基于单片机的汽车动态称重系统设计.doc
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计算机控制技术课程设计
计算机控制技术
课程设计
成绩评定表
设计课题基于单片机的汽车动态称重系统设计
学院名称：
电气工程学院
专业班级：
自动化0604
学生姓名：
王晓娅
学号：
20064280429
指导教师：
王黎
设计地点：
中原路校区2-417
设计时间：
2010-01-04～2010-01-10
指导教师意见：
成绩:
签名：
年月日
25
计算机控制技术
课程设计
课程设计名称：
基于单片机的汽车动态称重系统设计
专业班级：
自动化0604
学生姓名：
王晓娅
学号：
20064280429
指导教师：
王黎
课程设计地点：
中原路校区2-417
课程设计时间：
2010.01.04—2010.01.10
计算机控制技术课程设计任务书
学生姓名
王晓娅
专业班级
自动化0604
学号
20064280429
题目
基于单片机的汽车动态称重系统设计
课题性质
工程设计
课题来源
自拟
指导教师
王黎
主要内容
（参数）
本设计提出的汽车动态称重系统采用电阻应变式称重传感器搭建称重平台，设计了信号放大电路、AD转换电路、信号采集电路、单片机控制电路和通信电路，给出了信号流程图。
分析汽车的运动状态与动力特性，得出包括汽车速度、汽车振动、地面不平整等影响汽车动态称重的一系列因素，然后提出动态称重系统的设计思想，采用六面三维简化模型，分析汽车行进过程中振动产生的种类和原因，并从硬件和软件两方面找出提高动态称重精度的有效措施。
任务要求
（进度）
第1天：
熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。
第2天：
确定设计方案。
要求对设计方案进行分析、比较、论证，画出方框图，并简述工作原理。
第3-4天：
按照确定的方案设计单元电路。
要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。
第5天：
撰写课程设计报告。
要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于6000字。
主要参考
资料
[1]赵丽娟，邵欣.基于单片机的温度监控系统的设计与实现.机械制造，2006，44
（1）
[2]陈道炯，高上忠，高志峰，魏群．车载动态称重系统的研究．汽车技术，2008，6：
8—12
[3]李月华．道路超载车辆的动态称重设计．科学之友：
B版，2008，5：
59—60
[4]许嘉．汽车动态称重信号分析与处理：
[上海交通大学硕士学位论文]．上
海交通大学，2005
[5]汪兆栋，李霆，黄日辉，阜艳．动态称重系统的试验数据采集与处理方法．
科技信息，2008，9：
10-1l
审查意见
系（教研室）主任签字：
年月日
摘要
道路运输车辆超载现象极为普遍，公路动态称重是目前高速公路管理一项必不可少的技术。
其能有效减缓公路路面的损耗、节约公路养护成本、减少因超载而引起的交通事故，与税务系统相结合，还能防止国家税收的大量流失。
目前，公路车辆动态称重的目的大体可分为-①贸易结算；②法令规定的强制计量；③交通数据的采集。
上述不同的目的的称重对于称重系统的量要求也不相同。
贸易称重用于车辆进行整车称重，要求误差小；法定强制称重包括检测整车重以及轮荷、轴荷、轴组荷，用于这一目的的称重，每次称量的误差也较小，而且需要在不同的位置设置大量的检测仪，便于执法人员发现超载；交通数据的采集包括各种车辆的重量、轴载、速度、轴距、车辆类型等交通数据，对高速公路的规划、设计、建造、运行、维护、管理以及投资都必不可少，用于此目的时，大量低精度的采样数据相对于少量高精度的采样数据，在分析中能提供更好的预测资料。
世界上经济发达的国家都很重视车辆动态称重技术的研究，动态称重系统简称WIM（weigh—in．motion），随着计算机处理数据能力的增强与数字信号处理方法的日益增加，许多信号处理理论用于改进汽车动态称重信号处理来提高处理的精度。
本设计的汽车动态称重硬件系统采用电阻应变式称重传感器搭建称重平台，设计了信号放大电路、AD转换电路、信号采集电路、显示电路、单片机控制电路和通信电路，给出了信号流程图并介绍了汽车动态称重软件系统。
关键词：
汽车动态称重；传感器；参数估计
目录
1引言 1
2总体方案设计 1
2.1硬件方案论证 1
2.2系统总体设计 5
2.3系统控制算法的设计 5
3系统单元电路的设计 7
3.1检测电路设计 8
3.2A/D转换电路设计 11
3.3微控制器的工作电路设计 12
3.4显示电路的设计 13
3.5通信模块设计 13
3.6系统抗干扰设计 13
4系统的软件设计 14
4.1系统主程序流程图 14
4.2A/D转换子程序 15
4.3数据采集子程序 16
4.4通信模块子程序 17
4.5显示子程序 18
