毕业设计（论文）-道路超载车辆随机动态检测系统硬件设计.doc

道路超载车辆随机动态检测系统硬件设计摘 要随着我国经济建设的深入发展，城市公路、高速公路、路桥干线、支线，交叉厂矿、港口等货物装载运输进口出口对称重系统提出了更高的要求。传统的静态磅秤系统需要从正常行驶的车流中拦截和引领一部分车辆到静态称重场地进行称重检查，而且必须停放在磅秤上，其称重耗费的时间长，对车辆正常营运造成了影响，因此出现了动态称重系统。本系统采用单片机作为核心元件，实现检测随机车辆包括客车货车等的载重状况，并且附带显示数据信息，发出超载警报，语音提示，存储时间，车型牌照等信息。且系统性能稳定、可靠、方便、价格便宜，便于大规模推广使用。关键词: 检测技术，动态称重，SPCE061A The Hardware Design of Dynamic Random Examination System of Overloaded Vehicles On The WayAbstractWith the in-depth development of Chinas economic construction, urban roads, highways, bridges link, extension, cross - factories and mines, ports and other import export goods loaded on the transport system placed a higher demand. Traditional static weighing system requires a normal vehicle travelling in the vehicle stopped and take part in static weighing venues weighing inspection, and must be parked in scale, the entrenched long-time, the normal operation of the vehicle impact, resulting in a dynamic weighing system. The system uses single-chip microcomputer as the main core of the system of achieving random testing of vehicles including buses, trucks load conditions, and fringe shows data, overloading warning issued, voice tips, storage time, information such as vehicle licence. System performance and stability, reliable, convenient and cheap prices, so facilitate the promotion of large-scale use.Keywords: Examination technology, Dynamic weighing, SPCE061A目 录1 绪论 11.1 选题的目的和意义 11.2 车辆超载检测系统简介 11.3 国内外称重系统的发展状况 31.4选题的技术背景 42 检测技术与动态称重概述 62.1 检测技术 62.2 动态称重 62.2.1 运动状态分析 72.2.2 干扰运动产生原因 82.2.3 影响精度的时间轴因素 82.2.4 抑制干扰的措施 92.3 几种动态测试方式及系统 92.3.1 算术平均测试系统 92.3.2 位移积分测试系统 102.3.3 FIR 数字滤波测试系统 103 系统方案设计 113.1 本设计的主要任务和要求 113.2 动态称重系统总体设计 123.3 硬件设计 124 单片机的选用及连接 144.1 单片机的发展 144.2 单片机的选用 144.3 核心处理芯片SPCE061A简介 154.3.1 SPCE061A管脚功能 154.4 SPCE061A的应用 214.5 SPCE061A的最小应用系统 21第 页 共 页5 键盘电路设计 235.1 键盘概述 235.2 键盘功能设置 246 液晶显示器设计 266.1 液晶概念及工作原理 266.2 LCD模块芯片选用及SED1520介绍 276.3 本设计LCD显示器电路 307 外扩存储器设计的设计 317.1 K9F1208存储器简介 317.1.1 K9F1208芯片说明和连接 327.1.2 K9F1208特性介绍 337.2 K9F1208时序流程图 338 电源模块设计 348.1 电源电路 348.2 电路分析 34结束语 35附录 36参考文献 37致谢 49英文文献原文译文第 页 共 页1 绪论1.1 选题的目的和意义 随着我国经济的迅猛发展，公路运输业成为国民经济中的支柱产业之一，运输车辆的数量也在成几何基数增长。