車輛超載檢測系統研究畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 換芯片 TLC0838 轉換成數字信號并計算出載重量；所得的載重量將通過 RS485 接口電路送到上位機，上位機與設定的載重量作比較并判斷是否超載，若超載顯示超載的重量并報警；參數可通過鍵盤設定，鍵盤還可解除報警。 方案設計 方案一處理器基于 AVR 的機動車超載檢測系統。本檢測系統主要由主控制板、顯示部分、鍵盤部分、采集部分、串行通信部分和報警部分構成。主控制板主要由 AVR 單片機、CPLD、濾波電路、電平轉換電路等構成。AVR 單片機主要實現控制功能，CPLD 主要實現 I/O 口擴展、邏輯判斷等功能。系統經過初始化之后，先用鍵盤設定載重上限值，然后采集數據，由 AVR 單片機判斷是否超載，超載要發出報警。 方案二處理器基于 51 系列單片機的機動車超載檢測系統。系統硬件框圖如下所示:圖 基于 51 系列單片機的系統硬件框圖本次設計采用 51 系列的 AT89C51 單片機作為系統處理的核心，利用橋式稱重傳感14器 WPL110 將機動車載重量轉換成電壓信號；然后通過放大電路將電壓調理后送到 A/D轉換芯片 TLC0838 轉換成數字信號并計算出載重量；所得的載重量將通過 RS485 接口電路送到上位機，上位機與設定的載重量作比較并判斷是否超載，若超載顯示超載的重量并報警；參數可通過鍵盤設定，鍵盤還可解除報警。 方案的論證 AVR 系列AVR 單片機是 Atmel 公司推出的較為新穎的單片機，其顯著的特點為高性能、高速度、低功耗。它取消機器周期，以時鐘周期為指令周期，實行流水作業。　 通用寄存器一共 32 個（R0～R31），前 16 個寄存器（R0～R15）都不能直接與立即數打交道，因而通用性有所下降。AVR 系列沒有類似累加器 A 的結構，它主要是通過 R16～R31 寄存器來實現 A 的功能。在 AVR 中，沒有像 51 系列的數據指針 DPTR，而是由 X（由 R2R27 組成）、Y（由 R2R29 組成）、Z（由 RR31 組成）三個 16 位的寄存器來完成數據指針的功能(相當于有三組 DPTR)，而且還能作后增量或先減量等的運行。 51 系列51 系列內部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統，稱作位處理器，或布爾處理器。它的處理對象不是字或字節而是位。雖然其他種類的單片機也具有位處理功能，但能進行位邏輯運算的實屬少見。51 系列在片內 RAM 區間還特別開辟了一個雙重功能的地址區間，十六個字節，單元地址 20H～2FH，它既可作字節處理，也可作位處理，使用極為靈活。51 系列的 I/O 腳的設置和使用非常簡單，當該腳作輸入腳使用時，只須將該腳設置為高電平（復位時，各 I/O 口均置高電平）。當該腳作輸出腳使用時，則為高電平或低電平均可。低電平時，吸入電流可達 20mA，具有一定的驅動能力；而為高電平時，15輸出電流僅數十 μA 甚至更小（電流實際上是由腳的上拉電流形成的），基本上沒有驅動能力。其原因是高電平時該腳也同時作輸入腳使用，而輸入腳必須具有高的輸入阻抗，因而上拉的電流必須很小才行。作輸出腳使用，欲進行高電平驅動時，得利用外電路來實現，I/O 腳不通，電流經 R 驅動 LED 發光；低電平時，I/O 腳導通，電流由該腳入地，LED 滅（I/O 腳導通時對地的電壓降小于 1V，LED 的域值 ～）。 方案的確定本次設計采用 51 系列 AT89C51 單片機，選用它作為核心控制新片，可使電路極大地簡化，而且程序的編寫及固化也相當方便、靈活。 與系統相關的技術方案包括：看門狗的選擇、傳感器的選擇、A/D 轉換轉換器的選擇、顯示器的選擇、通訊模塊的選擇及電源方案等。 1）看門狗的選擇：看門狗芯片可以選擇 X25045 和 MAX813L 等。X25045 內部沒有故障檢測，而 MAX813L 內部自帶了看門狗躍遷檢測器，故選用 MAX813L。它有加電、掉電以及供電電壓下降情況下的復位輸出，復位脈沖寬度典型值為 200 ms；獨立的看門狗輸出，如果看門狗輸入在 1．6 s 內未被觸發，其輸出將變為高電平； V 門限值檢測器，用于電源故障報警、電池低電壓檢測或＋5 V 以外的電源監控；低電平有效的手動復位輸入；8 引腳 DIP 封裝。 2）傳感器的選擇：橋式稱重傳感器有 WPL1CL110 等, CL110 的額定載荷是10～30t，而 WPL110 的額定載荷 是 10～50t ，故本設計選擇 WPL110。它抗偏載，組合壓頭具有自動復位與調心功能。高精度、低功效、全密封，適用于各類惡劣環境。