公路超重监测系统设计论文

1、摘 要 介绍一种动态测重系统的结构和实现方法，主要功能动态测量行驶车辆的轮胎受力，并计算相应静态车辆重量，完全自动、不停车测重。硬件设计中介绍数字电路的构成，a/d转换器、信号差分放大和led显示电路。软件设计中提出了根据实际采样波形而设计的独特数据处理方法。关键词：高速公路 汽车载重 自动检测系统 传感器 单片机 构成 目 录引言 1 绪论 1.1 课题背景 1.2 超重检测器的概述 1.3 研究的目的和意义 1.4 系统设计的主要任务 1.4.1硬件问题 1.4.2软件问题 2 系统方案的设计 2.1 超重检测系统的设计要求 2.2 设计的基本思路 2.3 方案比较和论证 2.3.1控制器

2、 2.3.2前级放大器 2.3.3 a/d转换器 3 系统构成 3.1 压力传感器 3.1.1传感器的定义 3.1.2传感器的作用 3.1.3传感器的组成 3.1.4传感器的分类 3.1.5传感器设计要点 3.2 仪器放大器采用op27 3.3 模数转换器采用a/d0809 3.4 继电器 3.5 单片机采用at89s52 3.5.1 mcs-51单片机的组成 3.5.2电源线 3.5.3端口线 3.5.4控制线 3.6 led数码管 3.7 变压器 4 硬件电路设计 4.1 设计使用的基本知识介绍 4.2 芯片介绍及相关电路模块设计 4.2.1测重传感器电桥原理图 4.3 前端信号放大处理电

3、路图 4.4 a/d0809转换电路 4.4.1 a/d电路的信号流程 4.5 主控制电路 4.5.1复位电路 4.5.2晶振电路 4.5.3下载接口 4.6 人机交互界面 4.6.1键盘接口电路 4.6.2 led数码管显示电路 4.6.3电源电路 4.7 其它扩展电路 4.7.1警告电路 引言：随着计算机技术的高速发展，单片机以其自身的特点，已广泛应用于智能化测控设备和产品广泛应用到各个领域，单片机嵌入到对象体系中的嵌入式系统已渗透到单位、家庭和个人，单片机技术产品和设备促进了生产技术水平的提高。本次设计的高速公路超重检测系统正是单片机应用系统中的一种。单片机应用系统由硬件和软件组成。硬件

4、是指单片机扩展的存储器、输入/出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件；软件是指单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序。只有系统硬件和软件紧密配合、协调一致，才可能组成高性能的单片机应用系统。在单片机应用系统开发的过程中，应不断调整软、硬件，协调地进行软、硬件设计，以提高工作效率。单片机应用系统的开发过程一般包括系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试几个阶段。这几个系统开发阶段并不是相互独立、各自进行的，而应根据开发的实际需要，相互协调、交叉，有机的进行。高速公路超重检测需要应变片式压力传感器。从广义上讲，传感器就是能感受外界信息并能按一

5、定规律将这些信息转换成可用信号的装置。狭义上讲，传感器就是能将外界信息转换成电信号的装置。随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器。在工业生产中，尤其是自动化生产过程中，用各种传感器来检测和控制生产过程中的各个参数，如温度、压力、流量、ph值等，以便使设备工作在最佳状态，产品达到最好的质量。本次设计中所利用到的压力传感器就是要测量行驶车辆车轮向压力传感器施压导致电压变化的动态信号，并且利用数模转换芯片将电压值转换为数字值，实现整个系统车辆超重的检测，实现智能控制。本次设计车辆超重检测系统的就是单片机应用系统的一种典型应用，要求能够检测高速公路上

6、行驶车辆的载重，并且对违章超重车辆进行自动称重、并显示出相应的信息警告司机，同时启动抓拍系统，对违章车辆进行抓拍。由于车辆超载引发大量交通事件、路面、桥梁隧道等严重受损。为了维护国家财产不受损失,保证人民的生命安全, 保护公路畅通无阻, 设计动态称重设备来限制超载车辆至关重要。随着电子技术与计算机技术的发展，面对各种检测对象和大量的测试点，需要利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量，再经过单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时测控。而此时采用单片机来实现高速公路超重检测不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采集点的技术指标，从而大大提高系统的可利用性。此次检测系统正是

7、把adc0809与at89s52单片机有机的结合起来，实现了数据采集系统，也符合了本设计的要求。本人在此次设计中主要担任了系统的硬件电路图的设计、硬件的焊接和调试、软件的设计、以及各个芯片资料查找与整理等工作。1 绪论1.1 课题背景我国的高速公路发展比西方发达国家晚近半个世纪的时间，从80年代末开始起步， 到2004年年底已经超过3万公里。根据交通部最新公布的国家高速公路网规划，从2005年起到2030年，国家将斥资两万亿元，新建5.1万公里高速公路，使我国高速公路里程达到8.5万公里。随着经济的发展, 交通量的迅速增加,各种运输车的数量和比重逐年递增, 特别是一些运输单位或个人不顾车辆、公

