车辆超载检测系统研究设计.doc

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1、1 毕业设计论文毕业设计论文 题目 车辆超载检测系统研究 1 题目：车辆超载检测系统研究 摘要摘要：本设计是车辆超载与检测系统研究，这项研究可以判断机动车是否超载而 求在车辆超载时能够提供报警和显示车辆超载的重量。本设计采用 AT89C51 单片 机作为研究系统处理的核心，利用桥式称重传感器 WPL110 将车辆载重量等量转换 成电压信号；然后通过放大电路将电压信号调理后送到 A/D 转换芯片 TLC0838 转 换成数字信号并计算出载重量；所得的载重量将通过 RS485 接口电路送到上位机， 上位机与设定的载重量作比较并判断是否超载，若超载显示超载的重量并报警。 关键词关键词：AT89C51

2、 单片机；传感器 WPL110；检测超载；称重传感器；A/D 转换； 毕业设计毕业设计( (论文论文) )外文摘要外文摘要 2 TitleTitle : : Study on the detection system of vehicle overloading AbstractAbstract: :The design for the motor overload detection system design, requires to determine whether motor overloads and when overloads gives an alarm and displa

3、ys the weight of overloading.This design uses AT89C51 microcontroller as the core system processing, the use of a bridge load weighing sensor WPL110 changed motor weight into voltage signals; then the voltage signal via amplifier circuit and sent to A / D converter chip TLC0838 into digital signals

4、and calculates the load; obtained through the RS485 interface circuit load to the host computer, the host computer and the seting load for comparison and to determine whether the overload, if overload shows the weight and gives an alarm. keywords: AT89C51microcontroller；sensorWPL110；Overloading dete

5、cto；Weighing sensor；A / D converter； 目目 录录 1 绪论 6 1.1 选题背景 .6 1.2 国内外汽车动态称重系统研究现状 10 3 1.3 国内外汽车动态称重系统发展动向 12 1.5 主要设计（研究）内 容 .14 1.5 系统主要技术指标 15 1.6 解决的关键问题 15 2 系统总体结构方案设计 .16 2.1 系统总体结构及其功能 16 2.2 方案设计 16 2.2.1 方案一.16 2.2.2 方案二.17 2.3 方案的论证 17 2.3.1 AVR 系列.17 2.3.2 51 系列18 2.4 方案的确定 19 3 系统的硬件设计

6、.22 3.1 单片机 22 3.2 采集模块 23 3.2.1 惠斯登电桥.23 3.2.2 称重传感器 WPL110 25 3.2.3 Op07 芯片29 3.2.4 TLC0838 芯片.30 3.2.5 小结 33 3.3 键盘模块 34 3.4 显示模块 35 3.5 通讯模块 36 3.5.1 RS-485 的简介37 3.5.2 RS-485 的优点38 3.5.3 MAX485 芯片38 3.6 看门狗模块 40 3.6.1 MAX813L 芯片.40 3.6.2 24C02 芯片.44 3.7 报警模块 46 3.8 电源模块46 4 软件设计 .48 4.1 系统主程序的设

7、计 48 4 4.1.1 设计思想 48 4.1.2 资源分配 48 4.1.3 主程序流程图 48 4.2 参数恢复子程序的设计 49 4.2.1 设计思想 49 4.2.2 资源分配 50 4.2.3 参数恢复子程序流程图 50 4.3 看门狗中断子程序的设计 52 4.3.1 设计思想 52 4.3.2 资源分配 53 4.3.3 看门狗中断子程序流程图 53 4.4 通讯子程序的设计 54 4.4.1 设计思想 54 4.4.2 资源分配 55 4.4.3 通讯子程序流程图 55 4.5 键盘子程序的设计 56 4.5.1 设计思想 56 4.5.2 资源分配 57 4.5.3 键盘子

8、程序流程图 58 4.6 采集子程序的设计 58 4.6.1 设计思想 58 4.6.2 资源分配 59 4.6.3 采集子程序流程图 59 4.7 显示子程序的设计 61 4.7.1 设计思想 61 4.7.2 资源分配 61 4.7.3 显示子程序流程图 61 结论 .63 致谢 .65 参考文献 .66 附录 .67 1 程序清单: .67 (1)主程序： .67 (2)恢复参数子程序： .68 (3)看门狗中断子程序： .70 5 (4)通讯子程序： .71 (5)键盘子程序： .72 (6)采集子程序： .73 (7)显示子程序： .75 2 元器件清单: .77 1 1 绪论绪论

