机动车超载检测系统毕业设计

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。关键字AT89C51单片机；超载检测；称重传感器；A/D转换；显示；ABSTRACTTHEDESIGNFORTHEMOTOROVERLOADDETECTIONSYSTEMDESIGN,REQUIRESTODETERMINEWHETHERMOTOROVERLOADSANDWHENOVERLOADSGIVESANALARMANDDISPLAYSTHEWEIGHTOFOVERLOADINGTHISDESIGNUSESAT89C51MICROCONTROLLERASTHECORESYSTEMPROCESSING,THEUSEOFABRIDGELOADWEIGHINGSENSORWPL110CHANGEDMOTORWEIGHTINTOVOLTAGESIGNALSTHENTHEVOLTAGESIGNALVIAAMPLIFIERCIRCUITANDSENTTOA/DCONVERTERCHIPTLC0838INTODIGITALSIGNALSANDCALCULATESTHELOADOBTAINEDTHROUGHTHERS485INTERFACECIRCUITLOADTOTHEHOSTCOMPUTER,THEHOSTCOMPUTERANDTHESETINGLOADFORCOMPARISONANDTODETERMINEWHETHERTHEOVERLOAD,IFOVERLOADSHOWSTHEWEIGHTANDGIVESANALARMKEYWORDAT89C51MICROCONTROLLER；OVERLOADINGDETECTOR；WEIGHINGSENSOR；A/DCONVERTER；SHOW；目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111选题背景112主要设计（研究）内容213系统主要技术指标214解决的关键问题2第二章系统总体结构方案设计321系统总体结构及其功能322方案设计3221方案一3222方案二423方案的论证4231AVR系列423251系列524方案的确定5第三章系统的硬件设计731单片机732采集模块8321惠斯登电桥8322称重传感器WPL1109323OP07芯片11324TLC0838芯片13325小结1533键盘模块1634显示模块1735通讯模块18351RS485的优点18352MAX485芯片1936看门狗模块20361MAX813L芯片2036224C02芯片2337报警模块2438电源模块24第四章软件设计2641系统主程序的设计26411设计思想26412资源分配26413主程序流程图2642参数恢复子程序的设计27421设计思想27422资源分配28423参数恢复子程序流程图2843看门狗中断子程序的设计30431设计思想30432资源分配30433看门狗中断子程序流程图3144通讯子程序的设计32441设计思想32442资源分配33443通讯子程序流程图3345键盘子程序的设计34451设计思想34452资源分配35453键盘子程序流程图3546采集子程序的设计36461设计思想36462资源分配36463采集子程序流程图3747显示子程序的设计38471设计思想38472资源分配38473显示子程序流程图39第五章总结4051系统先进性4052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541程序清单541主程序542恢复参数子程序553看门狗中断子程序584通讯子程序585键盘子程序596采集子程序607显示子程序632元器件清单64第一章绪论11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。12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）一台计算机控制32个变送器工作，采用多点通讯形式；（3）计算机通过发送命令字控制相应的变送器进行校正、故障诊断、数据采集等工作，；（4）具备掉电参数保护功能，上电后参数恢复功能；（5）能够遵循RS485通讯网络协议，生成标准MODBUS通信数据包。13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）实时采集周期1次/1分钟，发送周期1次/1小时；（3）监控数量32台；（4）数据输出所有表格数据，查询结果均可输出为EXCEL文件。14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）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。（5）与上位机的通信。第二章系统总体结构方案设计21系统总体结构及其功能设计总体结构如图21所示。图21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，键盘还可解除报警。22方案设计221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。