車輛超載檢測系統研究畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 車輛動態稱重技術帶來了機遇和挑戰。機遇是在沒有國際權威規范標準的情形下，我國有了領先設立國際標準的機會。挑戰在于如何在國內深入研究和應用車輛動態稱重技術，至少先要建立相應的國家標準，并付諸實施。 D)低速 WIM 系統的造價和維護費用都要低于高速 WIM 系統。以我國目前的道路運輸水平，對應 WIM 系統的允許通過車速并不需要太高。用于計重收費的場合，固定式WIM 系統一般安裝在收費口或匝道口，在與 ITS 系統相配的情形下，車速一般不會高于40km/h。用于執法臨檢的場合，便攜式 WIM 系統一般安裝于輔道或路側，車速一般不會高于 5km/h。13（研究）內 容本設計涉及一基于單片機設計的機車超載檢測系統，在高速公路收費口的路面上裝有固定連著傳感器的鋼板，當汽車經過時，車輛的重量就會被稱重傳感器測量出來，送到變送器處理后，再傳送到計算機，經過分析判斷，就會對超載車輛發出警報。設計實現的主要功能：（1）該系統有 32 個傳感器，每個收費路口用 4 個傳感器組成一個稱，可同時檢測 8 個收費口；（2）計算機通過發送命令字控制相應的變送器進行校正、故障診斷、數據采集等工作；（3）一臺計算機控制 32 個變送器工作，采用多點通訊形式；（4）具備掉電參數保護功能，上電后參數恢復功能（部分數據清零）；（5）能夠遵循 RS485 通訊網絡協議，生成標準 MODBUS 通信數據包。本系統所實現的主要技術指標如下:（1）參數測量誤差范圍為不大于177。1%；（2）監控數量：32 臺；（3）實時采集周期＜＝1 次/1 分鐘，發送周期＝1 次/1 小時；（4）數據輸出：所有表格數據，查詢結果均可輸出為 Excel 文件。本系統需要解決的關鍵問題如下：（1）尋找適合現場條件的稱重傳感器。傳感器的靈敏度、測量范圍、防止方式都會影響所測數據的準確性。（2）測量數據的處理。若測量數據處理不當，系統就會做出錯誤的判斷，在數據14處理不當的時候，進行合理的判斷處理。（3）鍵盤輸入。鍵盤用來設定上限值和解除報警。（4）掉電保護。在一些測控系統中，存在電源開斷、瞬時電壓不穩等不安全因素，將會造成系統死機、信息丟失、運行不穩定等故障，這就需要掉電保護。（5）與上位機的通信（標準 MODBUS 通信）。2 系統總體結構方案設計設計總體結構如圖 所示。圖 以單片機為處理器的系統本設計為車輛超載檢測系統的設計，要求能夠判斷車輛是否超載并且在超載時能夠提供報警和顯示超載的重量。本設計采用 AT89C51 單片機作為核心處理器，利用橋15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，鍵盤還可解除報警。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。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16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。 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，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17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 ～）。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A／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18A／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，19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。20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。 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，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21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。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，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。22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 ??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。23 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