一種重型貨車坡道運行安全監控系統的製作方法
2023-10-26 17:41:02 2
一種重型貨車坡道運行安全監控系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種重型貨車坡道運行安全監控系統，包括信號採集模塊、信號處理模塊、數據通訊模塊、單片機和人機互動智能儀表；信號採集模塊將採集到的信號轉換成單片機可以識別的標準電壓信號或TTL脈衝信號通過信號處理模塊和數據通訊模塊與單片機相連，單片機將處理過的信號通過CAN通訊模塊傳遞給人機互動智能儀表，人機互動智能儀表將監控數據和報警信號顯示給駕駛員。能夠有效的對行駛過程中安全性參數進行實時監控和報警，可實現重型貨車運行過程的智能化、可視化，滿足行駛安全性和穩定性要求，有效的提高了重型貨車坡道運行安全性。
【專利說明】
一種重型貨車坡道運行安全監控系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及車輛安全領域，具體涉及一種重型貨車坡道運行安全監控系統，該系統適用於多種重型貨車，具有很好的通用性。
【背景技術】
[0002]隨著我國交通運輸業的快速發展，公路貨運周轉量迅猛增長，據調查，2011年我國公路貨物周轉量達到19801.51億噸公裡。公路貨物運輸對我國交通運輸業做出巨大貢獻的同時，也帶來了交通安全問題。據統計，截止2013年我國貨車保有量達到1900多萬輛，佔機動車保有量的7.8%，然而貨車肇事導致的死亡人數高達到128621人，佔交通事故死亡總數的28%。因此解決貨車交通安全問題是降低交通肇事死亡數量的主要途徑之一。
[0003]在貨車交通事故中，山區公路交通事故造成的群死群傷的重特大惡性事故尤為嚴重。山區公路交通事故的統計結果表明，64.31%的貨車交通事故是由於汽車主制動器失效或部分失效造成的。我國山區公路為解決重型貨車連續下坡安全性問題，通常採用的解決方法是淋水法和修建避險車道法。淋水法存在著地面結冰、制動鼓龜裂、制動蹄磨損嚴重等缺陷；避險車道的修建受地理環境影響較大，且製造和維護成本高。因此設計一種用於解決重型貨車坡道運行時制動器失效的安全監控系統，對降低貨車交通事故率有重要的實際意義。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於，提供一種用於重型貨車坡道運行安全監控系統，能夠有效的對車輛行駛過程中安全性參數進行實時監控和報警，可實現重型貨車運行過程的智能化、可視化，滿足車輛運行安全性和穩定性要求，有效的提高了重型貨車坡道運行安全性。
[0005]為了實現上述任務，本發明採取如下技術解決方案:
[0006]一種重型貨車坡道運行安全監控系統，其特徵在於，包括信號採集模塊、信號處理模塊、數據通訊模塊、單片機和人機互動智能儀表；其中:
[0007]所述的信號採集模塊由溫度傳感器、壓力傳感器、角度傳感器、位移傳感器、踏板力傳感器、加速度傳感器、速度傳感器組成；
[0008]所述的信號處理模塊是溫度信號調理電路、模擬信號調理電路和TTL信號調理電路，其中，溫度信號調理電路與溫度傳感器相連接，模擬信號調理電路與壓力傳感器、角度傳感器、位移傳感器、踏板力傳感器、加速度傳感器相連接，TTL信號調理電路與速度傳感器相連；
[0009]所述的數據通訊模塊是與溫度信號調理電路相連接的CPU和無線傳輸模塊；
[0010]信號採集模塊將採集到的信號轉換成單片機可以識別的標準電壓信號或TTL脈衝信號通過信號處理模塊和數據通訊模塊與單片機相連，單片機將處理過的信號通過CAN通訊模塊傳遞給人機互動智能儀表，人機互動智能儀表將監控數據和報警信號顯示給駕駛員。
[0011]本發明的重型貨車坡道運行安全監控系統，由信號採集模塊、信號處理模塊、數據通訊模塊和人機互動智能儀表等部分組成，對行駛過程中安全性參數進行實時監控和報警，提高了重型貨車坡道運行安全性。具有以下優點:
[0012](I)較好穩定性和準確性。通過相關實驗結果表明，該系統的誤差低於1.5%，有較好的穩定性與準確性。