222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22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。23方案的论证231AVR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（R0R31），前16个寄存器（R0R15）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R16R31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。23251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20H2FH，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A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1518V）。24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新片，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16S内未被触发，其输出将变为高电平；125V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1030T，而WPL110的额定载荷是1050T，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1050T，综合精度达到002（线性滞后重复性），灵敏度是20MV/V，工作温度在2065，输入阻抗是700，输出阻抗是750，安全过载150FS，供桥电压为12VDC。CA/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AD和串行AD。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ADTLC0838。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05V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32S；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003006瓦），电光功率转换接近100。一般来说LED的工作电压是236V，工作电流是002003A；E通讯模块的选择本设计采用RS485通讯网络协议，RS485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15V的压差。RS485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RS485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31所示。图31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。31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32所示。32采集模块321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33所示，它的四个桥臂由R1、R2、R3、R4组成。当四臂电阻R1R2R3R4R时，称为等臂电桥；当R1R2R,R3R4RR时，称为输出对称电桥；当R1R4R，R2R3RR时，称为电源对称电桥，本设计采用等臂电桥。图33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131对于等臂电桥R1R2R3R4R，当R1的电阻增量R1R时，可得输出电压为132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，R1RR,R2RR,R3RR,R4RR，将上述条件代入式131得133由式133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770，输出阻抗是700，即R70，输入电压U12V，代入公式133可知，电桥的输出电压VU091720即电桥输出电压范围是01V已知TLC0838的输入电压是05V，故需将电压放大5倍。322称重传感器WPL1101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3070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2030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1050T综合精度002线性滞后重复性灵敏度20MV/V零点温度影响002FS/10输出温度影响002FS/10工作温度2065输入阻抗770输出阻抗700安全过载150FS供桥电压建议12VDC材质合金钢接线方式电源红线；电源绿线；输出黄线；输出白线323OP07芯片1OP07简介OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的单运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2NA）和开环增益高（对于OP07A为300V/MV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。