虽然国家明令禁止运输车辆严禁超载，但在利益的驱动下，超载现象屡禁不止，并有愈演愈烈的之势，由此带来的交通事故也是大幅度增长；同时超载对公路的破坏也是越来越严重，国家和人民的生命和财产安全受到极大的威胁。公路上行驶的超载车对公路有多大破坏力？科研人员研究后得出结论，超过飞机降落时对地面的冲击力：据交通部公路司有关负责人介绍，按照规定，中国载货车辆的轮胎，对路面的压强一般应控制在0.7MPA以内。但是，中国目前检测到的超载车辆，对路面的轮胎压强高达1.2MPA，超过飞机降落时对地面的冲击压强。 研究还发现，当汽车轴载超过标准轴载一倍时，行驶公路一次，相当于标准车辆行驶沥青路面256次，行驶水泥混凝土路面65536次。 目前，中国监测到的车辆最大单后轴载重达24吨，这种车辆行驶水泥公路一次，相当于标准车辆行驶121万多次。据报道，在山西由于超载造成的路桥损坏一年带来7个多亿的损失；在河北，政府每年需拿出40亿修补超载破坏的公路；在山东、天津等地，超载在给国家带来的损失也是数以亿计；去年一年，死亡十人以上的交通事故58起，超载造成的事故28 起，占50%1。血的事实告诉我们，一定要采取一定的措施杜绝超载现象的发生。以前交通稽查部门对超载车辆的检查一般是通过目测的方式，这就使得许多超载的车辆逃脱了检查，造成了潜在的危险与破坏。随着科技的发展，许多称重装置应运而生。例如车辆轴载质量测定仪正是基于以上实际情况，从方便实用的角度进行研究设计的便携式仪器，只要车辆通过两个很薄、很轻的秤台，就可以测得轴载质量、总质量及是否超载的信息。车辆超载是造成公路加速损坏的重要原因，交通部2000 年2号令超限运输车辆行驶公路管理规定于2000 年4 月1 日起执行，规定对各类车辆的轴载质量作了明确规定并指出“公路管理机构可根据需要在公路上设置车辆轴载质量及车货总质量检测装置，对超限运输车辆进行检测（第20 条）”， 违反规定擅自超限运输的，“县级以上交通主管部门或其授权委托的公路管理机构应责令承运人停止违法行为，接受调查、处理，并可处30000元以下罚款。对公路造成损害的，还应按公路赔（补）偿标准给予赔（补）偿（第22 条）。” 为了配合规定的实施，依据交通部对车辆轴类型及轴载质量的标准，我国准备研制符合管理规范要求的全自动公路动态轴重超限管理系统，为交通部门实施有效的超限管理提供了强有力的手段。“车辆超限检测系统” 是根据交通部超限运输车辆行驶公路管理规定设计的。系统具备在单车道全天候、全自动、全天24小时不间断地对通过车辆进行动态自动检测功能。检测内容包括车辆的长度、高度、宽度、总重量、单轴载质量、双联轴载质量、三联轴载质量等指标。系统稳定可靠，检测结果准确。检测数据和超限报警信号可以传输到几百米外的公路交通检查站，根据检测结果自动操纵通行标志栏杆、进行语音提示、信息显示等，从而对超限车辆进行相应地罚款和处理。检测数据可存入公路交通运输管理数据库，为公路损坏状况评估、公路养护维修计划安排提供科学的依据2。1.2 车辆超载检测系统简介“车辆超限检测系统”是为北京交通系统提供的公路运输车辆自动检测解决方案，该解决方案的一个具体应用现正在铁路系统实施，并已通过铁道部组织的技术审查会。该系统的主要功能：（1） 自动判断货车的长、宽、高三维尺寸是否超限，并给出超限的具体数据和超限部位。（2） 动态检测通过车辆的重量，可检测出轴重、轴数、轮数、轴距、车速等，可达到超限运输车辆行驶公路管理规定对于车辆分轴限重的规定的要求。（3） 自动对通过检测系统的车辆进行车辆种类识别。（4） 自动触发摄像机，对超限车辆进行拍照，作为图像证据，可进一步用于车牌号码识别。（5） 所有检测的数据存入数据库中，可以对监测数据进行统计、分析。便于日常管理和汇总上报或进行查询。统计内容和报表格式可由公路管理部门用户自行定义，按照常用报表以固定报表格式输出。（6） 可以将超限车辆的超限情况、处理记录输出打印，根据超限程度按照规定计算罚款数额并打印罚款单或收据。该系统的适用范围：（1） 城市公路的必经通道路口，加强对进城汽车车辆的控制管理。（2） 高速公路两个收费检查站之间的区域，加强对高速公路汽车行驶过程中的控制管理。（3） 合资经营或股份制经营的路桥干线、支线交叉路口，可利用车流量通过总重等辅助结算。