9、目前，为有效治理机动车严重违章超载、超限运输现象，预防道路交通事故，维护良 好的道路交通秩序，许多交通管理部门专门成立了“治超”机构， “治超”人员日夜上 路查堵，往往造成交通堵塞，查一漏百，而人工判断又缺乏准确性，查堵中的不正之 6 风时有发生。鉴于这种情况，在超载车必经的道路下埋上检测仪器，通过电脑自动识 别是否超载就显得尤为重要。 本设计是车辆超载与检测系统研究，这项研究可以判断机动车是否超载而求在车辆超 载时能够提供报警和显示车辆超载的重量。本设计采用 AT89C51 单片机作为研究系统 处理的核心，利用桥式称重传感器 WPL110 将车辆载重量等量转换成电压信号；然后通 过放大电路将

10、电压信号调理后送到 A/D 转换芯片 TLC0838 转换成数字信号并计算出载 重量；所得的载重量将通过 RS485 接口电路送到上位机，上位机与设定的载重量作比 较并判断是否超载，若超载显示超载的重量并报警。 1.11.1 选题背景选题背景 随着我国经济和交通事业的发展 全国公路总里程不断增长路网条件不断改善公路 运输获得了快速发展公路货运量己成为各种运输方式货运量之首货物周转量也逐年增 加然而长期以来公路货运却出现了一种非法超限运输的怪现象即超高超宽超长超重运 输据不完全统计超限运输的比率占货运车辆的 50%以上超载量平均为 4-6.25 倍车辆超 载大大缩短了交通基础设施的使用寿命给国家

11、造成巨大的经济损失同时因超载超限运 输引发的交通事故也日益增多威胁着人民的生命安全严重影响了公路的正常运行。针 对超载车辆，主要有以下几个不良影响： （1）加速公路路面损坏和大大缩短了公路使用年限。在理论上，公路的使用寿命 的设计年限是根据公路工程技术标准的规定来计算设计的，在我国公路路面的荷 载为单轴双轮荷载 10 吨来设计的，司机若按这个荷载承载货物运输，是不会对公路路 面造成大的损害的，而且，不会增加公路管理局对公路路面的维护量。但若车辆作用 于路面的实际荷载超过路面的设计荷载时，那么，公路的使用寿命将大大缩短。车辆 超载会增加车辆对路面的损害，按照国际上通用的计算方法，汽车轴载质量对公

12、路路 面的破坏关系服从“十六次方法则” ，即汽车轴载质量每增加一倍，公路受损将增加 16 倍,全国公路每年因车辆超载造成的损失超过 300 亿元。 （2）严重的环境污染。车辆超载必然使发动机超负荷运转，从而排出的浓烟和噪 7 声是正常情况下的几倍，对自然和社会环境的危害是显而易见的。 （3）严重影响公路交通安全。近年来我国发生的车辆连环相撞特大交通事故，许 多均与车辆的超载有关。例如，京沪高速公路江苏沂淮段在一年时间内因车辆超限所 造成的交通事故共 46 起，死亡 61 人，伤 123 人。广东京珠高速公路粤境北段开通半 年就已经死伤 80 多人，经交通部门的专家分析，与车辆严重超载超限有直接

13、关系。车 辆严重超载时，使车辆的行驶稳定性、刹车性能、轮胎承荷能力、转向可靠度等行驶 状况大大降低，一旦，出现问题行驶的车辆将无法驾驭，极易引发交通安全事故。 （4）降低公路的使用效率和影响交通。严重超载车辆车速无法高速行驶，且由于 车体大，影响后车通行，常常造成公路的交通阻塞，使公路的使用效率大大降低。由 于超载车辆行驶速度难以提高，形成移动瓶颈，影响邻车司机的视野，造成车辆行驶 缓慢，漫漫车龙前后绵延数十公里。例如，2003 年 9 月 110 国道与八达岭高速公路上 大量的超载车辆导致八达岭高速公路遭遇到历史上最严重堵车，连续 7 天道路不畅， 上千辆载重货车蜗行。 （5）扰乱国家养路费

