，内部集成12位A/D模数转换器，可将传感器输出的模拟信号直接转换为数字信号[5]。芯片工作温度为−40 °C～85 °C，满足在货车上使用的环境温度要求。

2.1.1 电源电路

由于汽车电源电压是12 V，而STM32F103C8T6单片机的工作电压为3.3 V，需要进行降压处理。而系统中还有一些元件，如继电器、液晶显示屏的工作电压是5 V，因此需要提供两种电压。首先将12 V电压降为5 V，然后再将5 V电压变压为3.3 V，电路图所图2和图3所示。

图2 12 V到5 V的转换电路

图3 5 V到3.3 V的转换电路

2.1.2 工作模式接口电路

芯片工作模式接口电路如图4所示。当引脚1和2连通时为下载模式，引脚2和3连通时为工作模式。

图4 工作模式接口电路

2.2 称重模块

称重模块由4个光电式位移传感器组成，传感器安装在车桥上钢板弹簧U型螺栓旁5 cm的位置，每根车桥上安装2个。传感器的分辨率为0.1 mm，量程为50～500 mm，工作电压为12 V，输出信号为0～5 V。传感器的实物图和接线图如图5所示。

图5 传感器的实物图和接线图

2.2.1 称重原理

钢板弹簧变形量与货车载重量之间存在映射关系，在不同载重量下其钢板弹簧变形量不同。本文基于人工神经网络搭建货车载重量预测模型，根据前、后轴上钢板弹簧变形量间接获得货车载重量。

通过位移传感器测量车桥和车架间的距离，则钢板弹簧在某一载重量下的变形量x可由下式计算得到。

式中，x1、x2分别为空载和加载状态下传感器测到的数值。

本研究所用的测试车辆为两轴交通计量车，核定载荷为6 T。用重量为1 T的标准计量砝码对其进行加载试验，从空载起以1 T的步长加载至10 T，获取不同载荷下各组钢板弹簧的变形量。变换砝码的位置再次测量，共进行了10轮测试，得到100组数据。根据采集到的弹簧变形量及货车载重量数据，基于BP神经网络搭建货车载重量预测模型，网络拓扑结构如图6所示。输入为4个神经元，分别为4个钢板弹簧的变形量，输出为1个神经元，即货车的载重量，隐层神经元为8个。

图6 货车载重量预测模型网络拓扑结构

将样本数据的90%作为训练样本集，用于对模型进行训练，其余的作为测试样本集。BP神经网络模型的训练原理为：

记输入x=（x1，x2，x3，x4）T，隐藏层的输出为y=（y1，y2，…，y8）T，网络输出为z，目标输出为zs。从输入层到隐藏层的传递函数为sigmoid函数，记为f()，从隐藏层到输出层的传递函数为线性函数，记为g()。于是，可得：

式中，yj表示隐藏层第j个神经元的输出，wij为第i个输入神经元与第j个隐藏层神经元的连接权值，θj为隐藏层第j个神经元的激活阈值。

式中，wj为第j个隐藏层神经元与输出层神经元的连接权值，θ为输出层神经元的激活阈值。

网络输出与目标输出的误差为：

在网络误差未满足预期的精度时，网络沿着反向传播，对网络中各隐层的各个神经元的权值进行调整，根据调整后的权值，重新计算网络输出误差[6]。通过不断的调整权值和迭代运算，直到误差精度达到要求为止。

设置网络误差目标值为0.000 1，经过多次训练，取结果最好的一次。模型训练好之后，网络中各层间神经元的连接权值和神经元激活阈值就确定下来，根据这些数据就可建立钢板弹簧变形量与货车载重量之间的关系表达式。经测试，本研究所搭建的货车载重量预测模型对10组测试样本的预测值与其实际值的相对误差均在5%以内，满足工程使用要求。

2.2.2 电路设计

因传感器输出的最大电压超过芯片所允许的电压，将传感器输出信号通过一个分压电路处理后再给芯片PA口，传感器及分压电路见图7所示。

图7 传感器及分压电路

2.3 超载控制模块

2.3.1 超载控制策略

图8为测试车辆点火系统电路图。根据图可知，点火模块的点火指令由ECM给出，但其工作电源受IG继电器控制。只有当点火开关打到IG档时，IG继电器才通电，然后才能将电送到点火模块。对点火系统电路进行改动的方案有：一是在ECM和点火器间的连接线上串接由单片机控制的开关；二是在IG继电器和点火控制器之间的连接线路上串接开关。由于第一种方案在每个点火模块与ECM间都要串接一个开关，改动量大，控制较为复杂。因此，本系统采用后一种方案，在1A-4和BA1-8间布设开关。由于这条线路同时也给喷油器供电。这条线路断开，喷油和点火都不能工作。

图8 点火系统电路图

2.3.2 电路设计

超载控制模块电路由三极管、5脚继电器、二极管等元件构成，如图9所示。用芯片控制三极管基极电路，三极管控制继电器电磁线圈的通断电，继电器常闭触点串接在点火电路中。当检测到超载时，通过芯片I/O口给三极管基极一个触发电流，从而控制继电器断开，切断点火电路。

图9 控制模块电路图

3 总结

本文基于STM32单片机设计了一种车载式货车超载控 制系统。在货车前后轴的两端安装位移传感器用于测量各个钢板弹簧变形量，通过对车辆进行加载试验获得大量的钢板弹簧变形量和载重量数据，基于人工神经网络搭建货车载重量预测模型，从而实现根据传感器的信号即可测得货车载重量。系统将载重量信息在液晶显示屏上进行实时显示。当监测到超载时，系统将触发语音报警模块对驾驶员进行超载提示，并切断发动机点火电路，使车辆无法运行。