[0013](2)操作方便，設計了駕駛員專用的人機互動智能儀表，能夠及時報警，提醒駕駛人採取必要的應急措施，提高重型貨車坡道行駛的安全性。
[0014](3)可靠性高，具有較好的電磁兼容性，同時能夠承受震動、噪音、高溫、潮溼、衝擊。
[0015](4)成本低廉，所採用的各種器件和材料均為常見類型，在普通的市場上均可買到，製作成本低，批量生產後，成本將會更低。
[0016](5)通用性好，該重型貨車坡道運行安全監控系統可適用於多種重型貨車。
[0017](6)集成度高，運用了大量晶片，具有很高的集成性。
[0018](7)便於推廣與應用，該重型貨車坡道運行安全監控系統可以在不改變重型貨車原有結構的前提下進行安裝，有利於大規模推廣應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是重型貨車坡道運行安全監控系統的硬體設計方框圖；
[0020]圖2是MAX6675與Freescale S12單片機管腳連接圖；
[0021]圖3是模擬量信號調理電路原理圖；
[0022]圖4是車速信號調理電路原理圖；
[0023]圖5是溫度測量無線傳輸模塊原理圖；
[0024]圖6是CAN通訊模塊電路原理圖；
[0025]圖7是人機互動監控系統主界面；
[0026]圖8是制動器溫度報警顯示界面；
[0027]圖9是動態監控界面；
[0028]圖10是溫度信號採集發射模塊軟體流程圖；
[0029]圖11是溫度信號接收處理模塊軟體流程圖。
[0030]以下結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
【具體實施方式】
[0031]參見圖1，本實施例給出一種重型貨車坡道運行安全監控系統，包括硬體設計和軟體設計兩個部分組成。
[0032]硬體設計部分包括:信號採集模塊、信號處理模塊、數據通訊模塊、單片機和人機互動智能儀表；其中:
[0033]信號採集模塊由溫度傳感器、壓力傳感器、角度傳感器、位移傳感器、踏板力傳感器、加速度傳感器、速度傳感器組成；
[0034]信號處理模塊是溫度信號調理電路、模擬信號調理電路和TTL信號調理電路，其中，溫度信號調理電路與溫度傳感器相連接，模擬信號調理電路與壓力傳感器、角度傳感器、位移傳感器、踏板力傳感器、加速度傳感器相連接，TTL信號調理電路與速度傳感器相連；
[0035]數據通訊模塊是與溫度信號調理電路相連接的CPU和無線傳輸模塊；
[0036]信號採集模塊將採集到的信號轉換成單片機可以識別的標準電壓信號或TTL脈衝信號通過信號處理模塊和數據通訊模塊與單片機相連，單片機將處理過的信號通過CAN通訊模塊傳遞給人機互動智能儀表，人機互動智能儀表將監控數據和報警信號顯示給駕駛員。
[0037]本實施例中，單片機選用Freescale MC9S12DG128B單片機。
[0038]溫度信號調理電路選用K型熱電偶作為溫度傳感器，精度為±0.75%，量程為(TC -800°c，模擬0-3.3V的輸出信號；並選用MAX6675K型熱電偶轉換晶片實現溫度補償、信號非線性修正、信號放大、去除噪聲和A/D轉換。
[0039]壓力傳感器選用HPD503壓力變送器，其精度為±0.1%，量程為l_150KPa，模擬0-5V的輸出信號。
[0040]角度傳感器選用SCA61T傾角傳感器，其精度為±0.1%，量程為-15°?+15°，模擬0-4V的輸出信號。
[0041]位移傳感器選用ZLDS100雷射位移傳感器，其精度為±0.01%，量程為0_200臟，模擬0-2.5V的輸出信號。
[0042]踏板力傳感器選用XFL212R微型力傳感器，其精度為±0.5%，量程為0-50N，模擬0-0.1V的輸出信號。
[0043]加速度傳感器選用MMA7361LC加速度傳感器，其精度為±0.5%，量程為-6g_6g，模擬0-3V的輸出信號。
[0044]車速信號調理電路選用DGlll磁電式轉速傳感器，其精度為1%，量程為0_6000r/min，輸出0-0.4V的正弦信號。