（4） 厂矿、港口等货物装载运输进口出口，可进行装载限界、超偏载检查及运输货物称重结算。（5） 养路收费制度改革的试点公路，由按照不同车种的名义允许载重量收费改为按照货车通过的实际通过重量收费，由粗放型管理向精细型经营管理改变3。1.3 国内外称重系统的发展状况 为了减少超载车辆对道路基础设施的严重破坏，各国都在寻找有效的技术手段。传统的方法对超载车辆的监测主要由静态磅秤完成，但这种系统不可能对全部通过道路的车辆实施检测，往往只能抽取很小的一部分来进行，于是研究开发更加有效的车辆称重设备和技术成为许多国家的道路管理部门的科研重点，也是当务之急。在相当长时期内，静态称重磅秤一直是车辆超载检查的唯一技术装备，但是，这种称重装置在工作时，需要从正常行驶的车流中拦截和引领一部分车辆到静态称重场地进行称重检查，而且车辆必须停放在磅秤上，因此，其称重耗费的时间长，对车辆正常营运造成了影响，故随着交通量的不断增长和超载现象的蔓延，这种传统检测手段已难以达到有效监测的目的。美国自上个世纪50年代开始着手研究车辆在正常行驶速度下测定车重的动态称重系统；到70年代和80年代，嵌入式或外置式道路传感器进入商业应用；90年代中期动态称重系统(WIM，或称为不停车称重检测系统)开始成为美国联邦公路局(FHWA)的研究目标。同样，70年代欧洲各国(尤其法国和英国)也开始开发动态称重系统，并于1992年推荐列入欧盟(EC)支持的优先研究项目(即“运输科学和技术合作”)(COST323，WIMLOAD。19931998)。目前，全世界大约有1 000个装备有动态称重系统的大型车重检查站点，其中美国约占45，欧洲为30。澳大利亚为15。动态称重系统(WIM)可以克服静态磅秤耗时长、效率低和应用范围有限的缺点，但也存在着不足，即不能像静态称重系统那样可以通过磅秤检查、建立、储存和检索其他有关信息，这些信息包括客户、产品、货物承运人、司机身份证、车辆注册、挂车标志牌、牵引车和挂车总重、供应商和目的地等。当然如果结合使用视频装置，动态称重系统也可获得上述某些信息4。动态称重系统分为车载动态称重系统以及安装在路面和桥梁的动态称重系统等。前者根据车内设备获取的作用力和加速度测量值，来测定车辆的总重；后者通过安装在路面上、路面内或者桥梁结构内的传感器测定车轮作用力，再经过适当的算法计量相应的静态载荷。 根据适应车辆通过速度的不同，路面动态称重系统还可以划分为两种基本类型：低速动态称重系统(LSWIM)和高速动态称重系统(HSWIM)。低速动态称重系统安装在规定的称重场地，当驶离交通流的车辆以低于15kmh的速度通过时， 即可测定车辆重量。这种系统的精度，足以满足车辆超载执法工作和道路收费标准的要求。高速动态称重系统安装在行车道内，它可连续收集汽车在正常车速下通过时的车重、车速、行驶时间、车轴构型和交通量结构。高速动态称重系统的主要优点是，所有汽车的相关信息可以在很少或不中断交通流的条件下进行记录。这种系统所提供的信息，还可用于路面、桥梁和道路管理中的统计计算。后一类的精度不如前者，但是，它可以在不停车的情况下对所有车辆进行记录。按照安装底座划分，高速动态称重系统有路面底座和桥梁底座两类。路面用动态称重系统的传感器设置在路面上，或嵌入路面内，在车辆以正常的行驶速度通过传感器时，记录轴重。上述动态称重系统的传感器，可以根据其宽度划分为两大类：弯曲板式传感器和带式传感器。带式传感器仅能覆盖整个轮胎胎面的一部分，车轮的载荷是根据作用在带式传感器相应车轮部分瞬间信号的合成进行测量的。近年来的研究表明，动态轴重的测定可以结合采用多个传感器单体组成的阵列加以改进。这种方法称之为多传感器动态称重系统(MSWIM)5。1.4 选题的技术背景电子技术的迅速发展，单片机技术的出现给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。目前，单片机以其高可靠性、高性能价格比，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用，并已走入家庭，洗衣机、空调等，到处都可见到单片机的踪影。特别是20世纪90年代初，随着微型技术的飞跃发展，微控制器的性能不断提高，这促使单片机（即微控制器）技术获得广泛的应用，并且以单片机为基础的分布式自动控制系统，在当时是计算机控制系统的发展趋势，至今也是方兴未艾。这种控制系统具有许多优点，如：各个控制功能的分散使得每台微机的任务相应减少，功能更明确，组成更简单，可靠性更高；在多机系统中，各台微机并行工作，大部分采集和控制功能都分散到各个系统中，运行速度快；开发、维护、扩充方便。