用于物流运输过程监测的振动测量系统

摘要：为了实现对物流运输过程，特别是对易碎物品或危险物品的运输过程中振动的监测，提出了一种以ATmega16L单片机为微控制器的振动测量系统，设计了系统的结构、硬件和软件流程。在物流运输中，该系统每隔一定时间通过微控制器控制振动传感器MMA7260采集运输振动信息。用实现的系统进行了振动测量实验，表明该系统运行良好，可应用于物流运输车辆的振动监测。
关键词：MMA7260；振动测量；物流运输；过程监测

0 引言
    现代物流业已经成为促进经济发展的主要动力之一，是促进经济发展的主体行业。物流是物品从供应地向接收地的实体流动过程，根据实际需要，将运输、储存、装卸、搬运、包装、流通加工、配送、信息处理等基本功能实施有机结合。运输是现代物流业中十分重要的一个环节之一，通过运输，向生产者源源不断地运送生产材料，保证生产的顺利进行，同时又把商品不断地运送到消费市场，满足消费者的需求。
    由于生产需求的多元化，运输的物品具有多样性，对运输的要求呈现多样化。普通物品的运输，对运输过程没有特殊要求。而易碎物品或危险品的运输，需要对其运输过程中的振动参数进行监测，以保证运输物品的完整性或安全性。
    本文提出并实现了一种用于物流运输过程监测的振动测量系统，用振动传感器采集运输车辆的振动信息。系统采集到的振动信息，可以存储起来用于对物流运输过程的分析。同时，振动系统还可以和报警系统连接，当振动数据超出安全区间时进行报警提示。

1 测量系统及硬件设计
1．1 测量系统设计
    本文提出的振动测量系统结构如图1所示，以ATmega16L单片机和加速度传感器MMA7260为核心，配以外围电路组成。如需在振动超标时报警，系统可以和相应的报警系统连接。

1．2 MMA7260加速度传感模块
    系统采用MMA7260加速度传感器测量振动参数。MMA7260由美国飞思卡尔公司生产，是一种低成本、低功耗、开启快速，功能完善抗震能力强的三轴加速度传感器，共有四档测量范围供选择，分别是1．5g，2g，4g，6g，其中1．5g的精确度最高，达到了800 mv／g；MMA7260具有休眠模式，在休眠模式时的电流为3μA。
    MMA7260加速度传感器输出模拟电压信号来表征运动物体的加速度，输出的模拟电压信号与加速度成正比，模拟信号经由A／D转换后由微控制器进行计算处理。图2给出了MMA7260的引脚的示意图，其中Xout，Yout，Zout分别是X，Y，Z模拟电压输出引脚，G1，G2是量程选择引脚，VCC是传感器工作电源引脚，VSS是传感器接地引脚。

    在使用MMA7260加速度传感器时，需要根据实际要求，通过对引脚4和引脚5赋予不同的数值以选择合适的量程，具体的选择方式和所对应的量程范围及灵敏度见表1。

1．3 控制器与加速度数据采集
    本测量系统采用ATMEL公司的单片机ATmega16L作为主控制器。ATmega16L是高性能低功耗8位单片机，内部具有16 kB可编程Flash，0．5 kB的E2PROM，1 kB片内SRAM，内部集成了一个逐次比较式ADC电路，具有10位精度，13～260μs的转换时间，8路可选的单端输入通道。
    ATmega16与MMA7260的连接如图3所示，用单片机PA口中的PA0，PA1，PA2分别作为MMA7260振动传感器X，Y，Z三个轴模拟电压的输入端。接收到的模拟电压信号由单片机内部自带的A／D转换器转换成数字信号，然后对数据进行处理。单片机的PC3引脚和PC4引脚用作振动传感器量程选择的控制端。MMA7260的G1和G2分别连接单片机的PC3引脚和PC4，通过控制PC3引脚和PC4引脚的输出电平选择所需量程，本系统中采用1．5g的量程，因此PC3引脚和PC4引脚均输出低电平。MMA7260的Sleep Mode引脚连接到单片机中的PC1引脚，让此引脚输出高电平，允许传感器进入睡眠模式，睡眠模式下具有节能效果。

2 测量系统软件设计
    测量系统软件主要包括硬件初始化和数据处理。初始化包括单片机的ADMUX寄存器初始化，单片机I／O口初始化。数据处理包括振动信息采集及A／D转换后的数据处理。系统软件采用C语言编程设计，软件流程图如图4所示。系统上电之后，首先进行初始化，然后系统开始进行数据采集和处理。主控制器采用中断方式进行工作，每隔一定时间从MMA7260振动传感器中读取振动信息，单片机对模拟数据进行A／D转换，并对其进行处理，然后进入低功耗休眠状态。

    在对振动传感器的三个轴的电压信息进行采集时，把A／D转换器的工作方式设置成了自由转换方式，采用轮询方式分别对X，Y和Z轴的电压信息进行采集，然后进入休眠状态。通过定时计数器设定一个时间，定时时间到从休眠状态唤醒，继续采集X，Y，Z三轴的电压信息。

3 系统实现及实验
    本文实现的振动测量系统如图5所示，MMA7260振动传感器实现振动信息采集，单片机对数据进行A／D转换和处理。需要指出的是，在实现的样例系统中加入了RS 232串口，以将测量数据输到PC机，方便系统调试。

    为了验证本文设计的系统，在实验室环境下进行了运输振动模拟测试。实验时，把振动传感器MMA7260固定在玩具小车上面，晃动小车以产生振动，同时采集振动传感器输出的数据。部分实验数据如图6所示，可以看出，当小车受到振动时，传感器能明显地检测到振动的信息。

4 结语
    本文研究并设计了一种用于物流运输过程监测的振动测量系统，以对怕磕碰、易碎物品或危险品等的运输过程进行监测。介绍了系统的构成、硬件设计和软件流程，并给出了实现的系统，以此进行了振动测量实验，结果表明，系统运行良好，能够准确地记录振动参数，可以广泛地应用在物流运输监测系统中，作为车辆运输过程振动监测的一种有效手段。