公路超重監(jiān)測

1、摘 要 介紹一種動態(tài)測重系統(tǒng)的結構和實現(xiàn)方法，主要功能動態(tài)測量行駛車輛的輪胎受力，并計算相應靜態(tài)車輛重量，完全自動、不停車測重。硬件設計中介紹數(shù)字電路的構成，A/D轉換器、信號差分放大和LED顯示電路。軟件設計中提出了根據(jù)實際采樣波形而設計的獨特數(shù)據(jù)處理方法。關鍵詞：高速公路 汽車載重 自動檢測系統(tǒng) 傳感器 單片機 構成 目 錄引言 1 緒論 1.1 課題背景 1.2 超重檢測器的概述 1.3 研究的目的和意義 1.4 系統(tǒng)設計的主要任務 1.4.1硬件問題 1.4.2軟件問題 2 系統(tǒng)方案的設計 2.1 超重檢測系統(tǒng)的設計要求 2.2 設計的基本思路 2.3 方案比較和論證 2.3.1控制器

2、 2.3.2前級放大器 2.3.3 A/D轉換器 3 系統(tǒng)構成 3.1 壓力傳感器 3.1.1傳感器的定義 3.1.2傳感器的作用 3.1.3傳感器的組成 3.1.4傳感器的分類 3.1.5傳感器設計要點 3.2 儀器放大器采用op27 3.3 模數(shù)轉換器采用A/D0809 3.4 繼電器 3.5 單片機采用AT89S52 3.5.1 MCS-51單片機的組成 3.5.2電源線 3.5.3端口線 3.5.4控制線 3.6 LED數(shù)碼管 3.7 變壓器 4 硬件電路設計 4.1 設計使用的基本知識介紹 4.2 芯片介紹及相關電路模塊設計 4.2.1測重傳感器電橋原理圖 4.3 前端信號放大處理電

3、路圖 4.4 A/D0809轉換電路 4.4.1 A/D電路的信號流程 4.5 主控制電路 4.5.1復位電路 4.5.2晶振電路 4.5.3下載接口 4.6 人機交互界面 4.6.1鍵盤接口電路 4.6.2 LED數(shù)碼管顯示電路 4.6.3電源電路 4.7 其它擴展電路 4.7.1警告電路 引言：隨著計算機技術的高速發(fā)展，單片機以其自身的特點，已廣泛應用于智能化測控設備和產(chǎn)品廣泛應用到各個領域，單片機嵌入到對象體系中的嵌入式系統(tǒng)已滲透到單位、家庭和個人，單片機技術產(chǎn)品和設備促進了生產(chǎn)技術水平的提高。本次設計的高速公路超重檢測系統(tǒng)正是單片機應用系統(tǒng)中的一種。單片機應用系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件

4、是指單片機擴展的存儲器、輸入/出設備以及各種實現(xiàn)單片機系統(tǒng)控制要求的接口電路和有關的外圍電路芯片或部件；軟件是指單片機應用系統(tǒng)實現(xiàn)其特定控制功能的各種工作程序和管理程序。只有系統(tǒng)硬件和軟件緊密配合、協(xié)調一致，才可能組成高性能的單片機應用系統(tǒng)。在單片機應用系統(tǒng)開發(fā)的過程中，應不斷調整軟、硬件，協(xié)調地進行軟、硬件設計，以提高工作效率。單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)過程一般包括系統(tǒng)的總體設計、硬件設計、軟件設計和系統(tǒng)調試幾個階段。這幾個系統(tǒng)開發(fā)階段并不是相互獨立、各自進行的，而應根據(jù)開發(fā)的實際需要，相互協(xié)調、交叉，有機的進行。高速公路超重檢測需要應變片式壓力傳感器。從廣義上講，傳感器就是能感受外界信息并能按一

5、定規(guī)律將這些信息轉換成可用信號的裝置。狹義上講，傳感器就是能將外界信息轉換成電信號的裝置。隨著新技術和自動化的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來越大，一切現(xiàn)代化儀器、設備幾乎都離不開傳感器。在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是自動化生產(chǎn)過程中，用各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，如溫度、壓力、流量、PH值等，以便使設備工作在最佳狀態(tài)，產(chǎn)品達到最好的質量。本次設計中所利用到的壓力傳感器就是要測量行駛車輛車輪向壓力傳感器施壓導致電壓變化的動態(tài)信號，并且利用數(shù)模轉換芯片將電壓值轉換為數(shù)字值，實現(xiàn)整個系統(tǒng)車輛超重的檢測，實現(xiàn)智能控制。本次設計車輛超重檢測系統(tǒng)的就是單片機應用系統(tǒng)的一種典型應用，要求能夠檢測高速公路上

6、行駛車輛的載重，并且對違章超重車輛進行自動稱重、并顯示出相應的信息警告司機，同時啟動抓拍系統(tǒng)，對違章車輛進行抓拍。由于車輛超載引發(fā)大量交通事件、路面、橋梁隧道等嚴重受損。為了維護國家財產(chǎn)不受損失,保證人民的生命安全, 保護公路暢通無阻, 設計動態(tài)稱重設備來限制超載車輛至關重要。隨著電子技術與計算機技術的發(fā)展，面對各種檢測對象和大量的測試點，需要利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將多路被測量值轉換成數(shù)字量，再經(jīng)過單片機或微型計算機進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)實時測控。而此時采用單片機來實現(xiàn)高速公路超重檢測不僅具有采集控制方便、簡單、靈活等優(yōu)點，而且可以大幅度提高采集點的技術指標，從而大大提高系統(tǒng)的可利用性。此次檢測系統(tǒng)正是