单片机是将微处理器、一定容量的RAM和ROM以及I/O口、定时器等电路集成在一块芯片上构成的单片微型计算机。且单片机设计灵活，安装便捷，造价低，便于大量推广使用。随着计算机技术、传感器技术、电子技术的不断发展，用传感器采集控制对象的信息，经过放大滤波，并进行适当的转换得到相应的测量值，再把测量值送到单片机进行数据处理，根据处理结果推动相应的执行机构现实对控制对象的调节、控制在许多领域都得到了广泛的应用，这些都使得超载动态检测系统的设计成为可能。正是基于这样的技术背景，本设计提出了利用单片机作为控制核心，配合其他的电路来实现超载的自动检测。2 检测技术与动态称重概述2.1 检测技术检测技术是以研究检测系统中的信息提取信息转换以及信息处理的理论与技术为主要内容的一门应用科学。检测技术属于信息科学的范畴，与计算机技术、自动控制技术、通信技术构成完整的信息技术学科。检测技术研究的主要内容是被测量的测量原理测量方法测量系统和数据处理四个方面。测量方法按照测量手段分为直接测量间接测量和联立测量；按测量方式分类有偏差式测量，零位式测量和微差式测量；测量系统是测量仪器的有机组合，其构成有敏感元件，变量转换环节，变量控制环节，数据传输环节，数据显示环节，数字处理环节。自古以来，检测技术就已经渗透到人类的生产活动、科学实验和日常生活的各个方面。工业生产领域内广泛应用检测技术来测量生产过程中的有关参数和进行反馈控制，以保证其处于最佳最优状态；在科学研究领域内，人们通过观察、实验、运用以有的知识和经验对结果进行分析、对比、概括、推理，发现新规律，上升为理论。这个过程取决于检测技术的水平。从这个意义上说，科学的发展、突破是以检测技术的水平为基础的，反过来科技的发展有促进检测技术的发展；现代日常生活更离不开它，如现代化起居室中的温度、湿度、亮度、防火、防盗等的测试、控制都需要各种测试技术。尤其是自动化生产过程中要求参数的检测能自动进行这时就产生了自动检测系统。与传统的检测系统比较现代检测系统是通过将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，利用计算机系统丰富的软硬件资源达到检测自动化、智能化的目的6。2.2 动态称重概述车辆动态称重，即在非停车的运动状态下的称重，与停车状态下的静态称重相比，其主要特点是节省时间，效率高，使得称重时不至于造成对正常交通的干扰。这对公路建设与管理有着极为重要的意义，同时对车辆运输现代化管理也有较大的促进作用。目前较为流行的是轴重称量轴重仪，即分别测出车辆各轴载荷，再由测试系统计算出整车重量。在静态称重时，车辆的轮胎平稳的作用于轴重仪称台上除真实轴重外，无任何其它外力干扰，因此可以实现高精度测量。动态称重时，车辆以一定速度通过轴重称量平台，不仅轮胎对平台的作用时间很短（在几百毫秒以内），而且作用在平台上的力除真实轴重外，还有许多因素产生的干扰力，如：车速车辆自身谐振路面激励轮胎驱动力等。可以说真实轴重被淹没在各种干扰力中，给动态称重实现高精度测量造成很大困难。因此，在外界随机不确定度干扰力作用下如何准确测量真实轴重，就成了动态轴重测试系统的技术难点和关键。就所存在的干扰进行整理分析综合，从动态测试系统的整体角度探讨能减小或消除这些干扰力影响程度的措施和测试方式，无疑有助于高精度动态称重技术的进步及测试系统的发展。车辆的运动，狭义来讲，只是其沿行使方向的移动；广义来讲，则不仅仅只是沿行使方向的移动，在所有方位上都有着不同形式的运动。运动是力存在的表现形式，有运动就有力的存在这些力将影响动态称重的准确程度。为分析方便，用一个六面体来代表行使车辆，并将其放置在三维坐标系中（如图2.1 所示）。设x 方向为行使方向，研究其在不同方位的运动，分析各种干扰力极其影响程度，探讨抑制各种干扰力的措施。2.2.1 运动状态分析 图 2.1 运动着车辆有如图 2.1所示的四种状态：绕x 轴的滚动；绕y 轴的俯仰；绕z 轴的旋转；分别沿xyz 轴的单方向移动。（1） 滚动 表示在同一个轮轴上的重量从一个车轮向另一个车轮转移。在轴重称量中，由于同轴上的两轮同时称重，故绕x 轴方向的滚动造成的重量分布变动不会影响重量读数。（2） 俯仰 表示重量从前轴转移到后轴或反之。由于轮轴之间重量的转移，很有可能造成重量的偏差。例如，在前轴称重瞬间，车的前端下俯，其重量读数会偏大；随后，后轴驶入平台，车的后端恰好也下俯，则读数也偏大，因此，其总重量也偏大。遇到上仰的情况时，则重量读数会偏小。（3） 旋转 表示在水平面上的运动。荷重传感器对水平力并不敏感，假如称重平台上水平约束器保持水平，则作用在约束器上的力将不会产生垂直分力而影响传感器测量。因此，如果实际情况确实如此，那么在xy 方向上的运动也将不会影响重量读数。