[0045]模擬信號調理電路採用由電阻R66、R67、R68構成調零電路，由第一級運算放大器及阻容網絡構成的低通濾波器和由第二級運算放大器構成的反向放大器。
[0046]數據通訊模是與溫度信號調理電路相連接的CPU和無線傳輸模塊；其中無線傳輸模塊由NewMSg_RF2401無線發射模塊和D/A轉換晶片AD5320構成的無線接收模塊組成；
[0047]CAN總線通信模塊主要由CAN控制器和CAN收發器兩大部分組成，採用的MC9S12DG128B單片機內置有CAN通訊控制器，支持CAN2.0Α/Β協議，CAN收發器採用Philips公司生產的PCA82C250晶片。
[0048]由於信號採集模塊採集到的傳感器信號的性質和幅值各不相同，因此為了將這些信號轉換成標準的0-5V電壓信號或TTL脈衝信號，設計了信號處理模塊。信號處理模塊將標準信號傳輸到單片機，單片機經過處理和運算後通過數據通訊模塊將數據傳輸給智能儀表，智能儀表將監控數據顯示給駕駛員；同時，當出現危險情況時，智能儀表可提醒駕駛人採取必要的安全措施，以防止交通事故的發生。
[0049]參見圖2，溫度信號調理電路中MAX6675與Freescale S12單片機管腳連接，T-接K型熱電偶負極，使用時和GND相連接；T+接K型熱電偶正極；S0接串口輸出端；CS為片選信號端，低電平有效；SCK為時鐘輸入端；VCC接+5V電源；GND接地；NC懸空。
[0050]參見圖3，模擬信號調理電路中電阻R66、R67、R68構成調零電路，第一級運算放大器及阻容網絡構成了低通濾波器；第二級運算放大器為反向放大器。通過調節滑動變阻器R66的阻值可以調節信號調理電路的零點，通過調節滑動變阻器R65的阻值可以調節信號調理電路的放大倍數。通過調節R66和R65的阻值以實現輸出電壓為0-5V。
[0051]參見圖4，車速傳感器信號調理電路中，車速傳感器輸出的正弦信號，首先經過二極體D81和D82進行削峰，然後採用LM319比較器和74LS14施密特觸發器將信號轉換成TTL脈衝信號，輸入MC9S12DG128B單片機，經計算處理後得到車速值。
[0052]參見圖5，無線傳輸模塊中將經過MAX6675補償修正的K型熱電偶採集到的制動鼓溫度模擬量信號轉換成數字量信號發送給Freescale S12單片機，Freescale S12單片機通過SPI通信將採集到的數據傳輸至NewMSg_RF2401無線發射模塊，NewMsg_RF2401無線發射模塊在ShockBurstTM收發模式下將數據以IMbps高速率發射；中央處理模塊(CPU)通過NewMSg_RF2401無線接收模塊接收發射模塊發射的數據，接收模塊通過D/A轉換晶片AD5320將數字量轉換成模擬量傳輸至Freescale S12單片機ATD模塊，經處理計算後獲得制動鼓溫度，實現對制動鼓溫度的實時監控。
[0053]本實施例中，選用的NewMSg_RF2401模塊有四種工作模式:配置模式、收發模式、空閒模式和關機模式，工作模式的選擇由PWR_UP、CE和CS三個引腳決定。NewMsg_RF2401工作模式如表I所示。發送數據時，單片機將數據按照時序寫入NeWMSg_RF2401模塊緩存區，將CE置為高電平，此時無線發送模塊工作在收發模式下，延時一段時間後發射數據；在應答模式下，NewMSg_RF2401模塊在發射數據後進入接收模式，接收應答信號。如果收到應答，則認為此次通信成功，TX_DS置高，同時TX_PLD從發送堆棧中清除；若未收到應答，發送失敗，並記錄下發送失敗的次數，自動重新發射數據。
[0054]在接收數據時，首先對NewMsg_RF2401進行配置，使接收端地址和發射端地址一致，然後將CE置為高電平，此時無線接收模塊工作在等待接收模式下，當接收到包含正確地址的數據包後，將數據傳輸給上位機同時給發射模塊發送應答信號。
[0055]表lNewMsg_RF2401 工作模式表
[0056]
工作模式 |PWR—UP [CE [CS
配置模式-- I
收發模式-- ?