4.6控制子程序 19
总结 21
参考文献 22
附录：
23
1引言
随着经济的发展和科技的进步，现代交通运输业飞速发展。
近几年来我国对公路基础设施特别是高速公路建设的力度逐年加大，交通运输业的发展无疑对国民经济建设起到了积极的推动作用，但是号称公路隐形杀手的营运车辆超载现象屡禁不止，其危害是多方面的，如加速损坏公路路面增加公路养护成本、使国家税费大量流失、造成交通事故频繁发生、严重的环境污染、加速车辆的损坏等等，因此，加强公路运输的管理、保障行车安全等问题也显得日趋重要，设计高精度的动态汽车衡，必将为公路运营部门治理超限超载和实施计重收费提供有效的技术手段。
同时提高动态称重的精度，提高称重时车辆通过速度、降低称重系统的成本仍是一个未能解决的问题。
如何设计出速度快、抗干扰能力强、准确度高的新型全自动汽车动态称重系统，对公路交通部门有效地实施超限计重管理，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。
对动态称重系统研究的要求是：
①精度高：
②便于移动；③测定时的有效性高；④耐久性，可靠性好；⑤测定时的易隐藏：
⑥便于维修保养：
⑦标定容易；⑧数据存贮可靠、容量大；⑨信息传递性好；⑩测定安全，总成本（设置费用、维修费用、测试费用）低。
与静态称重秤体结构不同的是，动态称重秤体不能自由浮动，而应该固定不动，以减缓车辆过衡时产生的水平方向的摇晃和振动。
如果可能的话，在垂直方向上也应该加以约束，以减小秤体的垂直方向上可能产生的较大的振动。
动态称重秤体结构的动态响应特性的设计也应该给予足够的重视。
合理地设计秤体结构的固有频率等动态参数，以得到较快的动态响应速度。
2总体方案设计
2.1硬件方案论证
对于动态称重系统来说，硬件系统是它的最基本的框架，是系统的所有功能的丛础。
硬件的选择和所选硬件的性能对系统的功能实现以及系统的精度都有直接的影响，系统的设计成功与否很大程度上取决于硬件系统的设汁。
本系统硬件方案论证包括单片机、公路动态称重系统的传感器、数据采集电路、数据接口及显示电路的选择。
2.1.1微处理器的选择
方案一：
8031芯片内部无ROM，需要外扩程序存储器,由此造成电路焊接的困难，况且使用8031还需要另外购买其他的芯片，如A/D转换及定时/计数器（PWM）等芯片，从而造成成本较高，性价比低。
方案二：
89C51芯片内部有ROM，且片内ROM全部采用FlashROM，它能于3V的超低压工作，与MCS-51系列单片机完全兼容，但是其不具备ISP在线编程技术，需把程序编写好以后再放到编程器中烧写，才可以进行硬件电路的调试，倘若程序编写出现问题，调试电路就比较麻烦，而且其芯片内存也只有4KB。
方案三：
由于所需程序空间比较大，要求微处理器包含比较大的内部程序存储器空间。
PHLIPS公司生产的P89C58X2单片机内部含有32K字节的FLASH程序存储器和256字节的RAM，可以满足设计需要。
所以我们选择P89C58X2作为系统微处理器。
2.1.2称重传感器的选择
测量重量的传感器有很多种，按工作原理分有弹性力平衡式压力传感器、感应式传感器、应变式传感器、压电式传感器、霍尔式压力传感器、电容式、光纤式、数字式传感器等。
方案一：
电位器式传感器广泛应用于各种场合，它主要是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为与他成一定函数关系的电阻或电压输出量的传感器元件。
电位器式传感器要求出入能量大，电刷雨点组之间容易磨损，故不选用。
方案二：
电阻应变片式传感器通常是由某些金属半导体材料制成。
它具有精度高、测量范围广，使用寿命长、性能稳定可靠，结构简单、尺寸小，重量轻，频率特性好，可在高低温、高速、高压、强烈震动、强磁场、核辐射和化学反应等腐蚀的恶劣条件下工作，很适合与露天动态称重，故本设计选用电阻应变片式称重传感器。
电阻应变式称重传感器的特点如下：
①精度高，测量范围广；②使用寿命长，性能稳定可靠；③可在高低温、高速、高压、强烈振动、强磁场、潮湿等恶劣环境正常工作；④结构简单，体积小，重量轻；⑤价格便宜，品种多样，便于选择和大量使用；⑥频率响应较好，即可用于静态测量又可用于动态测量。
总之，既要从各方面提高要求，又要考虑经济效益，确保达到高性价比。
从上述几点综合考虑，我们选用常用的电阻应变片称重传感器。
2.1.3显示器的选择
方案一：
LCD数码管液晶显示,由单片机驱动.它主要用来显示大量数据、文字、图形，能够显示的位数多，显示得清晰多样、美观，但同时液晶显示器的编写程序复杂，价格昂贵，从而降低了整个系统的性价比，故不采用此种方案。
方案二：
LED数码管显示器可分为两种显示方式：
静态显示和动态显示。
LED数码管静态显示，多片七段译码器驱动显示，这不仅增加了成本，还需要占用单片机多个I/O口，也给电路的焊接带来一定的困难，因此不选用这种方案作为显示模块，所以排除此方案。
方案三：