（4） 起伏 表示沿z 轴的上下运动。很显然这种运动将影响重量读数，因此，它会象俯仰一样产生垂直分力。通过上述分析可以看出，在四类运动中，只有俯仰和起伏两类运动影响称重精度。2.2.2 干扰运动产生原因（1） 行使速度 尽管行使速度是导致车辆产生两类运动的根源，图2.1 以六面体代表的车辆运动状态但它仅仅属于必要条件，而非充分条件。（2） 路面不平整度 路面不平，地面会通过轮胎对行使车辆产生向上的激励，导致车辆的两类干扰运动，并且运动程度与不平整度成正比。（3） 加速度 由于车辆自身悬架轮胎等弹性元件的存在，运动着的车辆不能作为一个简单物体看待。当车辆加速或者减速时，弹性元件就会储存或释放一定能量，使车辆自身产生震动或震荡，将伴随两类干扰运动。2.2.3 影响精度的时间轴因素（1） 称台宽度 对于轴重测试，称台不可能做的太宽。车速高，称台称重时间短，反映真实轴重就困难。（2） 车速 各车辆通过称台的速度不可能一致，使得称重时间区段长短相差很大，造成数据采集处理难度较大。2.2.4 抑制干扰的措施（1） 路面 在称台前必须配置平坦的路面（引桥），其长度最好大于十个车辆长度以上。称台应安装在混凝土基础上，该基础与称台两边延伸的混凝土道路做成一体。（2）车速 车辆驶入引桥后，应避免加速或减速，以减少俯仰和z 轴移动，使车辆在无外力影响下匀速通过称台。2.3 几种动态测试方式及系统两类运动干扰力的存在很有可能淹没轴重信号，通过采取上述措施能减少或避免这些干扰力带来的测试误差（系统误差）。由于车辆自身弹性元件和车轮不平整量的存在，以及行使状态下发动机高速运转，使得车辆本身存在多种能量形式。这就给动态测量引入了随机误差，它是车速的函数。要减少随机误差就需从测试方式与测试系统入手，研究高精度测试系统。2.3.1 算术平均测试系统所谓算术平均，即对传感器输出信号进行多次快速数据采集，然后取算术平均值作为测试结果，以期虑除随机误差。该测试系统基于高速A/D 转换器与单片机数据采集处理功能。当车轮通过称台时，单片机在称重时区段内通过高速模数转换器对传感器输出信号进行自动快速采集，并将多次采集的数据进行预处理和存储，然后取算术平均，其结果认为是在动态下测试的轴重。从理论上来讲，该系统应能保证一定的测量精度。但是，在实际操作中，会受到若干条件限制（如称量时间较短模数转换不够快），致使车辆通过速度上限与称量精度相矛盾。而且，由于称台较短，称重时间有限，所采数据不可能足够的达到精确平均值，有相当的偏差。因此，依此测试方式研制的轴重仪比较适合于静态称重或低速准动态称重（限速称重）。2.3.2 位移积分测试系统由于干扰因素的存在，使行驶车辆在某些固有频率下震动。当车辆通过称台时对称台的作用力波形将由两部分组成，即与轴重成正比的静态分量和由各种谐波成分组成的动态分量。80 年代，日本提出了一种位移积分法的测试方式，较好的解决了虑除动态分量干扰问题，大大提高了动态轴重称量精度。其原理大致是：将称的输出对一小段位移（L1）沿其长度（L）积分，L1 的两端是通过对称的前后排传感器的输出进行比较给定的。图2.2 示出了称重的典型波形，图中阴影部分面积用于该测试方式中的计算，以得到接近于轴重的静态分量，消除动态分量7。动态分量在积分区间被比较理想的平均了，使车辆震荡造成的干扰影响很小。由于积分是对前后排传感器的输出做出的比较后划分的位移区段进行的，因此即使车辆在较高车速下行使，仍能保证有较高的测试精度。但其实现起来比较麻烦。. 图 2.2 2.3.3 FIR 数字滤波测试系统这种数字滤波方法具有滤波效果好，可以得到很好的线性相位，滤波参数修改方便，而且容易实现等优点。由于FIR 算法的运算量比较大，如果单纯用单片机来实现很难做到实时处理，所以我们可用一种采用现场可编码门阵列器件（FPGA）并利用窗函数法实现线性FIR数字滤波器的设计，并利用单片机用来做一些辅助工作。FPGA既具有门阵列的高逻辑密度和高可靠性，又具有可编码逻辑器件的用户可编程特性，可以减少系统设计和维护的风险，降低产品成本，缩短设计周期。在实际应用中，为了减少逻辑资源的占有量和提高系统的运行速度，对FIR滤波器需要进行优化处理。一般采用的优化主要有两种：一种是对表达式进行优化，另一种是在FPGA实现中利用特有的查找表进行优化。以上分析了在汽车运行过程中有关测试系统的参数的确定及几种测试系统的比较。这在动态称重系统的信号来源与处理中是必要的。3 系统方案设计3.1 本设计的主要任务和要求 本文所设计的动态称重系统针对以往称重装置的局限性而设计，可以用于不能测量或不便测量的场合。作为一种随机路况检测超载的自动化设备，要求系统稳定可靠，检测结果准确可操作性极高，方便，快捷，体积小，实用性广。