空閒模式-- ?
關機模式OXX
[0057]參見圖6，CAN通訊模塊電路中，Freescale S12單片機接收採集到的溫度、壓力、坡度、車速、踏板位移、踏板力、環境溫溼度等信號，經處理後通過CAN總線傳輸給智能儀表，實現對重型貨車制動安全性指標的實時監控、顯示和報警功能。CAN總線通信模塊主要由CAN控制器和CAN收發器兩大部分組成。當發送數據時，CAN收發器把CAN控制器的邏輯電平轉換成抗幹擾能力強的差分電平，然後向CAN總線發送數據；接收數據時，CAN收發器接收到CAN總線的信號後，轉換成邏輯電平，傳輸給CAN控制器，實現數據接收過程。所選用的MC9S12DG128B單片機內置有CAN通訊控制器，支持CAN2.0A/B協議。CAN收發器採用Philips公司生產的PCA82C250晶片。為了避免CAN通訊系統的電壓波動影響單片機的正常工作，採用光電隔離電源DCP5S3-100對單片機電源和CAN通訊系統電源進行隔離；為了增強CAN總線節點的抗幹擾能力，使用高速光耦6N137實現總線上各節點之間的電氣隔離，同時使用B0505-W25型DC/DC模塊實現光耦兩端的電源隔離。
[0058]本實施例設計開發了基於MCGS嵌入式組態軟體的監控系統界面，選用北京崑崙通泰嵌入式一體化工控機TCP7062K作為顯示裝置，同時利用該裝置的四線電阻式觸控螢幕技術實現了人機互動功能，從而使監控數據和報警信號能夠方便快捷地傳遞給駕駛員。
[0059]人機互動智能儀表採用基於MCGS嵌入式組態軟體對監控系統的界面進行設計開發，包括主界面、動態監控、實時數據、制動力和制動器溫度界面以及歷史曲線界面，實現了對制動器溫度、制動主缸壓力、制動輪缸壓力、制動管路壓力、制動減速度、坡度、車速、制動踏板位移、制動踏板力、環境溫度等信息的實時監測和歷史數據查詢功能，同時在制動器溫度過高或制動主缸、輪缸及制動管路壓力過低時及時報警，提醒駕駛人採取必要的應急措施，保證重型貨車下坡行車安全。
[0060]參見圖7，人機互動智能儀表的主界面用於顯示車速、制動踏板開度、制動強度、制動減速度、制動距離、環境溫度以及安全報警信息。當報警燈閃爍、蜂鳴器響時，駕駛員可通過觸摸相應按鈕進入報警狀態顯示界面，獲得詳細的報警信息。該界面是重型貨車運行安全監控系統中使用頻率最高、顯示內容最豐富的界面，。
[0061 ] 參見圖8，制動器溫度報警顯示界面用於顯示一軸、二軸、三軸、四軸左右制動器的溫度，並在其溫度超過上限時報警。
[0062]參見圖9，動態監控界面用於顯示制動主缸、制動輪缸以及制動管路的壓力值，駕駛員可以通過觸摸相應按鈕進入制動力大小與制動器溫度的歷史曲線界面，實現歷史數據存儲功能。
[0063]軟體設計具體內容如下:
[0064]主要對溫度信號採集發射模塊軟體和接收處理模塊軟體進行設計。軟體系統按照監控系統工作狀態控制系統的運行過程，採用模塊化設計保證軟體的可靠性、高效運行性和可維護性。
[0065]參見圖10，圖10是溫度信號採集發射模塊軟體設計流程圖。溫度信號採集發射模塊主要實現FreescaleS12、MAX6675和NewMsg_RF2401的初始化、溫度信號採集及校準、溫度數字量信號發送等功能。溫度信號採集模塊運行時，當CS由I變為O時，在時鐘SCK的作用下向FreesCaleS12單片機輸出溫度數字量信號；當CS由O變為I時，在時鐘SCK的作用下MAX6675進行溫度信號轉換。溫度信號發送模塊運行時，FreesCaleS12單片機將MAX6675輸出的12位二進位溫度數字量信號按照時序通過SPI串行口寫入緩存區，然後將CE置1，延時後發射溫度數字量信號。