LED数码管显示器动态显示方式下，将所有位的段选线并联在起，由位选线控制哪位接收字段码。
采用动态扫描显示，也就是在显示过中，轮流向各位送出字形码和相应的字位选择，同一时刻只有一位显示，其他各位熄灭。
利用显示器的余晖和人眼的视觉暂留现象，只要每一位显示足够短，则人看到的就是无为数码管同时显示。
在动态显示方式下电路设计简单，故采用此方式。
2.1.4数据采集电路的选择
方案一：
并行通信是指一条信息的各位数据被同时传送的通信方式。
并行通信的特点是：
各数据位同时传送，传送速度快、效率高，但有多少数据位就需多少根数据线，因此传送成本高，且只使用于近距离（十几距数米）的通信，故不采用。
方案二：
串行通信是指一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通信方式。
串行通信的特点是：
数据位传送，按位顺序进行，最少只一需根传输线即可完成，成本低但传送速度慢。
串行通信的距离可以从几米到几千米。
由于串行通信方式具有使用线路少、成本低、特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用，因此本设计采用串行通信。
2.1.5数据接口的选择
在串行通信时，要求通信双方都采用一个标准接口，是不同的设备可以方便地连接起来进行通信。
当前流行的接口有：
RS-232-C和RS-485。
方案一：
RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。
在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。
RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50，75，100，150，300，600，1200，2400，4800，9600，19200波特。
RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制。
例如，采用150pF／m的通信电缆时，最大通信距离为l5m。
传输距离短的另一原因是RS一232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。
方案二：
RS-485总线，通信距离为几十米到上千米时，因此长距离要求时被广泛采用。
RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。
RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此发送电路须由使能信号加以控制。
RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。
应用RS一485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。
故本系统采用RS-485接口。
2.2系统总体设计
2.2.1系统的工作流程
（1）初始状态：
检测区通过地感线圈检测有无车辆。
（2）车辆驶入秤台，仪表接收到来自秤台的重量数据超过一定限定值时，系统自动进入动态称重方式。
（3）车辆通过秤台，仪表检测车重。
控制箱内的数据采集模块将称重称台传来的信号进行放大，并转换为数字信号送到计算机进行称重信号处理。
（4）计算机收到仪表传送的信息后，自动计算出轴超载量、总重超载量及相关内容，并进行记录与储存。
2.1.2系统的设计方案方框图
图2．1系统总体构造图
2.3系统控制算法的设计
车辆通过称重台时，由于自身结构、路面平整度等因素的影响，使称重系统受到动态干扰力。
设d（t）是反映车辆通过称重台台面过程中施加给台面的一个幅值为单位l的输入信号，w（t）为称重台面向下位移，M为称重台面质量，m为车辆真实载荷，k、c分别为称重传感系统结构的弹性系数和阻尼次数。
依照牛顿第二定律，可以对模型建立如下力学方程：
M*d2w（t）/d2t+c*dw（t）/d（t）+kw（t）=mgd（t）,
再进行拉氏变换，可以得出其传递函数为：
G（S）=W（S）/D（S）=mg/（MS2+cS+k）.
其中D（s），W（s）分别为输入信号和输出信号的拉式变换。
可见此称重系统为一二阶欠阻尼系统，系统无阻尼振荡频率（固有频率）为:
wn=（k/M）1/2，阻尼比为
ζ=c/（2（k/M）1/2）。
建立这个模型后，车辆驶入称重台相当于给此系统施加了一个信号mgd（t）。
综合分析汽车称重系统模型和实测数据后，可以发现车辆在称重台上所产生信号d（t）实为一梯形波。
梯形波的两腰分别对应车辆上下称重台的过程；中间平稳阶段即为车辆轮轴完全作用在称重台上的测量过程，有效采集数据存在于此段。
输入的信号d（t）的上升和水平阶段可以两个速度信号的叠加，据拉氏变换的叠加原理可得D（S）=1/（ε0*S*S）-e-Εs/（ε0*S*S）.