7、把ADC0809與AT89S52單片機有機的結合起來，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也符合了本設計的要求。本人在此次設計中主要擔任了系統(tǒng)的硬件電路圖的設計、硬件的焊接和調試、軟件的設計、以及各個芯片資料查找與整理等工作。1 緒論1.1 課題背景我國的高速公路發(fā)展比西方發(fā)達國家晚近半個世紀的時間，從80年代末開始起步， 到2004年年底已經(jīng)超過3萬公里。 根據(jù)交通部最新公布的國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃，從2005年起到2030年，國家將斥資兩萬億元，新建5.1萬公里高速公路，使我國高速公路里程達到8.5萬公里。隨著經(jīng)濟的發(fā)展, 交通量的迅速增加,各種運輸車的數(shù)量和比重逐年遞增, 特別是一些運輸單位或個人

8、不顧車輛、公路承載能力及行車安全, 擅自對車輛進行改裝, 致使公路、橋梁及其附屬設施受到嚴重破壞, 由此而引發(fā)大量交通事件、路面、橋梁、隧道等嚴重受損。為了維護國家財產(chǎn)不受損失,保證人民的生命安全, 保護公路暢通無阻, 設計動態(tài)稱重設備來限制超載車輛至關重要。同時, 動態(tài)稱重設備能廣泛應用于自動化交通調查、收費系統(tǒng)、交通安全管理等場合, 并能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。還可推廣應用于企業(yè)、碼頭等載貨車輛稱重和管理。動態(tài)稱重系統(tǒng)應用面很廣, 國內外研究部門和企業(yè)都在研制、生產(chǎn)出相應的產(chǎn)品, 其中德國和美國研究水平較高。德國PAT 公司生產(chǎn)的動態(tài)稱重系統(tǒng)的精度已達±3%。而國內研制的固

9、定式動態(tài)車輛稱重系統(tǒng)誤差為±5% ,一般都是在高速公路入口收費車道前安裝一臺低速測重系統(tǒng)，向收費系統(tǒng)計算機傳輸軸重、整車重、車速、車軸數(shù)量、車型、軸距、速度、車道號和行駛方向、日期和時間、數(shù)據(jù)記錄序號、車輛加速度、超限判別標識等信息，實現(xiàn)計重收費和超限檢測功能。為此,我們采用MCS-51系列ADC89S52單片機設計一種動態(tài)稱重系統(tǒng)用于高速公路上的超重檢測。（本系統(tǒng)僅模擬其原理）MCS-51單片機是美國INTE公司于1980年推出的產(chǎn)品，AT89S52是MCS-51系列單片機中的代表產(chǎn)品，它的大尋址范圍和指令系統(tǒng)也非常適合數(shù)字信號處理, 將AT89S52其引入動態(tài)稱重系統(tǒng), 使其系統(tǒng)

10、的運算速度更快、檢測更精度, 而且的高速并行運算方式可以運行更加復雜的數(shù)據(jù)運算體系, 為以后的系統(tǒng)完善留有充分余地。1.2 超重檢測器的概述長期以來，超重汽車超載運行是高速公路損害的主要原因之一，杜絕載重汽車超載是高速公路管理和安全運行的重要措施，高速公路自動超重檢測系統(tǒng)對行駛車輛自動測重，并發(fā)出警告信息提示司機，判斷是否超重運行，維護了高速公路的安全運行，保證了公路的使用壽命。1.3 研究的目的和意義設計出一種全自動高速公路動態(tài)超重檢測系統(tǒng)，自動檢測超重車輛，并顯示紅燈警告，同時啟動抓拍系統(tǒng)（抓拍系統(tǒng)不做）。目前的超重檢測系統(tǒng)多用于高速公路入口匝道出，通過手費管理人員實行半自動檢測，這種檢測

11、系統(tǒng)不僅降低了工作人員的工作效率，而且影響了進入高速公路的交通量。因此，本次設計實行全自動檢測系統(tǒng)，對超重車輛抓拍，其優(yōu)點在于：該產(chǎn)品無需專業(yè)人員操作，只要放在合適位置，通電即可，連續(xù)使用、方便簡捷；此系統(tǒng)通過改進可同時檢測超限車輛（即單軸軸載）；同時本系統(tǒng)采用高運算、大尋址范圍的AT89S52芯片，有利于今后對該系統(tǒng)進一步完善。1.4 系統(tǒng)設計的主要任務本次設計利用單片機電路制作高速公路自動動態(tài)超重檢測系統(tǒng)。設計過程中最關鍵的兩個部分：系統(tǒng)硬件的設計和控制軟件的編寫。這也是在設計過程中需要解決的最關鍵的問題。1.4.1硬件問題高速公路動態(tài)超重檢測系統(tǒng)的硬件主要有3大部分，即壓力信號的采集部分

12、、主控部分和警告及抓拍部分。壓力信號采集主要由壓力傳感器組成，它是整個系統(tǒng)中最關鍵的元件。主控部分由單片機及其相關軟件組成，由程序對單片機進行控制。警告主要由發(fā)光二級管組成，這個部分是對運行車輛的載重發(fā)出警告信息，同時啟動抓拍系統(tǒng)；對沒有超重的車輛，發(fā)出提示信息允許通過。硬件的設計需要單片機、模電及其數(shù)電的相關知識。在解決這一問題的過程中，需要查閱大量資料，結合所學知識，向老師獲取幫助。1.4.2軟件問題它的軟件設計主要包括主程序和中斷處理兩大部分：主程序要完成IO口，定時器的初始化及對中斷輸入的設定，然后延時使傳感器進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，等待定時器的中斷；中斷處理程序根據(jù)具體情況需要有相應的子程