14、和路桥收费政策，使国家税费大量流失，导致不公平竞争。 目前，我国公路的养护费、管理费、通行费都是按车管部门核定的吨位来收的，超载 就必然导致这部分费用的流失。正常营运的货车，保守地按每车平均超载 15 吨来计算， 每年流失的养路费高达 4 万元，从全国证常营运的货车数量不难算出国家每年因车辆 超载而流失的税费将是一个庞大的数目。养路费和路桥费是道路使用者或受益者对利 用道路所支付的一种补偿，所以，超载的运输公司或承运者钻了国家公路收费的政策 的空子，而对于遵纪守法的人来说，无疑是不公平的。 （6）严重扰乱运输市场秩序。随着社会的发展和市场经济的成熟发展，人民对物 质的需求日益增多和提高，同时也

15、加大了运输市场运力的需求，所以，运输公司或承 运者为节省成本和提高效益，于是采用超载运输来获取高额的利润和行业的竞争优势， 8 同时，看到利益的同行也都相继模仿，竟相超载运输，严重扰乱了运输市场的秩序， 加剧超载运输现象。例如，2007 年，由于国际油价的飙长，国内成品油价格也相继提 高，某些未进行超限超载试定的省份或地区，运输公司或承运者恶意违反道路交通规 定，使车辆严重超限超载上路运输。 （7）对桥梁的安全构成重大威胁。如果车辆经常严重超载通过桥梁，即使设计标 准较高的水泥混凝土桥梁也会产生桥梁挠度增大，水泥混凝土过早开裂，逐步引起钢 筋锈蚀，而在桥梁的薄弱环节，则会出现伸缩缝接口出现钢材

16、焊口开焊、桥头填土下 沉，甚至还可能由于我国公路超重运输现象也十分普遍和严重，车主通过改装车身、 后桥和轮胎来大幅度提高货车的装载能力。超重对路面的破坏非常严重，给路上行人 及车辆带来非常大的安全隐患。要遏制超限运输，最大可能的减少超限运输造成的危 害，需要做很多方面的工作，实现对公路汽车的动态称重，无疑是其中很重要的一环。 超限超载工作治理需要大量的检测设备，然而，目前在全国装有检测设备的高等级公 路匝道或收费站却不多，车辆是否超载主要由交警和路政凭经验判断，这样由于缺乏 科学性，给管理部门的严格执法带来了很大困难。 在高速公路上交警若怀疑某车超载则让其停车，到指定的检测点进行静态称重， 以

17、确定其超载及超载量。其缺点是： 1)依靠目测和经验来判断，误差很大，极易造成对超载车的漏检； 2)若对过往每辆车都检查，则很容易引起交通阻塞； 3)停车称重，检测效率非常低，需要时间长。 传统的称重方法是采用基于电量学的汽车衡(地秤)，然而这种传统的电量学汽车 衡在耐久性指标上难以满足实际工程需要，因为它具有成本高、精度低、功能简单、 稳定性重复性差、灵敏度低和零点漂移大以及维修复杂等缺陷，这样就给计量工作带 来了的误差，从而使国家税费流失。因此，当前的汽车称重传感检测技术还不能充分 9 满足工业和实际工程的需要，急需研制出响应快、抗干扰能力强、准确度高的新型称 重传感器，这对交通部门有效地实

18、施超限管理，保证行车安全、延长公路的使用寿命、 降低公路养护的成本、减少环境污染等方面有着显著的社会效益和经济效益。若能实 现对汽车的动态称重，则可以很好的解决这些问题。动态称重是测量行驶中汽车重量 的一种技术，利用动态称重技术，增加对超载汽车的监控，配合处罚可以迫使车辆不 敢超载，保护道路的同时还降低了交通事故的发生。动态称重系统一般安装在高速公 路收费站前，当汽车驶过的时候，重量被记录下来，显示给高速公路的路政管理人员。 动态称重系统，提供了一种实时连续，对所有汽车无偏差测量的新技术。虽然各种动 态称重的原理不同，但是目前大部分动态称重传感器的缺点有精度低、寿命短、易受 电磁十扰等。 本设