再依据拉氏变换的终止定理有：
w（+∞）=mg/k.
我们采用的控制算法是参数估计法。
参数估计法是一种系统辨识方法，它把动态测量作为一个参数估计和预测问题来处理，具体过程是：
首先依据车辆动态称重的先验知识，推导出一个含有未知参数的模型；其次用此模型去模拟动态称重过程中的输出信号，从而获得最小平方误差意义上的参数估计。
基于参数估计的系统辨识方法可由极短的轴重信号估计出模型参数和轴重值，而且具有较高的准确度，同时利用适当的辨识算法可以进一步减小速度对测量结果的影响，可以在车辆中速及高速的情况下使用此种方法。
其典型应用算法是最小二乘递推算法（RLS）。
该问题的典型提法是，根据随时间先后顺序所获得的测量值Zl、Z2、⋯、Zk，在线且实时地估计参数θ的值。
其中，测量值Zl、Z2、⋯、Zk是向量，待估参数θ可以是矩阵。
最小二乘递推算法RLS的基本思想可以概括成：
θk=θk-1+修正值；RLS算法的基本递推算式为：
θk=θk-1+Kk[Zk-hk*θk-1]；Kk=PK-1*hK[hkPk-1+1]；
Pk=[1-Kk*hk]*PK-1.
根据前次观测数据得到的Pk-1及新的测量数据，可以计算出Kk，从而由θk-1递推出θk，下一次的递推计算所需的Pk也可根据Pk-1，、和Kk等计算出来。
每一次递推计算过程中的信息变换。
图2.2RLS算法示意图
系统实际的输入信号是连续的，而计算机的处理是基于离散信号的，因此依据上面的微分方程将系统的传递函数离散化，得出下式：
G（Z）=（b0+b1Z-1+b2Z-2）/（1+a1Z-1+a2Z-2）,a1,a2，b。
，b1，b2为Z变抉的相关参数。
根据Z变换的中值定理，w（+∞）=（b0+b1+b2）/（1+a1+a2）；由此可知
mg/k=（b0+b1+b2）/（1+a1+a2）,经过变换计算可以得到具有理想精度的汽车质量m=（（b0+b1+b2）/（1+a1+a2））*（k/g）。
在采集到系统相关输出的基础上，依据RLS算法进行参数估计，可以快速的在线辨识出参数如，k也可以通过系统辨识标定出来。
3系统单元电路的设计
对于本系统，硬件系统的设计可分为以下几个部分：
机械部分和电器部分，我们关心的是电器部分。
电气部分包括检测电路的设计及其信号调理电路的设计、信号采集电路（A/D转换电路）设计、单片机最小系统设计、显示电路设计。
系统硬件的选择和设计按如下原则进行：
（1）精确性：
动态称重的目的是测量汽车重量，所以结果的精确性成为首要的原则。
若检测结果与真实值偏差过大，就达不到称重的最初目的，失去了称重的意义。
但是由于动态称重本身干扰因素太多的原因，就很难达到静态称重的精度，可以说，动称重是以牺牲一定的精度为代价来实现动态测量汽车重量的。
即使是这样，动态称重也应当保证一定的精度。
（2）经济性：
任何一项工程能否实现，经济条件都是重要的影响因素。
如何利用现有的有限资金和设备，建立车辆动态称重的硬件系统，是研究进行中需要随时考虑的问题。
在课题中，就需要合理的搭配各种元件的性能，在保证性能的前提下，尽量减少成本。
（3）可靠性：
保证在规定的条件下，系统能正常的运行，完成各项预定的功能。
（4）线长最短原则：
在动态称重系统设计时，应选择线长最短的方案。
所谓的线长最短，不单指系统设各的儿何尺寸上的线长最短，还包括在确保精度和可靠性的前提下，称重系统的组成环节，系统软件的组织形式等，应该简单明了。
系统的线长越短，可以使测量误差的因素较少，提高检测的精度：
机电元件减少，故障率降低，提高系统的可靠性：
环节减少，缩短流程，较少运行操作时间，提高系统的实时性。
3.1检测电路设计
3.1.1传感器电路设计
称重传感器位于称体之中，是整个硬件系统的起始部分，是构成系统信息输入的主要窗口，为系统提供赖以处理和决策控制所必需的原始信息。
它将车重信号转换成电压信号，动态称重系统信号检测中传感器的性能，直接影响称量精度，称重原理决定了传感器的选择或设计。
相当多的动态称重系统仍是采用通用的压力传感器，就通用传感器本身性能而言其动态特性完全可以满足车辆正常行驶时的信号检测。
选择传感器要考虑以下几点：