它要实现的功能比较明确，就是检测随机车辆包括客车货车等的载重状况，并且附带显示数据信息，发出超载警报，语音提示，存储时间，车型牌照等信息。检测数据和超限报警信号可以传输到公路交通检查站，根据检测结果自动操纵通行标志栏杆、进行语音提示、信息显示等，从而对超限车辆进行相应地罚款和处理。检测数据可存入公路交通运输管理数据库，为公路损坏状况评估、公路养护维修计划安排提供科学的依据。硬件系统设计原则：（1） 经济合理性:在系统硬件设计中，提高性价比是最基本的设计准则。在实际设计中也要无时无刻不遵循这一准则，即在满足性能指标的前提下，尽可能降低价格，这是社会市场经济发展的必然要求。（2） 可靠性及抗干扰能力:由于工作现场可能是比较差的路况，干扰源多，因此必须提高系统特性，如超载保护措施，保证输入、输出通道正常工作。（3） 整个系统相关器件要尽可能做到性能匹配,如选择CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应选择低功耗产品，否则综合性能将会降低。（4） 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑，应综合考虑系统响应速度、实时要求等相关的技术指标。（5） 单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力，可以利用总线驱动器或者减少芯片功耗以降低总线负载。3.2 动态称重系统总体设计根据本文设计的动态称重系统要实现的功能，对系统进行总体设计，其组成和工作原理如图3.1所示：键 盘图3.1设计总框图上图为总体设计的数据流向总框图，它清晰的表明了信号数据从采集转换处理显示的全过程，整个系统分为三个模块：（1） 信号采集：在这一模块中，称重传感器中的模拟信号被放大采集并转换为数字信号，以便单片机处理。（2） 信号处理：在这一模块中，单片机把输入的数字信号按指定程序进行运算处理，得出结果，并实现人机通讯。（3） 终端显示：在这一模块中，要把由单片机得出的结果和载重信息进行输出，并显示到液晶显示屏上，以使工作人员根据显示结果做出相应处理。 在本设计系统中主要包括单片机、数据输入、键盘设置和液晶显示部分。 3.3 硬件总体设计硬件设计是本设计的重点，针对上述功能及可靠性、成本和方便操作等因素，设计除了主控制器外，至少还要包括输入设备和显示设备。系统采用凌阳科技股份公司的SPCE061A单片机作为主控制器，显示通过SED1520来实现，系统的硬件结构框图如图 3.2所示。图 3.2系统硬件结构图（1） SPCE061A单片机作为主处理器，处理由传感器传来的信号及对称重系统做出控制，其内置七通道10位ADC电路，可以方便地实现输入由传感器传来的信号；（2） 外部储存器K9F1208可根据实际控制程序添加，如不需要则利用SPCE061A单片机内置32K闪存FLASH存储空间即可。但如要存储大量的资源，就要外扩存储器； （3） 电源用5V直流电源接SPY2009来给整个系统提供工作电源；（4） 键盘用来为称重系统设定一些参数和功能，比如设置数字键、复位功能、检测功能等；（5） 显示部分选择LCD显示器，用来显示称重信息和车型信息；（6） SPCE061A内置两路10位DAC，只需外接功放电路即可完成语音输出，如喇叭。可用于播报超载信息，此部分不是本文设计的重点，所以简单了解。4 单片机的选择及连接4.1 单片机的发展所谓单片机，是指在一块芯片中集成有中央处理器、存储器、基本I/O接口以及定时器/计数器等部件，并具有独立指令系统的智能器件。单片机也称 “单片微型计算机”、“微处理机”、“嵌入式微控制器”，单片机一词最早源于 “Single Chip Microcomputer” ， 简称SCM.。在单片机诞生时，SCM是一个准确的、流行的称谓， “单片机”一词准确的表达了其内涵。后来国际上逐渐用“MCU”来代替，形成了单片机世界公认的、最终统一的名词。为了与世界接轨,以后应将中文 “单片机”一词和 “MCU”唯一对应翻译。在国内因单片机一词已经约定成俗，故可继续沿用8。目前单片机已成为工业控制、尖端武器、日常生活最常使用的计算机，因而学习和掌握单片机原理及应用已是刻不容缓的事情了。单片机作为微型计算机一个重要分支，应用面很广，发展很快，自单片机诞生至今的近30年中，其发展为上百种系列的近几千的机种。专家认为虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但客观发展表：80C51系列单片机以成为单片机发展的主流。在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者。