13、序。要對程序進行多次調試，分塊編程。對各個子程序塊所解決的問題要相當明確。最后在制作完成硬件電路板后要調試出設計要求的功能。2 系統(tǒng)方案的設計設計就是根據(jù)題目的要求而對硬件和軟件進行規(guī)劃，并選擇最合適的硬件電路和軟件程序來達到目的。硬件設計是通過對設計要求的分析，對各種元器件的了解，而得出分立元件與集成塊的某些連接方法，以達到設計的功能要求。并且把這些元器件焊接在一塊電路板上。它包括對各種元器件的功能和接法的了解，以及對各種元器件的選擇和設計方案的選擇。軟件設計是分析設計的硬件用程序實現(xiàn)其功能，并且調試優(yōu)化產(chǎn)品功能。2.1 超重檢測系統(tǒng)的設計要求當高速公路行駛的車輛進入測重檢測區(qū)內，車輪向壓力

14、傳感器施壓時，壓力傳感器傳出微弱的電壓信號，通過差分運放以及單片機的判斷等運算，對違章超重車輛進行自動稱重、并用發(fā)光二極管顯示紅色警告信息，同時啟動抓拍系統(tǒng)，對違章車輛進行抓拍；對于不超重車輛則綠燈亮，允許車輛通過。2.2 設計的基本思路在高速公路測重檢測區(qū)，設置4個相同的壓力傳感器，其分布如圖1所示。當車輛進入檢測區(qū)，車輪壓向承載板時，4個壓力傳感器輸出與車輪壓力對應的電壓信號，經(jīng)OP27差分比較器放大后，把模擬信號傳輸ADC0809轉換成數(shù)字信號。然后把數(shù)字信號傳輸給單片機AT89S52進行處理。通過單片機判斷運算，對于不超重車輛，傳送信號給發(fā)光二級管使綠燈亮，允許車輛通過；對于超重車輛，

15、則傳送信號給發(fā)光二級管使紅燈亮，同時用LED顯示其車重，并且輸出一路信號啟動抓拍系統(tǒng)（抓拍系統(tǒng)不做）。本次設計只是模擬其原理，考慮到條件有限，只用了一個傳感器檢測其壓力信號，如圖1中填充部分。 壓力傳感器 承載板 圖1 壓力傳感器設置示意圖2.3 方案比較和論證2.3.1控制器方案一 基于51系列單片機來實現(xiàn)。目前單片機技術比較成熟，功能強大，比較大的尋址空間，被測信號經(jīng)放大整形后送入單片機，由單片機對測量信號進行處理并根據(jù)相應的數(shù)據(jù)關系通過LED數(shù)碼管顯示出被測物體的重量。單片機控制適合于功能比較簡單的控制系統(tǒng),而且其具有成本低,功耗低,體積小算術運算功能強,技術成熟，尋址范圍廣，易于產(chǎn)品開

16、發(fā)等優(yōu)點。方案二 采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)為控制核心采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)為控制核心，利用EDA軟件編程，下載燒制實現(xiàn)。系統(tǒng)集成于一片Xilinx公司的Spartan系列XC2S100E芯片上，體積有所減小、邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍廣等特點，可實現(xiàn)大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路。本次設計沒有必要用這個測量頻率范圍大，編程靈活等特點的高集成芯片，況且成本比較高，不適合產(chǎn)品的開發(fā)。因此，我們決定采用方案一，即采用51單片機為控制核心。2.3.2前級放大器壓力傳感器輸出的電壓信號為毫伏級，所以對運算放大器要求很高。我們考慮可以采用以下幾種方案可以采用：方案一 利用普通低溫漂運

17、算放大器構成多級放大器。普通低溫漂運算放大器構成多級放大器會引入大量噪聲。由于A/D轉換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精度。所以，此中方案不宜采用。方案二 由高精度低漂移運算放大器構成差動放大器。差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放(如OP07)做成一個差動放大器。優(yōu)點：輸入級加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級為差動放大電路，滑動變阻器R6可以調節(jié)輸出零點，最后一級可以用于微調放大倍數(shù)，使輸出滿足滿量程要求。輸出級為反向放大器，所以輸出電阻不是很大，比較符合應用要求。方案三 采用專用儀表放大器INA126實現(xiàn)。此芯片內部采用差動輸入，共模抑

18、制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單。但成本很高，不易于開發(fā)。基于以上分析，我們決定采用方案二實現(xiàn)前級放大功能，既能保持精度，又方便實現(xiàn)。 2.3.3 A/D轉換器由上本設計使用的壓力傳感器和精度的分析可知：A/D轉換器誤差應在以下8位A/D精度：10Kg/256=0.04Kg ；12位A/D精度：10Kg/4096=2.44g方案一 逐次逼近型A/D轉換器，如：ADC0809等。逐次逼近型A/D轉換，一般具有采樣/保持功能。采樣頻率高，功耗比較低，是理想的高速、高精度、省電型A/D轉換器件。高精度逐次逼近型A/D轉換器一般都帶有內部基準源和內部時鐘，根據(jù)系統(tǒng)的要求，8

19、位AD足以滿足精度要求，太高的精度就反而浪費了系統(tǒng)資源。所以此方案是理想的選擇。方案二 雙積分型A/D轉換器：如：TLC7135/ICL7135、ICL7109等。雙積分型A/D轉換器精度高，但速度較慢(如：TLC7135),具有精確的差分輸入，輸入阻抗高（大于103M），可自動調零，超量程信號，全部輸出于TTL電平兼容。雙積分型A/D轉換器具有很強的抗干擾能力。對正負對稱的工頻干擾信號積分為零，所以對50HZ的工頻干擾抑制能力較強，對高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零，對輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻信號的影響。故而采

