机动车超载检测系统说明书.docx
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机动车超载检测系统说明书
摘要
本设计为机动车超载检测系统的设计，要求能够判断机动车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；所得的载重量与键盘设定值作比较，判断是否超载，若超载显示超载的重量并报警。
下位机与上位机的通讯遵循MODBUS通讯协议，生成标准通信数据包，数据包通过M-BUS总线送入上位机。
关键字：
AT89C51单片机；超载检测；称重传感器；A/D转换；显示；
Abstract
Thedesignforthemotoroverloaddetectionsystemdesign,requirestodeterminewhethermotoroverloadsandwhenoverloadsgivesanalarmanddisplaystheweightofoverloading.ThisdesignusesAT89C51microcontrollerasthecoresystemprocessing,theuseofabridgeloadweighingsensorWPL110changedmotorweightintovoltagesignals;thenthevoltagesignalviaamplifiercircuitandsenttoA/DconverterchipTLC0838intodigitalsignalsandcalculatestheload;obtainedthroughtheRS485interfacecircuitloadtothehostcomputer,thehostcomputerandthesetingloadforcomparisonandtodeterminewhethertheoverload,ifoverloadshowstheweightandgivesanalarm.Underamachineandtheuppermachinecommunicationfollowmodbuscommunicationprotocols,generationstandardcommunicationspacket,packetsthroughtheM-BUSbusintotheuppermachine.
Keyword:
AT89C51microcontroller；Overloadingdetector；Weighingsensor；A/Dconverter；Show；
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1选题背景1
1.2主要设计（研究）内容2
1.3系统主要技术指标2
1.4解决的关键问题2
第二章系统总体结构方案设计3
2.1系统总体结构及其功能3
2.2方案设计3
2.2.1方案一3
2.2.2方案二4
2.3方案的论证4
2.3.1AVR系列4
2.3.251系列5
2.4方案的确定5
第三章系统的硬件设计7
3.1单片机7
3.2采集模块8
3.2.1惠斯登电桥8
3.2.2称重传感器WPL1109
3.2.3Op07芯片11
3.2.4TLC0838芯片13
3.2.5小结15
3.3键盘模块16
3.4显示模块17
3.5通讯模块18
3.5.1RS-485的优点18
3.5.2MAX485芯片19
3.6看门狗模块20
3.6.1MAX813L芯片20
3.6.224C02芯片23
3.7报警模块24
3.8电源模块24
第四章软件设计26
4.1系统主程序的设计26
4.1.1设计思想26
4.1.2资源分配26
4.1.3主程序流程图26
4.2参数恢复子程序的设计27
4.2.1设计思想27
4.2.2资源分配28
4.2.3参数恢复子程序流程图28
4.3看门狗中断子程序的设计30
4.3.1设计思想30
4.3.2资源分配30
4.3.3看门狗中断子程序流程图31
4.4通讯子程序的设计32
4.4.1设计思想32
4.4.2资源分配33
4.4.3通讯子程序流程图33
4.5键盘子程序的设计34
4.5.1设计思想34
4.5.2资源分配35
4.5.3键盘子程序流程图35
4.6采集子程序的设计36
4.6.1设计思想36
4.6.2资源分配36
4.6.3采集子程序流程图37
4.7显示子程序的设计38
4.7.1设计思想38
4.7.2资源分配38
4.7.3显示子程序流程图39
第五章总结40
5.1系统先进性40
5.2系统局限性40
参考文献41
英文原文及翻译43
原文43
翻译49
致谢53
附录54
1程序清单:
54
（1）主程序：
54
（2）恢复参数子程序：
55
（3）看门狗中断子程序：
58
（4）通讯子程序：
58
（5）键盘子程序：
59
（6）采集子程序：
60
（7）显示子程序：
63
2元器件清单:
64
第一章绪论
1.1选题背景
车辆超载是指运输车辆所载的货物质量超过了额定装载质量的情况,车辆超载有着以下危害：
1．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.容易引发道路交通事故，汽车超载之后，车辆处于超负荷状态行驶，会导致车辆的制动和操作性等安全性能迅速下降，表现为轮胎变形爆胎、刹车失灵、转向器轻飘抖动、钢板弹簧折断、半轴断裂等等。
据统计载重货车道路交通事故中有80%以上是由于超载运输所造成的。
可见对于如何限制汽车超载的研究对道路的保养和减少交通事故有极其重要的意义。
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。
1.2主要设计（研究）内容
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）具备掉电参数保护功能，上电后参数恢复功能；
（3）能够遵循RS-485通讯网络协议，生成标准MODBUS通信数据包。
1.3系统主要技术指标
本系统所实现的主要技术指标如下:
（1）参数测量误差范围为不大于±1%；
（2）监控数量：
32台；
1.4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。
（3）键盘输入。
键盘用来设定上限值和解除报警。
（4）超载报警和显示。
系统超载要发出报警并显示超载量。
（5）掉电保护。
在一些测控系统中，存在电源开断、瞬时电压不稳等不安全因素，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。
（6）与上位机的通信。
第二章系统总体结构方案设计
2.1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
本设计为机动车超载检测系统的设计，要求能够判断机动车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；所得的载重量与键盘设定值作比较，判断是否超载，若超载显示超载的重量并报警。
下位机与上位机的通讯遵循MODBUS通讯协议，生成标准通信数据包，数据包通过M-BUS总线送入上位机。
2.2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。
2.3方案的论证