2OP07特点OP07有许多特点，如不超过150V的超低偏移；18NA的低输入偏置电流；05V/的低失调电压漂移；3V至22V的高电源电压范围3OP07芯片引脚功能说明（引脚如图34所示，说明如表2所示）图34OP07芯片引脚图表2OP07引脚说明OP07引脚说明OP07引脚说明1调零端5空脚2反向输入端6输出3正向输入端7电源4接地8调零端4OP07的接线方式如图35所示为OP07的差分减法电路，根据“虚短”，“虚断”，可得（134）113230URUIFIF当R1R2，R3RF时，（135）1210URIF当R1R2，R3RF时，U0UI2UI1（136）由于信号需放大5倍，取R1R210K，R3RF50K,正好满足要求。图35OP07的差分减法电路324TLC0838芯片AD转换转换器，根据输出的信号格式，可分为并行AD和串行AD。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，但需要通过软件处理才能得到所需要的数据，故本设计采用TLC0838。1TLC0838的主要特点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。这些接口在与微控制器连接时可以配置成移位寄存器，其多路器可由软件配置为单端或差分输进，也可以配置为伪差分输进。另外，其输进基准电压大小可以调整。存全8位分辨率下，它答应任意小的模拟电压编码间隔。由于TLC0838采用的是串行输进结构，因此封装体积小，可节省51系列单片机IO资源，价格也较适中。其种类有贸易级别，工作环境为070，_T业级别，工作环境为4085。更高的可达40125。在实际运用中我们选用的是TL0838I型号，满足了实际需要。TLC0838具有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05V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32S；总调整误差为1LSB。2工作特点TLC0838可通过和微控制器相连的串行数据链路来传送控制命令，在使用前需要对通道进行选择和输进端进行配置，其控制逻辑表如表3所列。表3TLC0838配置信息位的功能控制位选择的模拟通道（CH0CH7）COMDIF/SGLODD/EVENSEL1SEL0012345670000VV0001VV0010VV0011VV0100VV0101VV0110VV0111VV1000VV1001VV1010VV1011VV1100VV1101VV1110VV1111VV注V输入电压的正端，V输入电压的负端。被转换的电压为VVV3引脚功能描述图36引脚排列TLC0838的引脚排列如图36所示，其中CH0CH7为模拟输进端；CS为片选端；DI为串行数据输进，该端仅在多路器寻址时MUXSETTLINGTIME才被检测；DO为AD转换结果的三态串行输出端；CLK为时钟；SARS为转换状态输出端，该端为高电平时，表示转换正在进行，为低电平则表示转换完成；REF为参考电压输进端；VCC为电源；DGTLGND为数字地，ANGLGND为模拟地，COM公共端；SE为数据保持，输出，该端为高电平时，数据保存在数据线上，该端为低电平时，数据输出。4与单片机的接口电路设计图37TLC0838与AT89C51单片机的硬件接口电路TLC0838与AT89C51单片机的硬件接口电路的电路原理如图37所示。图中，单片机的P20接TLC0838的片选信号，P11用于产生AD转换的时钟，P10为一个双向IO口，可用于对模拟输进进行配置及输出转换所得的数据。在这里，模拟信号以单端方式输进，参考电压为5V，即AD模拟量的输进范围为05V。325小结将惠斯登电桥、放大器、TLC0838与单片机连接起来，就组成了本系统的采集模块。四个被测信号接成两个差动对称的全桥工作形式，测得的信号经计算输出范围是01V,而TLC0838的输入电压范围是05V，故信号需放大5倍。整体接口电路如图38所示图38采集模块整体硬件接口电路33键盘模块矩阵式键盘的结构及工作原理在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图39所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口如P1口就可以构成4416个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键9键。