20、用雙積分型A/D轉換器可大大降低對濾波電路的要求。作為高速公路超重檢測系統(tǒng)，對A/D的轉換速度要求并不高，精度上8位的AD足以滿足要求。8綜合的分析其優(yōu)點和缺點，我們最終選擇了方案一，即使用ADC0809對信號進行A/D轉換。3 系統(tǒng)構成本系統(tǒng)由壓力傳感器，儀器放大器，模數(shù)轉換器，繼電器，單片機，LED數(shù)碼管組成，變壓器，如圖2所示。壓力傳感器放大器數(shù)模轉換單片機AT89S52I/O接口按鍵顯示接口LED顯示車輛施壓 圖2 系統(tǒng)結構3.1 壓力傳感器 3.1.1傳感器的定義人們通常將能把非電量轉換為電量的器件稱為傳感器，傳感器實質是一種功能塊，其作用是將來自外界的各種信號轉換成電信號：它是實現(xiàn)

21、測試與自動控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對原始參數(shù)進行精確可靠的測量，那么，無論是信號轉換或信息處理，或者最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制部將無法實現(xiàn)。同時傳感器技術是現(xiàn)代信息技術的主要內容之。3.1.2傳感器的作用（1）信息的收集科學研究中的計量測試，產(chǎn)品制造與銷售中所需的計量等都要由測量而獲得準確的定量數(shù)據(jù)對某種特定要求，需檢測目標物的存在狀態(tài)，把某狀態(tài)的信息轉換為數(shù)據(jù)：對系統(tǒng)或裝置的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，也由傳感器來實現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)異常情況時，發(fā)出警告信號并啟動保護電路工作。這樣可以對系統(tǒng)或裝置進行正常運行與安全管理。判斷產(chǎn)品是否合格，或人體某部位的異常診斷等都需由傳感器的測量來完成。（2）信息數(shù)據(jù)的交換

22、把以文字、符號、代碼、圖形等多種形式記錄在紙或膠片上的信號數(shù)據(jù)轉換成計算機、傳真機等易處理的信號數(shù)據(jù)。或者讀出記錄在各種媒介體上的信息并進行轉換。例如，磁盤與光盤的信息讀出磁頭就是一種傳感器。（3）控制信息的采集。檢測控制系統(tǒng)處于某種狀態(tài)的信息，并由此控制系統(tǒng)的狀態(tài)，或者跟蹤系統(tǒng)變化的目標值。3.1.3傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、傳感元件和測量電路三部分組成有時還加上輔助電源。通常可用方塊圖來表示，如下圖3所示： 圖3 傳感器構造圖3.1.4傳感器的分類傳感器的分類見表3.1所示：3.1.5傳感器設計要點根據(jù)以上對傳感器相關知識的介紹，我們可以明確傳感器是測量、控制系統(tǒng)的入口，必須具備良

23、好的性能。在設計中，應該注意以下要點：(1)輸入和輸出之間成比例，直線性好、靈敏度高、分辨力強、測量范圍寬。(2)滯后、漂移誤差小，(3)動態(tài)特性良好。(4)功耗小。(5)時間老化特性優(yōu)良，抗腐蝕性強。(6)與被測體匹配良好，即不因接入傳感器而使被測對象受到影響，受被測量之外的量影響小。(7)體積小、重量輕、價格低廉。(8)故障率低，易于校準和維修。(9)由于傳感元件的輸出信號一般比較小，為了便于能夠驅動控制電路，在傳感器電路中還應該包括放大器。鑒于上述選擇要點，采用的LS-1型傳感器，外觀如圖4所示，他是一種應變片式專用壓力傳感器，其中包括電阻應變片、彈性體和檢測電路幾個主要的部分電阻應變片

24、 電阻應變片是把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底上，即成為一片應變片。他的一個重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。彈性體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(chǎn)生反作用力，達到相對靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個高品質的應變場（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應變片比較理想的完成應變棗電信號的轉換任務。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?yōu)殡妷狠敵?。因為惠斯登電橋具有很多?yōu)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。分類方法傳感器的種類說 明按輸入量分類位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感

25、器等傳感器按被測物理量命名按工作原理分類應變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式等傳感器以工作原理命名按物理現(xiàn)象分類結構型傳感器傳感器依賴其結構參數(shù)變化實現(xiàn)信息的變化物性型傳感器傳感器依賴其敏感元件的物理特性來實現(xiàn)信息的變化按能量關系分類能量轉換型傳感器傳感器直接將被測量的能量直接轉化成輸出量的能量能量控制型傳感器由外部供給傳感器能量，而由被測量來控制輸出能量按輸出信號分類模擬式傳感器輸出量為模擬量數(shù)字式傳感器輸出量為數(shù)字量表3.1 傳感器的分類圖4 LS-1型傳感器3.2 儀器放大器采用OP27 OP27是一種超低噪聲、高精度運算放大器，具有很低的輸入失調電壓和漂移。OP27的優(yōu)良特性使它特別

26、適合作前級放大器，放大微弱信號。使用OP07一般不用考慮調零和頻率問題就能滿足要求。主要特點： 低輸入失調電壓：75uV(最大) 低失調電壓溫漂：1.3uV/(最大) 低失調電壓時漂：1.5uV/月(最大) 低噪聲：0.6uV P-P(最大) 寬輸入電壓范圍：±14V 寬電源電壓范圍：3V18V3.3 模數(shù)轉換器采用A/D0809 A/D轉換器是測控系統(tǒng)中將模擬信號轉換成數(shù)字信號的重要器件。A/D轉換器的常用技術有：計數(shù)式A/D轉換；逐次逼近型A/D轉換；雙積分式A/D轉換；并行A/D、串/并行A/D轉換及V/F變換等。在這些轉換中，主要區(qū)別是速度、精度和價格，一般來說速度越快、精度