19、计就是基于这种需求，设计一基于单片机的机车超载检测系统，对过往机动 车辆进行称重，判断是否超载，若超载显示超载重量并进行报警。要判断汽车是否超 载首先要知道车辆所装载的货物质量，随着传感器技术和微处理器技术的发展，利用 电子技术也可以测量出物体的质量进而实现对汽车超载的监控，而且精度可以做的很 高。利用电子技术判断汽车是否超载的基本的原理是：利用传感器将汽车的载重量转 化为电压信号，然后通过放大电路将这个微弱的电压信号按比例放大后送 A/D 转换芯 片转换为数字信号，通过接口电路将这个数字信号传送给计算机进行处理，计算出汽 车的载重量并判断是否超载，如果超载了要显示超载的重量并报警。 1.21

20、.2 国内外汽车动态称重系统研究现状国内外汽车动态称重系统研究现状 公路的快速发展对国民经济的促进作用已为多年来持续发展的经济所证明。但是 在汽车运输中，由于受经济利益的驱动。载货汽车超载现象普遍存在。超载行驶造成 公路严重损坏，引发许多恶性交通事故。超载，是指汽车装载的货物超过汽车本身的 额定载重量。国外许多国家的道路运输也普遍存在超限超载现象。为了避免超限超载 10 车辆引发的一系列危害，欧共体成员国和美国、加拿大等国在上世纪 50 年代就开始对 汽车动态称重系统(weighinmotion简称 WIM)进行研究并取得了相应的成果。 1974 年，美国首次在车辆载荷研究中使用 WIM 系统

21、。1992 年，由欧洲高速公路系统研 究实验室联盟(FEHRI)发起。按照欧盟运输委员会(ECTD)的程序框架制定了 COST323 计 划该计划主要内容就是研究对公路行驶车辆进行动态载 荷监控的相关问题，其中最重要的一项测试是在瑞士进行为期 30 个月的 WIM 系统 实际应用测试。 遍存在的问题是：设备质量重，安装困难，工作效率低，影响交通通行，甚至诱 发交通事故，危及稽查人员的人身安全。特别是随着高速不停车收费系统的发展。现 有的静态称重系统和动态称重系统很难满足要求。 1990 年在美国举行的“国际交通数据采集技术会议”上西德 PAT 的平板式传感器 性能较理想同时展示数种低成本的动态

22、称重系统它们主要基于压电缆压电膜和电容传 感技术在安装理想的情况下能使统计平均误差控制在 15%左右 1994 年在中国举行的“国际交通自动化技术会议”上德国展示了采用平板式传感 器的 SAW100 动态称重系统及其在自动收费站的应用在 90 年代中期以后安放在桥板上 面的 WIM 系统在美国联邦高速公路协会的同意下成为可能在美国在公路长期管理计划 LTPP 下已经搜集了大量的数据. 1997 年美国联邦公路管理局出版“WIM 实践手册”用于爱荷华州州立大学运输研 究和教学使用 2002 年 ASTM1318 高速公路 WIM 系统标准说明书第 2 版发行.国内对超载车辆动 态监测系统的研究正

23、方兴未艾现有的动态车辆系统主要是在静态称重基础上改进形成 的动态汽车衡要求汽车通过速度低且需要开挖道路安装不方便目前的产品包括青岛公 平衡器总公司的 ZCS 型公路车辆超限检测系统和 SCS 系列便携式轴重秤北京高登衡器 11 的 ZCS 固定式公路运输车辆超限检测系统广东天日科技有限公司的 TCD104 车辆超限 检测仪等其缺点主要是要求通过的速度低从而导致交通的不畅通高速系统仍处于实验 研究阶段因此，有必要运用法律、行政、经济等手段对车辆超载的违法进行治理。尤 其是运用技术手段对车辆超载行为进行“主动”治理。但是，截止目前为止。纯技术 手段的研究仍较少见。本文将从技术层面出发，从“源头”对

24、车辆超载的行为进行限 制，最大限度扼制超载违法行为，净化公路通行环境，提升公路安全通行效率和运输 车辆合法转载率，减少道路交通事故。 目前，在我国广泛使用着的车辆动态称重系统，动态称重装置的秤体仍然是采用 秤体平台跨接在传感器上，使称重物的重量经过秤体结构再传递到传感器上的简支梁 型的桥式结构。其有着价格优势大、组装灵活和易于维护等特点。并且，国内与其配 套的精度较高的车辆动态称重显示控制器仪表，在 16km/h 以内的匀速过秤测试中，单 轴载重测量的平均误差从2% 6%不等13，但在 16km/h 以上更快速度下，会产 生非真实的车重值甚至会由于检测速度不够快而导致丢轴重的情况发生。所以，在