图39矩阵式键盘电路图由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，行线所接的8255PC口（PC7PC4）作为输出端，列线所接的8255PC口（PC3PC0）作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。具体的识别如下所述。介绍一种确定矩阵式键盘上何键被按下的方法“行扫描法”。行扫描法行扫描法又称为逐行或列扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘判断键盘中有无键按下将全部行线PC7PC4置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。34显示模块如图310是一种由8255A接口芯片、驱动器和共阴极LED显示器构成的数字显示电路。图310显示电路由图可见，先从PB口选通要点亮的的数码管代码，然后CPU送来的二进制数字代码从8255A的A口输出，并经7407驱动后与LED相连。若要显示数字0，应使G段熄灭，其余段均点亮。为此，可编程使PA6输出高电平经反相后输出低电平，其余位输出低电平经反相后输出高电平，即数字0的编码为01000000B40H，其中PA7未派用处，我们也将它置为0。同样，可求出L的编码为79H，2的编码为24H等等。将数字0F也可以是09所对应的七段代码组成一个表，进行查表，就可求得各数字对应的七段代码值。把要显示的数字的七段代码从8255A输出，就可点亮相应的段，显示这个数字。依次循环点亮4个数码管。35通讯模块在电参数仪的设计中，数据采集由单片机AT89C51负责，上位PC机主要负责通信（包括与单片机之间的串行通信和数据的远程通信），以及数据处理等工作。在工作中，单片机需要定时向上位PC机传送大批量的采样数据。通常，主控PC机和由单片机构成的现场数据采集系统相距较远，近则几十米，远则上百米，并且数据传输通道环境比较恶劣，经常有大容量的电器（如电动机，电焊机等）启动或切断。为了保证下位机的数据能高速及时、安全地传送至上位PC机，单片机和PC机之间采用RS485协议的串行通信方式较为合理。351RS485的优点我们可以用RS232接口连接两台计算机，但是，当你需要在一个更长的距离上或者比RS232更快的速度下进行传输的时候，RS485就是一个解决的办法。RS485与RS232相比有很多优点1成本低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15V的压差。与之相对应，RS232的最小5V与5V输出需要双电源或者一个价格昂贵的接口芯片，这个接口芯片可以生成这些电源。2网络能力RS485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RS485连接可以最多有256个接点。3长距离连接一个RS485连接最长可以达到4000FT,而RS232的典型距离限制为50到100FT。4）快速比特率可以高达10MBPS。电缆长度和比特率是有关的，较低的比特率允许较长的电缆。5）抗干扰通常，485通讯具有较高的抗干扰能力，但是在工业现场环境恶劣的场合，难免会受到不同程度的干扰，为此，一般可使用120欧线路匹配电阻提高抗干扰能力。352MAX485芯片MAX485是用于RS485通信的小功率收发器，含有一个驱动器和一个接收器。驱动器不是限斜率的，允许它们以每秒25MBPS的速度发送数据。收发器的工作电流在120500UA之间，只需一个5V的电源。驱动器具有短路电流限制和使用热关闭控制电路进行超功耗保护。在超过功耗时，热关闭电路将驱动器的输出端置于高阻状态。接收器输入端具有自动防止故障的特性，当输入端开路时，确保输出为高电平。MAX485是为半双工应用而设计的。MAX485有很多特点，如低静态电流、三态输出、半双工工作方式、工作电源为单一5V、总线可接32个收发器以及限流和热敏控制电路为驱动器提供过载保护等。1MAX485芯片引脚及功能MAX485芯片引脚图如图311所示，引脚说明如表4所示图311MAX485芯片表4MAX485引脚说明MAX485引脚名称功能1RO接收器输出端。若A大于B200MVRO为高，若相反RO为低2/RE接收器输出使能端。当为低时RO有效，为高时RO为高阻状态3DE驱动器输出使能端。4DI驱动器输入端。5GND地6A同向接收器输入和同向驱动器输出端7B反向接收器输入和反向驱动器输出端8VCC正电源输入端475V525V2MAX485的接口电路MAX485在单片机系统中的应用连接电路如图312所示图312MAX485在单片机系统中的应用连接电路图36看门狗模块随着计算机技术、单片机技术、控制网络技术的发展，以智能芯片为核心的单片机系统集成化和小型化程度的日益提高，使系统具备了完全的自诊断、自检测等性能。目前，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。为解决这些问题，可利用MAX813L芯片，实现了单片机系统的看门狗电路、电源故障监视电路和手动、自动复位电路，可有效地解决程序运行中出现的“死机”现象和电源故障带来的不利影响。361MAX813L芯片1芯片特点MAX813L在加电、掉电以及供电电压下降情况下有复位输出；有独立的看门狗输出，如果看门狗输入在16S内未被触发，其输出将变为高电平；125V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。