1998年以后80C51系列单片机又出现了一个新的分支，称为89系列单片机。这种单片机是美国Atmel公司率先推出的，它的最突出优点是把快擦写存储器应用于单片机中。这使得系统开发过程中修改程序十分容易，大大缩短了系统的开发周期。同时，在系统工作过程中，能有效的保存数据信息，即使断电也不会丢掉信息。除此，AT89系列单片机的引脚和80C51是一样的，所以当用89系列单片机取代80C51时，可以直接进行代换，并且也可以不更换仿真机。由于上述明显优点，AT89系列单片机很快在市场拖颖而出。AT89系列单片机的成功使得几个著名的半导体厂家也相继生产了类似的产品，如Phlips的P89系列、美国SST公司的SST89系列、华邦公司的W78系列等。这些产品主要功能相似，但也各具特色。 目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，今后单片机的发展趋势是进一步向CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几方面发展。随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高，体积将更小，功能将更强。4.2 单片机的选用道路超载动态检测系统的硬件设计针对其实现的功能及可靠性、成本和方便使用、维护等因素，特别是想简化设计输入电路和放音功能，笔者综合考虑，单片机系统选择由台湾凌阳科技股份有限公司生产的十六位机SPCE系列高档型低功耗高性能芯片SPCE061A设计。此单片机内置8路10位ADC和2路DAC，避免了外接A/D转换芯片和D/A转换芯片，并且I/O接口比较多，易于扩展外围电路，开发板集成了语音播报的硬件，通过软件编程即可以用于语音采集和播报。集成开发环境中配有很多语音API函数，实现语音播放比较简单，另外方便的是该芯片内置在线仿真，编程接口，可以方便实现在线调试，这大大简化了系统的开发和调试的复杂度。这样可以直接方便的得到经传感器传来的模拟信号转化的数字信号，对于DSP系统处理信号带来了极大的方便。凌阳十六位单片机的特点：(1)体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展在SPCE061A把各功能部件模块化地集成在1个芯片里，内部采用总线结构，把各功能部件模块化地集成在一个芯片里，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。另外，模块化的结构易于系列扩展，以适应不同用户的需求。(2)低功耗、低电压SPCE061A采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。另外，SPCE061A的工作电压范围大（2.6 3.6 V9），能在低电压时正常工作，且能用电池供电。这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。(3)高性能价格比SPCE061A片内带有高寻址能力的ROM、静态RAM和多功能的I/O口。另外，凌阳科技CPU的指令系统提供出具有较高运算速度的16位16位的乘法运算指令和内积运算指令，使得SPCE061A运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的DSP芯片廉价。(4)具有较强的中断处理能力SPCE061A中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。(5)功能强、效率高的指令系统SPCE061A的指令系统,指令格式紧凑，执行迅速。为缩短开发产品商品化的时间，指令结构提供出对高级语言的良好支持。4.3 核心处理芯片 SPCE061A 简介4.3.1 SPCE061A管脚功能图4.1 SPCE061QFP80 封装排列图 图4.2 PCE061APLCC84封装排列图SPCE061A有两种封装片，一种为84个引脚，PLCC84封装形式；它的排列如图4.2所示；另一种为80个引脚，LQFP80封装。它的排列如图4.1所示。在PLCC84封装中，有15个空余脚，用户使用时这15个空余脚悬浮10。在LQFP80封装中有9个空余脚， 用户使用时这9个空余脚接地。