25、过 去几十年的动态称重技术研究中，在如何保持检测精度的稳定性和减少车辆通过速度 对检测的影响，一直是致力解决的问题。 1.31.3 国内外汽车动态称重系统发展动向国内外汽车动态称重系统发展动向 尽管对车辆动态称重系统的研究己经有了很大进展，但在研究过程中还存在许多 问题需要解决： （1）研究称重本体。车辆是称重本体，是称重系统的对象，车辆在秤台上运动时， 秤台的受力情况的与车辆的运动情况有着密切的联系，对它们的研究分析和对其之间 的关系进行深入的研究有利于帮助提高系统的测量精度。 （2）注重模型和实践检验。由上面所了解到的许多关于车辆动态称重技术的研究 方法，这些技术大多数仍停留在理论研究的层

26、次，真正应用于实践的并不多，而没有 12 能在真正的系统运行环境以及以实践中检验。 （3）应用高性能微控制器。电子衡器仪表与微控制器的结合，是衡器发展的历史 飞跃。这是由于采用微控制器后，对动态称重信号的实时分析成为可能，如机械阻抗 分析、数字滤波、傅立叶分析等，这样使电子衡器仪表的数据处理能力有很大的提高， 使车辆动态称重技术的国内发展展望。 A) 车辆动态称重系统将融入 ITS(Intellingent Transport Systems)，成为其组 成部分，因此作为固定式的 WIM 系统或装置，设计时要考虑这一背景，在数据处理、 信号传输、上下位机的关系、硬件配备等方面，均要考虑，以便于

27、其“嵌入”ITS。 B) 称重传感器的寿命将制约车辆动态称重系统的广泛使用，这是国内业界应当认 真面对的问题。国内较为普遍地运用压电陶瓷式、电阻应变片式等形式称重传感器， 国外则较多地运用了压电薄膜、液压管、共聚物压电轴等形式的称重传感器，大大提 高了使用寿命，对于便携式 WIM 系统还能方便现场使用。 C) 目前国际上还没有规范且权威的车辆动态称重技术标准，仅有一个得到西方国 家承认的国际参考标准 ASTM E131894。这给我国研究和应用车辆动态称重技术带来 了机遇和挑战。机遇是在没有国际权威规范标准的情形下，我国有了领先设立国际标 准的机会。挑战在于如何在国内深入研究和应用车辆动态称重

28、技术，至少先要建立相 应的国家标准，并付诸实施。 D)低速 WIM 系统的造价和维护费用都要低于高速 WIM 系统。以我国目前的道路运 输水平，对应 WIM 系统的允许通过车速并不需要太高。用于计重收费的场合，固定式 WIM 系统一般安装在收费口或匝道口，在与 ITS 系统相配的情形下，车速一般不会高于 40km/h。用于执法临检的场合，便携式 WIM 系统一般安装于辅道或路侧，车速一般不 会高于 5km/h。 13 1.51.5 主要设计（研究）内主要设计（研究）内 容容 本设计涉及一基于单片机设计的机车超载检测系统，在高速公路收费口的路面上 装有固定连着传感器的钢板，当汽车经过时，车辆的重

29、量就会被称重传感器测量出来， 送到变送器处理后，再传送到计算机，经过分析判断，就会对超载车辆发出警报。 设计实现的主要功能： （1）该系统有 32 个传感器，每个收费路口用 4 个传感器组成一个称，可同时检 测 8 个收费口； （2）计算机通过发送命令字控制相应的变送器进行校正、故障诊断、数据采集等 工作； （3）一台计算机控制 32 个变送器工作，采用多点通讯形式； （4）具备掉电参数保护功能，上电后参数恢复功能（部分数据清零）； （5）能够遵循 RS-485 通讯网络协议，生成标准 MODBUS 通信数据包。 1.51.5 系统主要技术指标系统主要技术指标 本系统所实现的主要技术指标如下:

30、 （1）参数测量误差范围为不大于1%； （2）监控数量：32 台； （3）实时采集周期1 次/1 分钟，发送周期1 次/1 小时； （4）数据输出：所有表格数据，查询结果均可输出为 Excel 文件。 1.61.6 解决的关键问题解决的关键问题 本系统需要解决的关键问题如下： （1）寻找适合现场条件的称重传感器。传感器的灵敏度、测量范围、防止方式都 会影响所测数据的准确性。 （2）测量数据的处理。若测量数据处理不当，系统就会做出错误的判断，在数据 14 处理不当的时候，进行合理的判断处理。 （3）键盘输入。键盘用来设定上限值和解除报警。 （4）掉电保护。在一些测控系统中，存在电源开断、瞬时电压

31、不稳等不安全因素， 将会造成系统死机、信息丢失、运行不稳定等故障，这就需要掉电保护。 （5）与上位机的通信（标准 MODBUS 通信）。 2 2 系统总体结构方案设计系统总体结构方案设计 2.12.1 系统总体结构及其功能系统总体结构及其功能 设计总体结构如图 2.1 所示。 图 2.1 以单片机为处理器的系统 本设计为车辆超载检测系统的设计，要求能够判断车辆是否超载并且在超载时能 够提供报警和显示超载的重量。本设计采用 AT89C51 单片机作为核心处理器，利用桥 15 式称重传感器 WPL110 将机动车载重量转换成电压信号；然后通过放大电路将电压信号 放大后送到 A/D 转换芯片 TLC

32、0838 转换成数字信号并计算出载重量；所得的载重量将 通过 RS485 接口电路送到上位机，上位机与设定的载重量作比较并判断是否超载，若 超载显示超载的重量并报警；参数可通过键盘设定，键盘还可解除报警。 2.22.2 方案设计方案设计 2.2.1 方案一 处理器基于 AVR 的机动车超载检测系统。 本检测系统主要由主控制板、显示部分、键盘部分、采集部分、串行通信部分和 报警部分构成。主控制板主要由 AVR 单片机、CPLD、滤波电路、电平转换电路等构成。 AVR 单片机主要实现控制功能，CPLD 主要实现 I/O 口扩展、逻辑判断等功能。系统经 过初始化之后，先用键盘设定载重上限值，然后采集

33、数据，由 AVR 单片机判断是否超 载，超载要发出报警。 2.2.2 方案二 处理器基于 51 系列单片机的机动车超载检测系统。 系统硬件框图如下所示: 图 2.2 基于 51 系列单片机的系统硬件框图 本次设计采用 51 系列的 AT89C51 单片机作为系统处理的核心，利用桥式称重传感 器 WPL110 将机动车载重量转换成电压信号；然后通过放大电路将电压调理后送到 A/D 转换芯片 TLC0838 转换成数字信号并计算出载重量；所得的载重量将通过 RS485 接口 16 电路送到上位机，上位机与设定的载重量作比较并判断是否超载，若超载显示超载的 重量并报警；参数可通过键盘设定，键盘还可解

34、除报警。 2.32.3 方案的方案的论证论证 2.3.1 AVR 系列 AVR 单片机是 Atmel 公司推出的较为新颖的单片机，其显著的特点为高性能、高速 度、低功耗。它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。 通用寄存器一共 32 个（R0R31），前 16 个寄存器（R0R15）都不能直接 与立即数打交道，因而通用性有所下降。 AVR 系列没有类似累加器 A 的结构，它主要是通过 R16R31 寄存器来实现 A 的功 能。在 AVR 中，没有像 51 系列的数据指针 DPTR，而是由 X（由 R26、R27 组成）、 Y（由 R28、R29 组成）、Z（由 R30、R31 组成

35、）三个 16 位的寄存器来完成数据指针的 功能(相当于有三组 DPTR)，而且还能作后增量或先减量等的运行。 2.3.2 51 系列 51 系列内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处 理器。它的处理对象不是字或字节而是位。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能， 但能进行位逻辑运算的实属少见。51 系列在片内 RAM 区间还特别开辟了一个双重功能 的地址区间，十六个字节，单元地址 20H2FH，它既可作字节处理，也可作位处理， 使用极为灵活。 51 系列的 I/O 脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设 置为高电平（复位时，各 I/O 口均置高电平）