量程是 10～50t ，綜合精度達到 0．02（線性+滯后 +重復性），靈 敏 度是 　mV/V ，工作溫度在20℃～+65℃ ，輸入阻抗是 700Ω ，輸出阻抗是 750　Ω ，安全過載：150％ F?S ，供橋電壓為 12VDC 。3）A/D 轉換轉換器的選擇：A/D 轉換轉換器，根據輸出的信號格式，可分為并行16A／D 和串行 A／D。并行方式一般在轉換后可直接讀取數據，但芯片的引腳比較多；串行方式所用芯片引腳少、封裝小，在 PCB 板上占用的空間也小。故本設計采用串行A／DTLC0838。TLC0838 是美國德州儀器公司生產的 8 位逐次逼近模數轉換器。具有輸進可配置的多通道多路器和串形輸進輸出方式。它有 8 位分辨率；易于和微處理器接口或獨立使用；可滿量程工作；可用地址邏輯多路器選通 8 輸進通道；單 5V 供電，范圍為 0～5V：輸進和輸出與 TTL、CMOS 電平兼容；時鐘頻率為 250kHz 時，其轉換時間為 32μs；總調整誤差為177。1LSB。4）顯示器的選擇：本設計采用 LED（Light Emitting Diode），發光二極管，它是一種固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED 的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附著在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。LED 體積小，耗電相當低，直流驅動，超低功耗（單管 瓦），電光功率轉換接近 100%。一般來說 LED 的工作電壓是 ，工作電流是；5）通訊模塊的選擇：本設計采用 RS485 通訊網絡協議，RS485 驅動器和接收器價格便宜，并且只需要單一的一個+5V（或者更低）的電源來產生差動輸出需要的最小 的壓差。RS485 是一個多引出線接口，這個接口可以有多個驅動器和接受器，而不是限制為兩臺設備。利用高阻抗接受器，一個 RS485 連接可以最多有 256 個接點，最長可以達到 4000ft,比特率可以高達 10Mbps。6）電源方案：本設計中的電源主要有兩種：、+5V 和+12V。+5V 為單片機、TLC083顯示、鍵盤、蜂鳴器、MAX813L 及 MAX485 的模擬電源與數字電源； +12V 的電源是供給運算放大器、傳感器和看門狗芯片的。綜上所述，我們本次設計采用 51 系列的 AT89C51 單片機作為系統處理的核心，利用橋式稱重傳感器 WPL110 將機動車載重量轉換成電壓信號；然后通過放大電路將電壓17信號放大后送到 A/D 轉換芯片 TLC0838 轉換成數字信號并計算出載重量；所得的載重量將通過 RS485 接口電路送到上位機，上位機與設定的載重量作比較并判斷是否超載，若超載顯示超載的重量并報警；參數可通過鍵盤設定，鍵盤還可解除聲光報警。3 系統的硬件設計18本系統主要由看門狗模塊、通訊模塊、鍵盤模塊、采集模塊和顯示模塊組成，硬件框圖如圖 所示。圖 系統硬件框圖下面將具體介紹各個主要組成部分的功能、選型以及具體連接方式。 單片機 AT89C51 提供以下標準功能：4k 字節 Flash 閃速存儲器，128 字節內部RAM，32 個 I/O 口線，兩個 16 位定時/計數器，一個 5 向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51 可降至 0Hz 的靜態邏輯操作，19并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存 RAM 中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。芯片圖如圖 所示。 采集模塊 惠斯登電橋1 橋路形式在應變計的電測技術中，應用最廣泛的測量電路是惠斯通電橋電路。測量電橋由于具有靈敏度高、測量范圍寬、電路結構簡單、精度高、容易實現溫度補償等優點，因此能很好地滿足應變測量的要求。 電橋根據電源的性質分直流電橋和交流電橋兩種，當 Ui 為直流時該電橋為直流電橋。電橋電路如圖 所示，它的四個橋臂由 RRRR4 組成。當四臂電阻 R1=R2=R3=R4=R 時，稱為等臂電橋；當 R1=R2=R,R3=R4=R39。≠R 時，稱為輸出對稱電橋；當 R1=R4=R，R2= R3=R39。≠R 時，稱為電源對稱電橋，本設計采用等臂電橋。 圖 電橋電路2 工作方式：單臂工作：電橋中只有一個臂接入被測量，其它三個臂采用固定電阻；雙臂工作：如果電橋兩個臂接入被測量，另兩個為固定電阻就稱為雙臂工作電橋，20又稱為半橋形式；全橋方式：如果四個橋臂都接入被測量則稱為全橋形式。