27、越高則價格也就越高。逐次逼近型A/D轉換既照顧了轉換速度，又具有一定的精度，是目前應用最多的一種。在對體積要求不高的應用中，可采用由運放、模擬開關等組成的雙積分式A/D轉換電路，在速度、精度和價格上具有一定的優(yōu)勢。V/F轉換器是輸出信號的頻率隨輸入電壓而變化的器件，測出輸出的頻率即可求出所對應的模擬量，它常用于要求A/D輸出端引線較少的場合。通過以上綜合比較，我們選用集成A/D芯片ADC0809，ADC0809具有8路模擬量輸入，可在程序控制下對任意通道進行A/D轉換，輸出8位二進制數(shù)字量。其結構框圖如圖所示。芯片的主要部分是一個8為逐次逼近式A/D轉換器。為了能實現(xiàn)8路模擬信號的分時采樣，片

28、內設置了8路模擬選通開關以及相應的通道地址鎖存及譯碼電路。轉換的數(shù)據(jù)送入三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器。ADC0809外部引腳如圖5所示，其引腳功能為：IN7IN0：8路模擬量輸入端，在多路開關控制下，任一時刻只能有一路模擬量實現(xiàn)A/D轉換。A、B、C：多路開關地址選擇輸入端，當取值000111時，與A/D轉換對應的通道為IN0IN7。ALE：地址鎖存輸入線，該信號的上升沿可將地址選擇信號A、B、C鎖入地址寄存器。START：啟動轉換輸入線，該信號的上升沿用以清楚A/D內部寄存器，其下降沿用以啟動內部控制邏輯，開始A/D轉換工作。EOC：轉換完畢輸出線，其上出現(xiàn)高電平時表示A/D轉換結束。OE：允許輸出控

29、制端，高電平有效。低電平時，數(shù)據(jù)輸出端為高電阻態(tài)；高電平時，將A/D轉換后的8位數(shù)據(jù)送出。CLOCK：轉換定時脈沖輸入端。它的頻率決定了A/D轉換器的轉換速度。使用頻率小于等于640kHZ，對應轉換速度大于等于100s。 Ref(+),ref(-)：是內部D/A轉換器的參考電壓輸入線。 VCC為+5V，GND為地。 圖5 ADC0809引腳結構圖3.4 繼電器 繼電器是一種電子控制器件，如圖6所示，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。本設計

30、選用的是HRS2H-S-DC5V繼電器，他是一種電磁式繼電器，由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。圖6 繼電

31、器3.5 單片機采用AT89S52 MCS-51單片機是美國INTE公司于1980年推出的產(chǎn)品，8051是MCS-51系列單片機中的早期典型代表產(chǎn)品，它內部集成了功能強大的中央處理器，包含了硬件乘除法器、21個專用控制寄存器、4kB的程序存儲器、128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器、4組8位的并行口、兩個16位的可編程定時/計數(shù)器、一個全雙工的串行口以及布爾處理器。我們采用的是AT89S52，外觀如圖6所示，是一種性能更強運算更快的升級產(chǎn)品，MCS-51系列單片機結構和功能基本相似，具有比較大的尋址空間，地址線寬達16條，即外部數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的尋址范圍達216=64kB，這作為單片機控制來說已是比較

32、大的，這同時具備對I/O口的訪問能力。因為MCS-51采用模塊化結構，因此可以方便地增刪一個模塊就可引腳和指令兼容的新產(chǎn)品。從而容易使產(chǎn)品形成系列化。圖6 MCS-51系列單片機3.5.1 MCS-51單片機的組成 MCS-51單片機包括CPU(進行運算、控制)、RAM(數(shù)據(jù)存儲器)、ROM(程序存儲器）、I/O口(串口、并口）、內部總線 和中斷系統(tǒng)等。組成框圖如圖7。圖7 MCS-51單片機組成框圖內部結構如圖8。圖8 MCS-51單片機內部結構結構圖（1）中央處理器（CPU）中央處理器有運算器和控制器組成。運算器組成：8位算術邏輯運算單元ALU（Arithmetic Logic Unit）

33、、8位累加器A（Accumulator）、8位寄存器B、程序狀態(tài)字寄存器PSW（Program Status Word）、8位暫存寄存器TMP1和TMP2等。功能：完成算術運算和邏輯運算。控制器組成：程序計數(shù)器PC（Program Counter）、指令寄存器IR（Instruction Register）、指令譯碼器ID（Instruction Decoder）、堆棧指針SP、數(shù)據(jù)指針DPTR、定時控制邏輯和振蕩器OSC等電路。功能：CPU根據(jù)PC中的地址將欲執(zhí)行指令的指令碼從存儲器中取出，存放在IR中，ID對IR中的指令碼進行譯碼，定時控制邏輯在OSC配合下對ID譯碼后的信號進行分時，以產(chǎn)

34、生執(zhí)行本條指令所需的全部信號。 （2）存儲器MCS-51的存儲器可分為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器,又有片內和片外之分。程序存儲器 一般將只讀存儲器（ROM）用做程序存儲器?？蓪ぶ房臻g為64KB，用于存放用戶程序、數(shù)據(jù)和表格等信息。數(shù)據(jù)存儲器一般將隨機存儲器（RAM）用做數(shù)據(jù)存儲器?？蓪ぶ房臻g為64KB。MCS-51數(shù)據(jù)存儲器可分為片內和片外兩部分。片外RAM：最大范圍：0000HFFFFH，64KB；用指令MOVX訪問。片內RAM：最大范圍：00HFFH，256B；用指令MOV訪問。又分為兩部分：低128B（007FH）為真正的RAM區(qū)，高128B（80FFH）為特殊功能寄存器（SFR）區(qū)。如右圖