36、。当该脚作输出脚使用时，则为高电平 或低电平均可。低电平时，吸入电流可达 20mA，具有一定的驱动能力；而为高电平时， 输出电流仅数十 A 甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有 驱动能力。其原因是高电平时該脚也同时作输入脚使用，而输入脚必须具有高的输入 17 阻抗，因而上拉的电流必须很小才行。作输出脚使用，欲进行高电平驱动时，得利用 外电路来实现，I/O 脚不通，电流经 R 驱动 LED 发光；低电平时，I/O 脚导通，电流由 该脚入地，LED 灭（I/O 脚导通时对地的电压降小于 1V，LED 的域值 1.51.8V）。 2.42.4 方案的确定方案的确定 本次设计采用

37、51 系列 AT89C51 单片机，选用它作为核心控制新片，可使电路极大 地简化，而且程序的编写及固化也相当方便、灵活。 与系统相关的技术方案包括：看门狗的选择、传感器的选择、A/D 转换转换器的选 择、显示器的选择、通讯模块的选择及电源方案等。 1）看门狗的选择：看门狗芯片可以选择 X25045 和 MAX813L 等。X25045 内部没 有故障检测，而 MAX813L 内部自带了看门狗跃迁检测器，故选用 MAX813L。它有加电、 掉电以及供电电压下降情况下的复位输出，复位脉冲宽度典型值为 200 ms；独立的看 门狗输出，如果看门狗输入在 16 s 内未被触发，其输出将变为高电平；1.

38、25 V 门限 值检测器，用于电源故障报警、电池低电压检测或5 V 以外的电源监控；低电平有效 的手动复位输入；8 引脚 DIP 封装。 2）传感器的选择：桥式称重传感器有 WPL110、CL110 等, CL110 的额定载荷是 1030t，而 WPL110 的额定载荷 是 1050t ，故本设计选择 WPL110。它抗偏载，组 合压头具有自动复位与调心功能。高精度、低功效、全密封，适用于各类恶劣环境。 量程是 1050t ，综合精度达到 002（线性+滞后+重复性），灵 敏 度是 2.0 mV/V ，工作温度在-20+65 ，输入阻抗是 700 ，输出阻抗是 750 ，安全过载： 150

39、F?S ，供桥电压为 12VDC 。 3）A/D 转换转换器的选择：A/D 转换转换器，根据输出的信号格式，可分为并行 AD 和串行 AD。并行方式一般在转换后可直接读取数据，但芯片的引脚比较多；串 行方式所用芯片引脚少、封装小，在 PCB 板上占用的空间也小。故本设计采用串行 18 ADTLC0838。TLC0838 是美国德州仪器公司生产的 8 位逐次逼近模数转换器。具有输 进可配置的多通道多路器和串形输进输出方式。它有 8 位分辨率；易于和微处理器接 口或独立使用；可满量程工作；可用地址逻辑多路器选通 8 输进通道；单 5V 供电，范 围为 05V：输进和输出与 TTL、CMOS 电平兼

40、容；时钟频率为 250kHz 时，其转换时间 为 32s；总调整误差为1LSB。 4）显示器的选择：本设计采用 LED（Light Emitting Diode），发光二极管，它 是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED 的心脏是一个半导体的晶片， 晶片的一端附着在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被 环氧树脂封装起来。LED 体积小，耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管 0.03-0.06 瓦），电光功率转换接近 100%。一般来说 LED 的工作电压是 2-3.6V，工作电流是 0.02-0.03A； 5）通讯模块的选择：本设计采用 RS-485 通讯网

41、络协议，RS-485 驱动器和接收器 价格便宜，并且只需要单一的一个+5V（或者更低）的电源来产生差动输出需要的最小 1.5V 的压差。RS-485 是一个多引出线接口，这个接口可以有多个驱动器和接受器，而 不是限制为两台设备。利用高阻抗接受器，一个 RS-485 连接可以最多有 256 个接点， 最长可以达到 4000ft,比特率可以高达 10Mbps。 6）电源方案：本设计中的电源主要有两种：、+5V 和+12V。+5V 为单片机、 TLC0838、显示、键盘、蜂鸣器、MAX813L 及 MAX485 的模拟电源与数字电源； +12V 的 电源是供给运算放大器、传感器和看门狗芯片的。 综上