本設計采用全橋方式。電橋的輸出方式有電流型和電壓型兩種，主要根據負載情況而定。本設計采用的是電壓輸出型，故只介紹電壓輸出型。當電橋輸出端接有放大器時，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認為電橋的負載電阻為無窮大，這時電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，其表達式為： (131)對于等臂電橋 R1=R2=R3=R4=R ，當 R1 的電阻增量 ΔR1=ΔR 時，可得輸出電壓為： (132) 在實際使用中為了進一步提高靈敏度，常采用等臂電橋，四個被測信號接成兩個差動對稱的全橋工作形式，R1=R+ΔR,R2=RΔR,R3=R+ΔR,R4=RΔR，將上述條件代入式(131)得 (133) 由式(133)看出，由于充分利用了雙差動作用，它的輸出電壓為單臂工作時的 4 倍，所以大大提高了測量的靈敏度。本設計中用的傳感器是 WPL110，它輸入阻抗是 770Ω，輸出阻抗是 700Ω，即ΔR=70Ω，輸入電壓 U=12V，代入公式 133 可知，電橋的輸出電壓 ??21即電橋輸出電壓范圍是 0— TLC0838 的輸入電壓是 0—5V，故需將電壓放大 5 倍。 稱重傳感器 WPL1101 電阻應變式稱重傳感器原理電阻應變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化（增大或減小），再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。由此可見，電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。彈性體是一個有特殊形狀的結構件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產生反作用力，達到相對靜平衡；其次，它要產生一個高品質的應變場（區），使粘貼在此區的電阻應變片比較理想的完成應變棗電信號的轉換任務。2 檢測電路檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變為電壓輸出。因為惠斯登電橋具有很多優點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應用。因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數一致，各種干擾的影響容易相互抵銷，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。3 稱重傳感器的選擇稱重傳感器實際上是一種將質量信號轉變為可測量的電信號輸出的裝置。用傳感器首先要考慮傳感器所處的實際工作環境，這點對正確選用傳感器至關重要，它關系到傳感器能否正常工作以及它的安全和使用壽命，乃至整個衡器的可靠性和安全性。22傳感器量程的選擇可依據秤的最大稱量值、選用傳感器的個數、秤體的自重、可能產生的最大偏載及動載等因素綜合評價來確定。一般來說，傳感器的量程越接近分配到每個傳感器的載荷，其稱量的準確度就越高。但在實際使用時，由于加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在秤體自重、皮重、偏載及振動沖擊等載荷，因此選用傳感器量程時，要考慮諸多方面的因素，保證傳感器的安全和壽命。根據經驗，一般應使傳感器工作在其 30%～70%量程內，但對于一些在使用過程中存在較大沖擊力的衡器，如動態軌道衡、動態汽車衡、鋼材秤等，在選用傳感器時，一般要擴大其量程，使傳感器工作在其量程的 20%～30%之內，使傳感器的稱量儲備量增大，以保證傳感器的使用安全和壽命。傳感器型式的選擇主要取決于稱量的類型和安裝空間，保證安裝合適，稱量安全可靠；另一方面，要考慮廠家的建議。廠家一般會根據傳感器的受力情況、性能指標、安裝形式、結構型式、彈性體的材質等特點規定傳感器的適用范圍，譬如鋁式懸臂梁傳感器適用于計價秤、平臺秤、案秤等；鋼式懸臂梁傳感器適用于料斗秤、電子皮帶秤、分選秤等；鋼質橋式傳感器適用于軌道衡、汽車衡、天車秤等；柱式傳感器適用于汽車衡、動態軌道衡、大噸位料斗秤等。所以，采用的傳感器滿足儀表輸入靈敏度的要求，能夠與所選儀表匹配。滿足整臺電子秤準確度的要求。一臺電子秤主要是由秤體、傳感器、儀表三部分組成，在對傳感器準確度選擇的時候，應使傳感器的準確度略高于理論計算值，因為理論往往受到客觀條件的限制，如秤體的強度差一點，儀表的性能不是很好、秤