此处以LQFP80封装管脚功能介绍：表4.1 SPCE61A管脚功能表 管脚名称 管脚功能IOA0IOA15 (4148.5360) I/OA口,16个IOB0IOB15 (518.176.6864) I/OB口,16个OSCI 13振荡器输入,采用石英晶振时,接晶振OSCO 12振荡器输出,采用石英晶振时,接晶振RES-B 6复位信号输入端,低电平有效ICE-EN 16ICE使能端,接在线调试器PROBE的使能脚ICE-EN ICE-CLK 17ICE时钟端,接在线调试器PROBE的使能脚ICE-CLK ICE-SDA 18ICE数据端,接在线调试器PROBE的使能脚ICE-SDA PVIN 20程序保密设定电源输入脚PFUSE 29程序保密设定输入脚DAC1 21音频输出通道1DAC2 22音频输出通道2VREF2 23 2V参考电压输出脚AGC 25 语音输入自动增益控制引脚OPI 26Microphone第二级运放输入脚MICOUT 27Microphone第一级运放输入脚MICN 28Microphone正向输入脚MICP 33Microphone负向输入脚VRT 35A/D转换参考电压输入脚VCM 34ADC参考电压输出脚VMIC 37Microphone电源SLEEP 63睡眠状态指示,当CPU进入睡眠状态时,输出高电平VCP 8锁相环压控振荡器阻容输入端XROMT PVPP XTEST(61.69.14)出厂测试用管脚,使用时悬空即可VDDH （51.52.75）I/O电平参考电压输入端,当输入参考电压为5V/3.3V时,I/O输入高电平为5V/3.3VVDD 7锁相环PLL电源VSS 9锁相环PLL地VSS （19.24）模拟信号地VSS (38.49.50.62) 数字信号地VDD 15.36数字信号电源4.3.2 SPCE061A性能简介 SPCE061A的结构框图如图4.3所示：FLASH16位微处理器Unsp TM串行输入输出接口低电压检测/低电压复位32管脚通用输入输出端口ICE_EN双16位定时器/计数器时基中断控制RAMICE_SCKICE_SDA7通道ADCMIC镇相环振荡器CPU时钟实时时钟 Vcp双通道DACXI/RAUI XO AUI AIOA15-0 IOB15-0图4.3 SPCE061A内部结构框图12（1） CPU SPCE061A配备了凌阳科技开发的最新的16位微处理器，其内部含有8个寄存器，4个通用寄存器R1R4，1个程序计数器PC，1个堆栈指针SP，1个基址指针BP，1个段寄存器SR，通用寄存器R3和R4结合组成一个32位寄存器MR，MR可以作为乘法运算和内积运算的目标寄存器。此外，SPCE061A有3个FIQ中断和14个IRQ中断，1个由指令控制的软中断。（2） 存储器 SPCE061A拥有2 kb的SRAM，还有32 kb闪存FLASH ROM，可在ICE工作方式下被编程写入或被擦除。对闪存设置保密设定后，其内容将不能再通过ICE被读写，从而将程序保密。（3） 时钟 a)（PLL）振荡器PLL的作用为系统提供一个实时时钟的基频（32768 Hz），然后将基基频进行倍频，调整至49.152 MHz，40.96 MHz，32.768 MHz，24.576 MHz或20.480 MHz。系统默认的PLL自激振荡频率为24.576 MHz.。b) 时钟其信号源为PLL振荡器，系统时钟频率（Fosc）和CPU时钟频率（CPUCLK）可通过编程来控制。默认的Fosc、CPUCLK分别为24576 MHz和Fosc/8。 c) 时钟32768 Hz实时时钟通常用于钟表、实时时钟延时以及其他与时间相关类产品。SPCE061A通过对32768 Hz实时时钟源分频而提供了多种实时时钟。（4） 低电压监测和低电压复位 低电压监测功能可以提供系统内电源电压的使用情况。4级电压监测低限：2.4 V，2.8 V，3.2 V和3.6 V。可通过编程来控制，系统默认的电压监测低限为2.4 V。 低电压复位当电源电压低于2.4 V时，系统会变得不稳定且易出故障，导致电源电压过低的原因很多，如电压的反跳、负载过重、电池能量不足等。如果系统设置了低电压复位（LVR）功能，当电源电压低于该值时，会在4个时钟周期之后产生一个复位信号，使系统复位。（5） 中断 SPCE061A具有2种中断方式：快速中断请求FIQ中断和中断请求IRQ中断。中断控制器可处理3种FIQ中断和14种IRQ中断，以及1个由指令BREAK控制的软中断。（6） 输入/输出端口（I/O） I/O是系统与其他设备进行数据交换的接口。SPCE061A具有2个可编程口：A口和B口。A口既是具有可编程唤醒功能的普通I/O口，又可与ADC的多路LINE IN输入共用，B口除了具有普通I/O口的功能外，在特定的管脚上还可以完成一些特殊的功能。（7） 定时器/计数器 SPCE061A提供了2个16位的定时器/计数器：TimerA和TimerB。TimerA为通用计数器；Ti