42、所述，我们本次设计采用 51 系列的 AT89C51 单片机作为系统处理的核心，利 用桥式称重传感器 WPL110 将机动车载重量转换成电压信号；然后通过放大电路将电压 信号放大后送到 A/D 转换芯片 TLC0838 转换成数字信号并计算出载重量；所得的载重 量将通过 RS485 接口电路送到上位机，上位机与设定的载重量作比较并判断是否超载， 19 若超载显示超载的重量并报警；参数可通过键盘设定，键盘还可解除声光报警。 3 3 系统的硬件设计系统的硬件设计 本系统主要由看门狗模块、通讯模块、键盘模块、采集模块和显示模块组成，硬 件框图如图 3.1 所示。 20 图 3.1 系统硬件框图 下面

43、将具体介绍各个主要组成部分的功能、选型以及具体连接方式。 3.13.1 单片机单片机 AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双 工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作， 并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/ 计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停 21 止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。芯片图如图

44、3.2 所示。 3.23.2 采集模块采集模块 3.2.1 惠斯登电桥 1 1 桥路形式桥路形式 在应变计的电测技术中，应用最广泛的测量电路是惠斯通电桥电路。测量电桥由 于具有灵敏度高、测量范围宽、电路结构简单、精度高、容易实现温度补偿等优点， 因此能很好地满足应变测量的要求。 电桥根据电源的性质分直流电桥和交流电桥两种，当 Ui 为直流时该电桥为 直流电桥。电桥电路如图 3.3 所示，它的四个桥臂由 R1、R2、R3、R4 组成。当四臂电 阻 R1=R2=R3=R4=R 时，称为等臂电桥；当 R1=R2=R,R3=R4=RR 时，称为输出对称电 桥；当 R1=R4=R，R2= R3=RR 时

45、，称为电源对称电桥，本设计采用等臂电桥。 图 3.3 电桥电路 2 2 工作方式：工作方式： 单臂工作：电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个臂采用固定电阻； 双臂工作：如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固定电阻就称为双臂工作电桥， 又称为半桥形式； 全桥方式：如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形式。 22 本设计采用全桥方式。 3.3.输出方式输出方式 电桥的输出方式有电流型和电压型两种，主要根据负载情况而定。本设计采用的 是电压输出型，故只介绍电压输出型。 当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的 负载电阻为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出

46、端的开路电 压，其表达式为： (1-3-1) 对于等臂电桥 R1=R2=R3=R4=R ，当 R1 的电阻增量 R1=R 时，可得输出电压为： (1-3-2) 在实际使用中为了进一步提高灵敏度，常采用等臂电桥，四个被测信号接成 两个差动对称的全桥工作形式，R1=R+R,R2=R-R,R3=R+R,R4=R-R，将上述条件 代入式(1-3-1)得 (1-3-3) 由式(1-3-3)看出，由于充分利用了双差动作用，它的输出电压为单臂工作时 的 4 倍，所以大大提高了测量的灵敏度。 本设计中用的传感器是 WPL110，它输入阻抗是 770，输出阻抗是 700，即 R=70，输入电压 U=12V，代入

47、公式 1-3-3 可知，电桥的输出电压 V U 0909 . 1 770 7012 0 即电桥输出电压范围是 01V.已知 TLC0838 的输入电压是 05V，故需将电压放 大 5 倍。 23 3.2.2 称重传感器 WPL110 1 1 电阻应变式称重传感器原理电阻应变式称重传感器原理 电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外 力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形， 电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这 一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。 由此可

48、见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少 的几个主要部分。弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承 受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生 一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变棗电信 号的转换任务。 2 2 检测电路检测电路 检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具 有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解 决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。 因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一

49、致，各种干扰的影响容易相互抵 销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。 3 3 称重传感器的选择称重传感器的选择 称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感 器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用传感器至关重要，它关系 到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。 传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可 能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来说，传感器的量程越接近分 24 配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际使用时，由于加在传感器 上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用 传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。 根据经验，一般应使传感器工作在其 30%70%量程内，但对于一些在使用过程中 存在较大冲击力的衡器，如动态轨道衡、动态汽车衡、钢材秤等，在选用传感器时， 一般要扩大其量程，使传感器工作在其量程的 20%30%之内，使传感器的称量储备量 增大，以保证传感