（1）数量的选择：
根据电子称重系统的用途、秤体需要支撑点数而定，一般地来说秤体有几个支撑点就选择几个传感器，使用时根据实际情况来确定。
（2）量程的选择：
根据被测压力的大小确定传感器的量程。
根据经验，一般应使传感器工作在其30％～70％的量程内，但对于一些在使用过程中存在较大冲击力的动态称重系统，在选择传感器时，一般要扩大其量程，使传感器工作在其量程的20％～30％之内，以增大传感器称重储备量，保证传感器的使用安全和寿命。
（3）准确度的选择：
称重传感器准确度等级的选择，以满足称重系统的准确度要求为准，切不可片面追求高的准确度等级。
（4）使用环境及介质性能的考虑：
根据环境条件和被测介质的性能综合选择。
电阻应变片式称重传感器包括两个主要可在部分：
一个是敏感弹性元件，利用它把被测的重量转换为弹性体的应变值。
另一个是电阻应变计，它作为传感元件将一个弹性体的应变同步地转换为电阻值的变化。
其基本原理是在一个弹性体上成对地纵向和横向贴上四个应变片，当弹性体受到重量F作用时，应变片将随之改变电阻值。
由于应变计是连接成平衡电桥式的，应变片电阻的变化将会引起电桥的平衡破坏，从而输出信号。
设K为电阻应变计的灵敏系数，K=（ΔR/R）/（Δl/l）本设计采用传感器，其主要技术参数如下：
①非线性度<0.05％；
②灵敏度1.2mV／V；
③重复性<0.01％F.S；
④滞后效应<0.03％F.S；
⑤绝缘电阻380Ω±20Ω，输出阻抗350Ω±10Ω；
⑥工作温度-10——+5℃；
⑦供桥电压：
4——24V。
3.1.2放大电路设计
由于称重传感器转换后的电压信号是幅度很小的毫伏级差动信号，很难直接
进行模数转换，因此需要对这一模拟电信号进行放大处理。
由于传感器信号放大
电路的设计对系统的精度有很重要的影响，因此尽量选用高增益、高输入电阻、低失调和高共模抑制比的仪表放大器。
在传感器信号放大电路中采用放大AD602。
AD602电路不复杂，同时该放大器具有很好的特性，温漂和电压失调参数很小。
AD602是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为l～1000的低功耗、高精度仪表放大器。
其主要特性如下：
①供电电源范围：
士2.3V——士l8V；
②最大供电电流：
13mA；
③最大输入失调电压：
125uV；
④最大输入失调电压漂移：
1uV/℃；
⑤最大输入偏置电流：
2nA；
⑥最小共模抑制比：
93dB（G=10）；
⑦建立时间：
15us。
AD620在它的输入端采用了超β处理，使其具有低输入偏置电流和低噪音，因而是一个很好的前置放大器。
低功耗的特性，使它非常适合于传感器接口。
其增益公式为：
RG=49.4/（G-1）KΩ。
其电路工作原理：
传感器电桥采用恒压源供电，激励电压为12V。
本电压由精密稳压电源提供。
我们选用的称重传感器（10Kg）灵敏度为2mV／V，由于前面的分析，取5Kg作为最大称量，传感器输出电压范围为0～12mV。
AD的输入电压要求为0～l0V，所以考虑把传感器的输出信号放大到0～l0V范围内，放大倍数为833倍，但考虑到动态称量时汽车的动态峰值可能会大于汽车静态轴载，故放大倍数为750倍，同时考虑到去零电路，故采用两级放大电路。
考虑温度漂移会给放大电路带来影响，整个放大电路的电阻均采用低温度系数（5ppm）的高精密电阻。
（1）第一级放大电路
第一级采用差动放大电路，为了减小可调电阻的值，使得调试时容易调节放大倍数，采用两个电阻（一个阻值固定，一个阻值可调）来决定放大倍数。
其中RI=100，RPl为200的可调电阻。
本级放大倍数为250。
（2）第二级放大电路
由于传感器可变电阻的不平衡及称重台的重力，造成无汽车时传感器仍有输出，由于输出电压非零值，A／D转换器的输出显示的是该电压对应的数字量。
单片机把这一数字量作为零点，进行零点标定，这样很大一部分数据单元就被占据。
如果进行调零，使从零到最大运算数都
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