35、9所示。圖9 片內數(shù)據(jù)存儲器的配置圖內部RAM的20H2FH單元為位尋址區(qū)，既可作為一般單元用字節(jié)尋址，也可對它們的位進行尋址。位地址為00H7FH。 CPU能直接尋址這些位（稱MCS-51具有布爾處理功能），位地址分配如3.2表所示。表3.2位地址分配表（3）特殊功能寄存器（SFR） MCS-51有21個特殊功能寄存器（也稱為專用寄存器），包括算術運算寄存器、指針寄存器、I/O口鎖存器、定時器/計數(shù)器、串行口、中斷、狀態(tài)、控制寄存器等，它們被離散地分布在內部RAM的80HFFH地址單元中（不包括PC） ，共占據(jù)了128個存儲單元，構成了SFR存儲塊。其字節(jié)地址可被8整除的SFR可位尋址。SF

36、R反映了MCS-51單片機的運行狀態(tài)。程序計數(shù)器PC（Program Counter） 程序計數(shù)器PC在物理上是獨立的，它不屬于SFR存儲器塊。PC是一個16位的計數(shù)器，專門用于存放CPU將要執(zhí)行的指令地址（即下一條指令的地址），尋址范圍為64KB，PC有自動加1功能，不可尋址，用戶無法對它進行讀寫，但是可以通過轉移、調用、返回等指令改變其內容，以控制程序執(zhí)行的順序。累加器A （Accumulator）累加器A是8位寄存器，又記做ACC，是一個最常用的專用寄存器。在算術/邏輯運算中用于存放操作數(shù)或結果。寄存器B寄存器B 是8位寄存器，是專門為乘除法指令設計的，也作通用寄存器用。工作寄存器內部R

37、AM的工作寄存器區(qū)00H1FH共32個字節(jié)被均勻地分成四個組（區(qū)），每個組（區(qū)）有8個寄存器，分別用R0R7表示，稱為工作寄存器或通用寄存器，其中，R0、R1還經(jīng)常用于間接尋址的地址指針。在程序中通過程序狀態(tài)字寄存器（PSW）第3、4位設置工作寄存器區(qū)。程序狀態(tài)字PSW （Program Status Word）程序狀態(tài)字PSW是8位寄存器，用于存放程序運行的狀態(tài)信息，PSW中各位狀態(tài)通常是在指令執(zhí)行的過程中自動形成的，但也可以由用戶根據(jù)需要采用傳送指令加以改變。其定義格式如表3.3所示。表3.3 PSW各位定義表其中：Cy：進借位標志； AC：輔助進借位標志； F0 ：用戶標志； RS1、R

38、S0：工作寄存器組（區(qū)）選擇（如下表所示）； OV：溢出標志位，有溢出時置1； P：奇偶標志位。A中有奇數(shù)個1時置1。數(shù)據(jù)指針DPTR（Data Pointer）數(shù)據(jù)指針DPTR是16位的專用寄存器，即可作為16位寄存器使用，也可作為兩個獨立的8位寄存器DPH （高8位） 、DPL （低8位）使用。 DPTR主要用作16位間址寄存器，訪問程序存儲器和片外數(shù)據(jù)寄存器。堆棧指針SP（Stack Pointer） 堆棧是一種數(shù)據(jù)結構，是內部RAM的一段區(qū)域。堆棧存取數(shù)據(jù)的原則是“后進先出”。堆棧指針SP是一個8位寄存器，用于指示堆棧的棧頂，它決定了堆棧在內部RAM中的物理位置。MCS-51單片機的堆

39、棧地址向大的方向變化（與微機堆棧地址向小的方向變化相反）。系統(tǒng)復位后，SP初值為07H，實際應用中通常根據(jù)需要在主程序開始處對堆棧指針SP進行初始化，一般設置SP為60H。 設立堆棧的目的是用于數(shù)據(jù)的暫存，中斷、子程序調用時斷點和現(xiàn)場的保護與恢復。I/O口專用寄存器（P0, P1, P2, P3）8051片內有4個8位并行I/O接口P0, P1, P2和P3，在SFR中相應有4個I/O口寄存器P0, P1, P2和P3。定時器/計數(shù)器（TL0, TH0, TL1和TH1）MCS-51單片機中有兩個16位的定時器/計數(shù)器T0和T1，它們由4個8位寄存器（TL0, TH0, TL1和TH1）組成，

40、2個16位定時器/計數(shù)器是完全獨立的?？梢詥为殞@4個寄存器進行尋址，但不能把T0和T1當做16位寄存器來使用。串行數(shù)據(jù)緩沖器（SBUF）串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF用于存放需要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，它由兩個獨立的寄存器組成（發(fā)送緩沖器和接收緩沖器），要發(fā)送和接收的操作其實都是對串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF進行的。（4）I/O接口I/O接口是MCS-51單片機對外部實現(xiàn)控制和信息交換的必經(jīng)之路，用于信息傳送過程中的速度匹配和增加它的負載能力。 8051內部有4個8位并行接口P0, P1, P2, P3，有1個全雙工的可編程串行I/O接口。（5）定時器/計數(shù)器 8051內部有兩個16位可編程序的定時器/計數(shù)器，