2MAX813L的引脚及功能MAX813L芯片引脚排列见图313，引脚功能如表5表5MAX813L引脚功能引脚名称引脚功能/MR当该段输入低电平保持140MS以上，MAX813就输出复位信号，该输入端的最小输入脉宽要求可以有效的消除开关的抖动VCC工作电源，接5V电压GND电源接地端PFI当该输入端电压小于125V时，/PFO引脚的输出电压由高电平变为低电平/PFO电源正常时，输出高电平，当电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平WDI程序正常运行时，必须在16S的时间间隔内向该输入端发出一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过16S该输入端收不到脉冲信号，则内部定时器溢出，WDO由高电平变为低电平/RESET上电时，自动产生200MS的复位脉冲；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出/WDO正常工作时，输出保持高电平，看门狗输出时，该端输出信号由高电平变为低电平3MAX813的接口电路1基本工作原理工业环境中的干扰大多是以窄脉冲的形式出现，而最终造成微机系统故障的多数现象为“死机”。究其原因是CPU在执行某条指令时，受干扰的冲击，使它的操作码或地址码发生改变，致使该条指令出错。这时，CPU执行随机拼写的指令，甚至将操作数作为操作码执行，导致程序“跑飞”或进入“死循环”。为使这种“跑飞”或进入“死循环”的程序自动恢复，重新正常工作，一种有效的办法是采用硬件“看门狗”技术。用看门狗监视程序的运行。若程序发生“死机”，则看门狗产生复位信号，引导单片机程序重新进入正常运行。此外，工业现场由于诸多大型用电设备的投入或撤出电网运行，往往造成系统的电源电压不稳，当电源电压降低或掉电时，会造成重要的数据丢失，系统不能正常运行。若设法在电源电压降至一定的限值之前，单片机快速地保存重要数据，将会最大限度地减少损失。图314单片机的掉电工作方式电路原理图单片机的掉电工作方式电路原理图如图314所示当PD设置为1时，激活掉电方式，与非门输出为低电平，时钟发生器停止工作，单片机内所有运行状态均被停止，只有片内RAM和SFR中的数据被保存起来。在单片机系统中可借助于一定的外部附加电路监测电源电压，并在电源发生故障时及时通知单片机（如通过引发中断来实现）快速保存重要数据，且断开外围设备用电电源，使整个应用系统的功耗降到最少。当电源恢复正常时，取消掉电工作方式，通过复位单片机，使系统重新正常工作。2硬件实现电路图图315给出了MAX813L在单片机系统中的典型应用线路图。此电路可以实现上电、瞬时掉电以及程序运行出现“死机”时的自动复位和随时的手动复位；并且可以实时地监视电源故障，以便及时地保存数据。图315MAX813L在单片机系统中的应用连接电路图本电路巧妙地利用了MAX813L的手动复位输入端。只要程序一旦跑飞引起程序“死机”，端电平由高到低，当变低超过140MS，将引起MAX813L产生一个WDOWDO200MS的复位脉冲。同时使看门狗定时器清0和使引脚变成高电平。也可以随时使用手动复位按钮使MAX813L产生复位脉冲，由于为产生复位脉冲端MR要求低电平至少保持140MS以上，故可以有效地消除开关抖动该电路可以实时地监视电源故障（掉电、电压降低等）。图315中R1的一端接未经稳压的直流电源。电源正常时，确保R2上的电压高于126V，即保证MAX813L的PFI输入端电平高于126V。当电源发生故障，PFI输入端的电平低于125V时，电源故障输出端电平由高变低，引起单片机中断，CPU响应中断，执行相应的中断服务程序，保护数据，断开外部用电电路等。36224C02芯片1芯片特点串行E2PROM是基于2ICBUS的存储器件，遵循二线制协议，由于其具有接口方便，体积小，数据掉电不丢失等特点，在仪器仪表及工业自动化控制中得到大量的应用。220C02的引脚及功能24C02芯片引脚排列见图316，引脚功能如表6图31624C02芯片引脚表624C02芯片引脚功能引脚名称功能A0、A1、A2器件地址选择SDA串行数据/地址SCL串行时钟WP写保护VCC18V6V工作电压GND地324C02与单片机的接口电路图317给出了24C02与单片机的接口电路。图中,WP接P12,当WP为0时是写操作，当WP为1时是读操作，SCL接单片机P13,SDA接单片机P14。图31724C02与单片机的接口电路37报警模块系统要求一旦监测到机动车超载，就要立即报警，等待工作人员来检查，并解除报警。本次设计选用蜂鸣器。蜂鸣器用三极管放大驱动。接口电路如图318所示。图318报警接口电路38电源模块设计中的电源主要有2种5V和12V,采用传统的单片集成稳压电源，接线图如319所示图319电源电路单片机应用系统中最重要且危害最严重的干扰来源于电源的污染。由于电源通常是由市电电网经变换后得到的，随着工业的迅速发展，市电电网电源污染问题越来越严重，各种干扰极易耦合到供电线路中。同时，电源本身也会产生干扰，对本设计有较大影响的是电网干扰和电源干扰，因此，为了减少干扰因素，需要在设计时采用一系列抗干扰的措施，这里主要包括电源接地和电源滤波技术。