一种用于物流运输过程监测的振动测量系统
2022-05-27

  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,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5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。

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