41、均為二進制加1計數(shù)器，分別命名為T0和T1。 T0和T1均有定時器和計數(shù)器兩種工作模式。在定時器模式下，T0和T1的計數(shù)脈沖可以由單片機時鐘脈沖經(jīng)12分頻后提供。在計數(shù)器模式下，T0和T1的計數(shù)脈沖可以從P3.4和P3.5引腳上輸入。對T0和T1的控制由定時器方式選擇寄存器TMOD和定時器控制寄存器TCON完成。 （6）中斷系統(tǒng) 中斷：指CPU暫停原程序執(zhí)行，轉而為外部設備服務（執(zhí)行中斷服務程序），并在服務完后返回到原程序執(zhí)行的過程。中斷系統(tǒng)：指能夠處理上述中斷過程所需要的硬件電路。中斷源：指能產(chǎn)生中斷請求信號的源泉。 8051可處理5個中斷源（2個外部，3個內部）發(fā)出的中斷請求，并可對其進行

42、優(yōu)先權處理。外部中斷的請求信號可以從P3.2, P3.3（即 和 ）引腳上輸入，有電平或邊沿兩種觸發(fā)方式；內部中斷源有3個，2個定時器/計數(shù)器中斷源和1個串行口中斷源。 8051的中斷系統(tǒng)主要由中斷允許控制器IE和中斷優(yōu)先級控制器IP等電路組成。MCS-51單片機外部引腳 ：MCS-51系列單片機中，各類單片機都是相互兼容的，只是引腳功能略有差異。MCS-51系列單片機引腳分為端口線、電源線和控制線三類。其引腳如圖7所示。圖7 MCS-51單片機外部引腳3.5.2電源線 GND：接地引腳。 VCC：正電源引腳。接5V電源3.5.3端口線 P0P3口：4×8=32條。（1）P0口（ P

43、0.0P0.7 ）8位雙向三態(tài)I/O口，可作為外部擴展時的數(shù)據(jù)總線/低8位地址總線的分時復用口。又可作為通用I/O口，每個引腳可驅動8個TTL負載。對EPROM型芯片（如8751）進行編程和校驗時，P0口用于輸入/輸出數(shù)據(jù)。（2）P1口（P1.0P1.7）8位準雙向I/O口，內部具有上拉電阻，可作為通用I/O口。每個引腳可驅動4個TTL負載。（3）P2口（P2.0P2.7）8位準雙向I/O口，內部具有上拉電阻，可作為外部擴展時的高8位地址總線。又可作為通用I/O口，每個引腳可驅動4個TTL負載。對EPROM型芯片（如8751）進行編程和校驗時，用來接收高8位地址。 （4）P3口（ P3.0P3

44、.7 ）8位準雙向I/O口，內部具有上拉電阻。它是雙功能復用口，作為通用I/O口時，功能與P1口相同，常用第二功能。每個引腳可驅動4個TTL負載。作為第二功能使用時，各位的作用如下表所示。3.5.4控制線 （1）RST/VPDRST/VPD引腳是復位信號/備用電源線引腳。當8051通電時，在RST引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。 （2）ALE/地址鎖存允許/編程引腳。當訪問外部程序存儲器時，ALE的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)，以便P0口實現(xiàn)地址/數(shù)據(jù)復用。當不訪問外部程序存儲器時，ALE端將輸出一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號。ALE/ 是復用引腳，其第二功能是對EPROM

45、型芯片（如8751）進行編程和校驗時，此引腳傳送52ms寬的負脈沖選通信號，程序計數(shù)器PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲器則把指令碼放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。（3） /VPP 允許訪問片外程序存儲器/編程電源引腳。對于片內無程序存儲器的MCS-51單片機（如8031）， 必須接地。片內有程序存儲器的MCS-51單片機（如8051）， 必須接高電平。 /VPP是復用引腳，其第二功能是片內EPROM編程/校驗時的電源線，在編程時，VPP腳需加上21V的編程電壓。（4）XTAL1和XTAL2 XTAL1腳為片內振蕩電路的輸入端，XTAL2腳為片內振蕩電路的輸出端。805

46、1的時鐘有兩種方式，一種是片內時鐘振蕩方式，但需在XTAL1和XTAL2腳外接石英晶體（頻率為1.212MHz）和振蕩電容，振蕩電容的值一般取1030pF，典型值為30pF；另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入，如下圖所示。 （5）片外ROM選通線。在執(zhí)行訪問片外ROM的指令MOVC時，8051自動在 引腳產(chǎn)生一個負脈沖，用于對片外ROM的選通。其他情況下，該引腳均為高電平封鎖狀態(tài)。 3.6 LED數(shù)碼管 將發(fā)光二級管做成段狀并按數(shù)碼形式組合即構成LEC段狀數(shù)碼管。在單片機應用系統(tǒng)中最常用的是七段LED。在生產(chǎn)數(shù)碼管時，為了減少引線數(shù)目，通常將發(fā)光二極管的

47、所有陽極或陰極連在一起作為公共端引出，也就構成了共陽極型與公陰極型的兩種LED數(shù)碼管。 通常的七段數(shù)碼管中有8個發(fā)光二極管，其中7個發(fā)光二極管構成“8”字型，1個發(fā)光二極管用來顯示小數(shù)點。七段LED數(shù)碼管的顯示可采用硬件譯碼如二七段譯碼邏輯芯片74LS47、74LS49等直接譯碼顯示，也可以采用軟件譯碼，用I/O線直接控制顯示，即將欲顯示數(shù)碼管所構成對應段的發(fā)光二極管點亮即可。3.7 變壓器 本設計選用的是將220V轉變成12V的小型變壓器。變壓器是電工、電子技術中常用的電氣設備，它是由兩個耦合線圈在一個共同的心子上制成，其中，一個線圈作為輸入，接入電源后形成一個回路，稱為原邊回路（或初級回路