2.3.1AVR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（R0～R31），前16个寄存器（R0～R15）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R16～R31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）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。
2.3.251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20H～2FH，它既可作字节处理，也可作位处理，使用极为灵活。
AVR系列单片机不能直接对RAM单元中的位进行操作，若想对RAM中的某位置位时，必须通过状态寄存器SREG的T位进行中转。
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）。
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μA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1.5～1.8V）。
2.4方案的确定
本次设计采用51系列AT89C51单片机，选用它作为
核心控制芯片，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。
a）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200ms；独立的看门狗输出，如果看门狗输入在1．6s内未被触发，其输出将变为高电平；1.25V门限值检测器，用于电源故障报警、电池低电压检测或＋5V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。
b）传感器的选择：
桥式称重传感器有WPL110、CL110等,CL110的额定载荷是10～30t，而WPL110的额定载荷 是10～50t ，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10～50t，综合精度达到0．02（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700Ω，输出阻抗是750 Ω，安全过载：
150％F?
S，供桥电压为12VDC。
c）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A／D和串行A／D。
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A／DTLC0838。
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0～5V：
输进和输出与TTL、CMOS电平兼容；时钟频率为250kHz时，其转换时间为32μs；总调整误差为±1LSB。
d）显示器的选择：
本设计采用LED（LightEmittingDiode），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；
e）通讯模块的选择：
本设计采用RS-485通讯网络协议，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。
f）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，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。
第三章系统的硬件设计
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。
图3.1系统硬件框图
下面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。
3.1单片机
AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和系统可编程Flash，使得AT89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
芯片图如图3.2所示。
3.2采集模块
3.2.1惠斯登电桥
1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=R'≠R时，称为输出对称电桥；当R1=R4=R，R2=R3=R'≠R时，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。
本设计采用全桥方式。
3.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ΔR1=ΔR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+ΔR,R2=R-ΔR,R3=R+ΔR,R4=R-ΔR，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770Ω，输出阻抗是700Ω，即ΔR=70Ω，输入电压U=12V，代入公式1-3-3可知，电桥的输出电压
即电桥输出电压范围是0—1V.已知TLC0838的输入电压是0—5V，故需将电压放大5倍。
3.2.2称重传感器WPL110
1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，以保证传感器的使用安全和寿命。
传感器型式的选择主要取决于称量的类型和安装空间，保证安装合适，称量安全可靠；另一方面，要考虑厂家的建议。
厂家一般会根据传感器的受力情况、性能指标、安装形式、结构型式、弹性体的材质等特点规定传感器的适用范围，譬如铝式悬臂梁传感器适用于计价秤、平台秤、案秤等；钢式悬臂梁传感器适用于料斗秤、电子皮带秤、分选秤等；钢质桥式传感器适用于轨道衡、汽车衡、天车秤等；柱式传感器适用于汽车衡、动态轨道衡、大吨位料斗秤等。
所以，采用的传感器满足仪表输入灵敏度的要求，能够与所选仪表匹配。
满足整台电子秤准确度的要求。
一台电子秤主要是由秤体、传感器、仪表三部分组成，在对传感器准确度选择的时候，应使传感器的准确度略高于理论计算值，因为理论往往受到客观条件的限制，如秤体的强度差一点，仪表的性能不是很好、秤的工作环境比较恶劣等因素都直接影响到秤的准确度要求，因此要从各方面提高要求，又要考虑经济效益，确保达到目的。
4称重传感器的基本应用
称重传感器主要应用在各种电子衡器、工业控制领域、在线控制、安全过载报警、材料试验机等领域如电子汽车衡、电子台秤、电子叉车、动态轴重秤、电子吊钩秤、电子计价秤、电子钢材秤、电子轨道衡、料斗秤、配料秤、罐装秤等。
综合考虑以上因素，本设计采用桥式称重传感器WPL110。
桥式称重传感器WPL110.具有大力值、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。
适用于汽车衡、轨道衡以及各类电子衡器等。
WPL110的技术参数如表1所示：
表1WPL110的技术参数
型号
WPL110
量程
10～50t
综合精度
0．02（线性+滞后
升级会员 