[0066]參見圖11，圖11是溫度信號接收處理模塊軟體設計流程圖。溫度信號接收處理模塊主要實現FreesCaleS12、NewMsg_RF2401和AD5320的初始化、溫度信號接收、溫度數字量信號轉換、處理及顯示功能。溫度信號接收處理模塊運行時，FreesCaleS12單片機將NewMsg_RF2401置為接收模式，FreescaleS12單片機接收到數據包後，對數據包進行地址校驗，根據不同的地址判斷溫度數據來自於哪個制動鼓溫度傳感器，實現多對一的溫度傳感器接收方式，地址校驗後進行CRC數據校驗，以實現傳輸數據的準確性，然後將溫度數字量信號發送至AD5320數模轉換晶片，將數字量信號轉換為模擬量信號，然後將模擬量信號發送至FreescaleS12單片機,經計算處理後通過CAN發送至MCGS智能儀表,智能儀表實現實時顯示和報警功能。
【權利要求】
1.一種重型貨車坡道運行安全監控系統，其特徵在於，包括信號採集模塊、信號處理模塊、數據通訊模塊、單片機和人機互動智能儀表；其中: 所述的信號採集模塊由溫度傳感器、壓力傳感器、角度傳感器、位移傳感器、踏板力傳感器、加速度傳感器、速度傳感器組成； 所述的信號處理模塊是溫度信號調理電路、模擬信號調理電路和TTL信號調理電路，其中，溫度信號調理電路與溫度傳感器相連接，模擬信號調理電路與壓力傳感器、角度傳感器、位移傳感器、踏板力傳感器、加速度傳感器相連接，TTL信號調理電路與速度傳感器相連； 所述的數據通訊模塊是與溫度信號調理電路相連接的CPU和無線傳輸模塊； 信號採集模塊將採集到的信號轉換成單片機可以識別的標準電壓信號或TTL脈衝信號通過信號處理模塊和數據通訊模塊與單片機相連，單片機將處理過的信號通過CAN通訊模塊傳遞給人機互動智能儀表，人機互動智能儀表將監控數據和報警信號顯示給駕駛員。
2.如權利要求1所述的重型貨車坡道運行安全監控系統，其特徵在於，所述的單片機的型號選用Freescale MC9S12DG128單片機。
3.如權利要求1所述的重型貨車坡道運行安全監控系統，其特徵在於，所述的溫度傳感器選用K型熱電偶溫度傳感器，壓力傳感器選用HPD503壓力變送器，角度傳感器選用SCA61T傾角傳感器，位移傳感器選用ZLDS100雷射位移傳感器，踏板力傳感器選用XFL212R微型力傳感器，加速度傳感器選用MMA7361LC加速度傳感器，速度傳感器選用DGl 11磁電式轉速傳感器。
4.如權利要求1所述的重型貨車坡道運行安全監控系統，其特徵在於，所述的人機互動智能儀表採用基於MCGS嵌入式組態軟體對監控系統的界面進行設計開發，包括主界面、動態監控、實時數據、制動力和制動器溫度界面以及歷史曲線界面。
【文檔編號】B60R16/023GK104210445SQ201410178656
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年4月29日 優先權日:2014年4月29日
【發明者】趙軒, 許世維, 餘強, 賀依琳 申請人:長安大學