高速公路计重收费系统中轮轴识别器改进设计与实现

摘要：高速公路管理局采用计重收费系统，实行以车辆轴型结合重量的方式收取车辆过路费用。为了提高工作效率，针对目前车辆轮轴识别率比较低并且在使用中容易被烧坏的问题，本文采用对该新的硬件系统中的原有电源模块和其它硬件电路进行改进的方法来解决上述问题。现场实测数据表明：改进后的轮轴识别器不仅识别率大大提高，已达到99％以上，而且使用寿命延长，应用稳定。
关键词：轮轴识别；计重收费；电源；运算放大器

    自计重收费系统实行以来，高速公路管理局不仅对车辆轴型识别率要求很高，而且要求设备使用期较长，以此保证车辆正常通过收费站。而原轮轴识别器，需要经常维护，不仅成本高，而且电路板经常被烧坏，识别率比较低，影响收费站工作效率。针对电路板经常被烧坏的问题，笔者从电源硬件电路着手进行改进设计，如：加上了压敏电阻和热敏电阻。针对识别率低的问题，对硬件电路进行改进设计，如：添加了模拟放大电路模块。

1 电源电路的改进
    在现场使用中，电路板经常出现烧坏，尤其是在打雷、闪电之后，分析其原因，对电源电路进行改进。
    其原电路图如图1所示，而改进后的电路图如图2所示。

    由两个电路图比较可以发现，改进后的电源在插座的一端接入了一个压敏电阻而不是直接接入大地，在另一端和电容C1也并上了一个压敏电阻之后串联了一个正的热敏电阻。压敏电阻是一种在一定电流电压范围内其电阻值随电压而变的电阻，而当它两端的电压超过它的阈值时，流过它的电流激增，相当于阈门打开，从而可以抑制电路中经常出现的异常高压，保护电路免遭过高电压的损害。正的热敏电阻在工作中，其温度与其他元件的温度相近，串联在电路中不会阻碍电流通过，但当电路突然出现过电流时，热敏电阻由于发热功率增加导致其温度上升，当温度超过开关温度时，电阻瞬间会剧增，导致电路中的电流会迅速减少到安全值，从而起到保护电路免受突然增加的电流而损坏。
由以上可知，电路经常被烧坏，基本上都是由电路电源提供的电压突然增大或电流突然增大造成的，尤其是打雷闪电。本设计就是从源头上避免这种电压电流增大造成的损坏。

2 轮轴识别器硬件电路改进
    在现场使用中，轮轴识别器识别出的轴数经常出现丢轴少轴的现象，识别率比较低，在车多时经常出现卡死等现象，影响工作效率，分析其整个电路工作过程，对其硬件电路进行改进。[!--empirenews.page--]
2．1 原轮轴识别器介绍
    原来的轮轴识别器总的结构比较简单，如图3所示，其电路主要有模拟开关和微处理器组成，传感器检测到的信号经过模拟开关送往微处理器对其进行处理，数据处理完成后将其送入上位机或仪表，供上位机或仪表使用。

2．2 改进后的轮轴识别器
    改进后的轮轴识别器总的结构如图4所示，其电路主要有模拟放大模块、微处理器模块、AD转换器模块、电子模拟开关和输出指示。与原来电路相比主要增加了模拟放大模块、AD转换器模块和输出指示。

    放大器的作用就是将输入的微小电压按一定的倍数放大，这样在电路中不易被电阻等其它元器件消耗掉。改进后的轮轴识别器放大模块中有两个放大器一个是OP07运算放大器，一个是AD620仪表放大器。OP07是一种高精度运算放大器，具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂及长期稳定等特点。AD620是一款高精度仪表放大器，具有低失调电压和低失调漂移特性，是电子称和传感器接口等精密数据采集系统的首选。
    电子模拟开关选用高性能的比如切换速度必须足够快，以此满足车辆在快速通过传感器时产生的信号能够完整的通过它。
    A／D转换器通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电流、电压等电信号，也可以是湿度、位移、声音等非电信号。在A／D转换前，输入到A／D转换器的信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。它的选择也必须满足现场测量的要求，尤其在转换速度和转换精度上。它是整个电路的关键部分，其性能的优劣将直接影响到整个电路板的整体性能。
    输出指示主要是LED灯显示。
    通常情况下，传感器的输出信号是比较小的只有零点几毫伏，非常微弱。经放大模块里的AD620仪表放大器和OP07运算放大器放大几倍后，再经电子模拟开关送其入AD转换器，此时的AD转换器与电子模拟开关直接相连。CPU是整个电路板的核心处理器，它不仅担任着数据信号的处理，而且还协调AD转换器和电子模拟开关的工作。输出指示电路是主要是为了现场观察和调试方便。
    通过两个电路的比较可知，原轮轴识别器没有放大器模块，传感器采集到的信号很可能被电阻消耗等而消失，而且其处理数据方式比较简单。
    实测证明：改进后的轮轴识别器处理速度加快，识别率大大提高，很少出现卡死现象。
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3 轮轴识别器的软件实现
    该系统软件采用C语言编程，C语言是美国贝尔研究所推出的，C语言已经成功移植到大、中、小及微型机上。它既可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以编写不依赖计算机硬件的应用程序。它的应用范围非常广泛，且具备很强的数据处理能力，具体应用比如嵌入式、单片机等。主要程序代码如下：
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4 结束语
    现场实测证明：对轮轴识别器的进行改进设计后，总体来说，本文的设计增加了防雷、闪电等功能，而且提高了处理数据速度和能力。应用于高速公路计重收费系统后，电路板很少出现烧坏卡死的现象，而且识别率大大提高，应用稳定。