电源接地时应遵循以下原则A在接地面上，电源接地和数字信号接地相互隔离，减少地线间的耦合。B分别建立交流、直流和数字信号的接地通路。C将几条接地通路接到电源公共点上，以保证电源电路有低的阻抗通道。电源滤波的主要目的是抑制在电源线上的传导高频干扰。单片机应用系统电源滤波不仅能有效地防止外界环境的电磁干扰传入系统，而且能有效地抑制系统本身产生的干扰向外界传递，造成电磁环境污染，同时还能较好地克服电源本身产生的干扰信号对系统工作的影响。单片机系统的电源滤波通常包括交流端的滤波和直流端的滤波。本次设计不只做了直流端滤波，还有交流端滤波。直流端的滤波主要是抑制整流电路和开关电路所产生的高频干扰，通常用电容滤波就足够了。如图319所示，输入采用容量较小的电容改善纹波和抑制输入的过电压保证集成三端稳压器的输入输出电压差不会瞬间超过允许值；输出采用容量较小的电容改善负载的瞬态响应。第四章软件设计41系统主程序的设计411设计思想主程序分五个模块，包括看门狗模块、通讯模块、键盘模块、采集模块、显示模块。用外部中断0实现掉电保护功能；利用串行口实现上位机与单片机的半双工通信；在8通道采集结束后，查询一次键值，即8通道在同一轮采集过程中上限值是一样的。当检测到超载时，报警并显示超载量。412资源分配表7用户寄存器说明用户寄存器符号存储单元说明LIMIT0030H键盘输入的设定值地址OVER0031H超载重量值首址WEIGH0039H机动车实际质量首址QIAN004AH显示超载重量的千位地址表8主程序工作寄存器说明寄存器名说明寄存器名说明R0需要采集的通道数R2通道0实际质量的地址R1通道0超载量的地址413主程序流程图当系统上电复位后，先检查有没有掉电标志，若有，则调用恢复参数子程序对保护后的数据进行恢复，然后系统初始化，包括端口、8255、看门狗等；如果没有掉电标志就直接进行初始化。初始化完毕后，调用键盘子程序，检查设定值；检查完后，调用采集子程序，采集数据，若超载则调用显示子程序，显示超载量。图41主程序流程图42参数恢复子程序的设计421设计思想24C02是基于CBUS的存储器件，A0，A1，A2为器件地址线，WP为写保护引脚，2ISCL，SDA为二线串行接口。对参数进行恢复，就是把保存在24C02中的数据取出来存到单片机中。读若干个连续单元的数据可以当前地址开始，也可以从制定的地址开始。单片机接收到8位数据后应作出应答。只要24C02检测到应答信号，其内部的地址寄存器就自动加1指向下一单元，并顺序将指向单元的数据送到SDA串行数据线上。当需要结束读操作时，单片机接收到数据后在需要应答的时刻发送一个非应答信号，接着再发送一个停止信号即可。422资源分配表9参数恢复子程序寄存器说明寄存器名说明寄存器名说明R0缓冲区首地址指针R1位传送计数器R2字节数据传送计数器R3读控制字DPTR待读单元首地址指针表10参数恢复子程序存储器器说明存储器地址说明存储器地址说明30H键盘设定重量值恢复值31H通道0超载量恢复值32H通道1超载量恢复值33H通道2超载量恢复值34H通道3超载量恢复值35H通道4超载量恢复值36H通道5超载量恢复值37H通道6超载量恢复值38H通道7超载量恢复值39H通道0实际重量恢复值3AH通道1实际重量恢复值3BH通道2实际重量恢复值3CH通道3实际重量恢复值3DH通道4实际重量恢复值3EH通道5实际重量恢复值3FH通道6实际重量恢复值40H通道7实际重量恢复值423参数恢复子程序流程图当系统上电后检测到掉电标志位为1，会通知单片机对参数进行恢复，被恢复的参数存在24C02中，即对24C02进行读操作。先关中断，发送标志码，测试响应信号，响应后发送24C02单元首地址代码，然后发送读控制字，开始读数据，读完后将所读数据存到缓冲区，发送结束信号，开中断，通知单片机清掉电标志。图42参数恢复子程序流程图43看门狗中断子程序的设计431设计思想程序正常运行时，由主程序在小于16S的时间间隔内周期性地从P17端向MAX813L的WDI输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过16S该输入端收不到脉冲信号，则内部看门狗定时器溢出，8号引脚由高电平变为低电平。引起MAX813L产生一个200MS的复位脉冲。同时使看门狗定时器清0和使WDO引脚变成高电平。当电源发生故障时，引起单片机中断，CPU响应中断，执行相应的中断服务程序，保护数据，断开外部用电电路等。为了做到这一点，必须把中断优先级（PX0）设为最高，特别是系统中还有其它中断时，更应如此。中断优先级的设置可通过中断优先寄存器IP实现，此外还要设置中断允许寄存器IE的总允许位（EA）及外部中断0中断允许位（EX0）。至于中断源的触发方式。如果选择电平触发，则中断擦除时必须外加辅助电路，否则中断不能正常执行；如果选择跳变触发，当0INT端出现负跳变时，CPU内部硬件自动置位中断标志IE0，CPU响应中断，通过向量地址转入中断服务程序时IE0被硬件清0。所以基于上述分析，必须选用跳变触发方式。触发方式由定时器控制寄存器TCON中的IT0位决定。设计好中断服务程序对于系统的连续可靠运行具有重要意义。在中断服务程序中，先保存重要数据到24C02,保存完毕后把电源控制寄存器PCON的PD位置1，激活掉电工作方式，中断返回。往24C02中保存数据时，采用页