48、）；另一個線圈作為輸出，接入負載后形成另一個回路，稱為邊回路（或次級回路）。為了使司機和工作人員能看到車輛車載信息，我們采用發(fā)光二級管發(fā)出警告信息，進去測試區(qū)車輛的單軸軸載沒有超重時，發(fā)光二級管綠燈亮，允許車輛通過；對于超重車輛，發(fā)光二級管紅燈亮，同時用LED顯示其車重（單軸軸載），輸出一路信號啟動抓拍系統(tǒng)（抓拍系統(tǒng)不做）。實際應用中可用多組發(fā)光二級管作為紅綠信號燈發(fā)出警告信息，并且用LED點陣構造的漢字提醒司機是否超重，設置了超亮大型數(shù)碼管顯示器。顯示器可由74HC164驅動，靜態(tài)顯示。4 硬件電路設計4.1 設計使用的基本知識介紹我們在學校里學到的幾乎都屬于基本知識，它是指最基礎的東西，我

49、們只有掌握了它才能作更深一步的學習。在實際的應用中，基本知識的掌握程度至關重要，它影響到應用的好壞。本設計應用到的基本的硬件和軟件知識將在本節(jié)里作簡單的介紹。 本設計用到的硬件知識主要有：模擬電子技術、數(shù)字電子技術、電子線路的設計與調試、單片機的輸入輸出、串口通信技術、ADC0809模數(shù)轉換器的使用方法。 在模擬電子技術方面，主要用來放大傳感器檢測信號和驅動發(fā)光二極管以顯示傳感器檢測到車輛軸載。數(shù)字電子技術用來把模擬量轉換成數(shù)字量，把從傳感器檢測到的模擬量轉換成數(shù)字值。利用單片機實現(xiàn)綜合控制。4.2 芯片介紹及相關電路模塊設計集成塊出現(xiàn)使硬件電路設計更加簡單易懂，從而得到了廣泛的應用。在這次畢

50、業(yè)設計中用到的主要芯片有單片機89S52、模數(shù)轉換器ADC0809、LED數(shù)碼顯示器等。下面詳細介紹它們具體的應用方法。4.2.1測重傳感器電橋原理圖 按照設計的要求，只能模擬其測重原理，我們選用的傳感器是湖南宇航科技限公司生產(chǎn)的LS-1型傳感器，其工作原理：外界的作用力使傳感器的彈性梁發(fā)生形變，隨之使貼在彈性梁部位的應變片也發(fā)生阻止變化，四個應變片是接成橋式測量電路，在激勵電壓的作用下，輸出信號也發(fā)生正比的變化（電量）。傳感器的精度直接影響稱量的精度。表1為稱重傳感器的技術指標。其量程為20Kg，精度為±，滿量程時誤差0.002Kg。其原理如圖8所示。靈敏度mv/v1±0

51、.10（13kg）2±0.10（625kg）非線性%FS±0.02重復性0.02蠕變%FS/30min±0.02零點輸出%FS±1零點溫度系數(shù)%FS/10±0.02輸入電阻420±15輸出電阻350±3絕緣電阻M5000供橋電壓V10(DC/AC)MAX:15(DC/AC)溫度補償范圍1050允許溫度范圍2060允許過負荷%FS150連接電纜mm4×400連接方式輸入：紅（）、黃（） 輸出：藍（）白（）表1 LS-1型傳感器的技術指標圖8 稱重傳感器電橋原理圖LS-1稱重傳感器是利用電阻應變原理構成，當外力F直接作

52、用在貼有R1，R2，R3，R4四片應變的彈性體上時，彈性體發(fā)生變形，電阻應變片的阻值發(fā)生變化，致使電橋發(fā)失去平衡，在R1、R3輸入額定橋壓時，R2、R4上剛有與外力成正比的電壓信號輸出。輸出信號電壓可由下式給出： 4.3 前端信號放大處理電路圖當汽車以10km/h的速度通過測重板時，1只輪胎通過測重板的時間為0.1s，在這段時間采樣200個點，可以得到采樣值v和時間t的關系曲線如圖所示。由圖可以看出，此曲線近似梯形。又由于壓力傳感器輸出的信號為毫伏級信號，比A/D轉換器的輸入信號低2-3個數(shù)量級，故需要設計一個前置放大器。經(jīng)過方案比較和論證，我們選擇了儀用放大器op07，構成一個前級差分比較放

53、大電路和后級反向比例運算放大電路。其電路原理圖如圖2.2.1所示。（參考）動態(tài)測重曲線圖2.2.1 前置放大硬件電路圖圖中，通過運放電路設置了固定的放大倍數(shù)。其放大增益為 微弱信號和被分別放大后傳送給A/D0809的IN0腳，A/D轉換器0809的輸入電壓變化范圍是0+10V，傳感器的輸出電壓信號在020mv左右，因此放大器的放大倍數(shù)在1000左右。由于要對壓力傳感器的輸出的微弱信號放大1000倍，所以本設計采用兩極放大，前級差分比較放大電路，后級反向比例運算放大電路。 4.4 A/D0809轉換電路A/D0809是一個8位逐次逼近式A/D轉換器，轉換時間為100S。3.3.1其工作原理：是由地址鎖存信號ALE的上升沿將引腳ADDA、ADDB和ADDC上的信號鎖存到地址寄存器內用以選擇模擬量輸入通道；START 信號的下降沿啟動A/D轉換器開始工作；轉換結束時，ADC0809使EOC引腳由低電平變成高電平，程序可以通過查詢EOC讀取轉換結果，也可以通過中斷方式讀取轉換結果。CLOCK為轉