8、路承载能力及行车安全, 擅自对车辆进行改装, 致使公路、桥梁及其附属设施受到严重破坏, 由此而引发大量交通事件、路面、桥梁、隧道等严重受损。为了维护国家财产不受损失,保证人民的生命安全, 保护公路畅通无阻, 设计动态称重设备来限制超载车辆至关重要。同时, 动态称重设备能广泛应用于自动化交通调查、收费系统、交通安全管理等场合, 并能产生巨大的经济效益和社会效益。还可推广应用于企业、码头等载货车辆称重和管理。动态称重系统应用面很广, 国内外研究部门和企业都在研制、生产出相应的产品, 其中德国和美国研究水平较高。德国pat 公司生产的动态称重系统的精度已达3%。而国内研制的固定式动态车辆称重系统误差

9、为5% ,一般都是在高速公路入口收费车道前安装一台低速测重系统，向收费系统计算机传输轴重、整车重、车速、车轴数量、车型、轴距、速度、车道号和行驶方向、日期和时间、数据记录序号、车辆加速度、超限判别标识等信息，实现计重收费和超限检测功能。为此,我们采用mcs-51系列adc89s52单片机设计一种动态称重系统用于高速公路上的超重检测。（本系统仅模拟其原理）mcs-51单片机是美国inte公司于1980年推出的产品，at89s52是mcs-51系列单片机中的代表产品，它的大寻址范围和指令系统也非常适合数字信号处理, 将at89s52其引入动态称重系统, 使其系统的运算速度更快、检测更精度, 而且的

10、高速并行运算方式可以运行更加复杂的数据运算体系, 为以后的系统完善留有充分余地。1.2 超重检测器的概述长期以来，超重汽车超载运行是高速公路损害的主要原因之一，杜绝载重汽车超载是高速公路管理和安全运行的重要措施，高速公路自动超重检测系统对行驶车辆自动测重，并发出警告信息提示司机，判断是否超重运行，维护了高速公路的安全运行，保证了公路的使用寿命。1.3 研究的目的和意义设计出一种全自动高速公路动态超重检测系统，自动检测超重车辆，并显示红灯警告，同时启动抓拍系统（抓拍系统不做）。目前的超重检测系统多用于高速公路入口匝道出，通过手费管理人员实行半自动检测，这种检测系统不仅降低了工作人员的工作效率，而

11、且影响了进入高速公路的交通量。因此，本次设计实行全自动检测系统，对超重车辆抓拍，其优点在于：该产品无需专业人员操作，只要放在合适位置，通电即可，连续使用、方便简捷；此系统通过改进可同时检测超限车辆（即单轴轴载）；同时本系统采用高运算、大寻址范围的at89s52芯片，有利于今后对该系统进一步完善。1.4 系统设计的主要任务本次设计利用单片机电路制作高速公路自动动态超重检测系统。设计过程中最关键的两个部分：系统硬件的设计和控制软件的编写。这也是在设计过程中需要解决的最关键的问题。1.4.1硬件问题高速公路动态超重检测系统的硬件主要有3大部分，即压力信号的采集部分、主控部分和警告及抓拍部分。压力信号

12、采集主要由压力传感器组成，它是整个系统中最关键的元件。主控部分由单片机及其相关软件组成，由程序对单片机进行控制。警告主要由发光二级管组成，这个部分是对运行车辆的载重发出警告信息，同时启动抓拍系统；对没有超重的车辆，发出提示信息允许通过。硬件的设计需要单片机、模电及其数电的相关知识。在解决这一问题的过程中，需要查阅大量资料，结合所学知识，向老师获取帮助。1.4.2软件问题它的软件设计主要包括主程序和中断处理两大部分：主程序要完成io口，定时器的初始化及对中断输入的设定，然后延时使传感器进入稳定工作状态，等待定时器的中断；中断处理程序根据具体情况需要有相应的子程序。要对程序进行多次调试，分块编程。

13、对各个子程序块所解决的问题要相当明确。最后在制作完成硬件电路板后要调试出设计要求的功能。2 系统方案的设计设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到设计的功能要求。并且把这些元器件焊接在一块电路板上。它包括对各种元器件的功能和接法的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。2.1 超重检测系统的设计要求当高速公路行驶的车辆进入测重检测区内，车轮向压力传感器施压时，压力传感器传出微弱的电

14、压信号，通过差分运放以及单片机的判断等运算，对违章超重车辆进行自动称重、并用发光二极管显示红色警告信息，同时启动抓拍系统，对违章车辆进行抓拍；对于不超重车辆则绿灯亮，允许车辆通过。2.2 设计的基本思路在高速公路测重检测区，设置4个相同的压力传感器，其分布如图1所示。当车辆进入检测区，车轮压向承载板时，4个压力传感器输出与车轮压力对应的电压信号，经op27差分比较器放大后，把模拟信号传输adc0809转换成数字信号。然后把数字信号传输给单片机at89s52进行处理。通过单片机判断运算，对于不超重车辆，传送信号给发光二级管使绿灯亮，允许车辆通过；对于超重车辆，则传送信号给发光二级管使红灯亮，同时

15、用led显示其车重，并且输出一路信号启动抓拍系统（抓拍系统不做）。本次设计只是模拟其原理，考虑到条件有限，只用了一个传感器检测其压力信号，如图1中填充部分。 压力传感器 承载板 图1 压力传感器设置示意图2.3 方案比较和论证2.3.1控制器方案一 基于51系列单片机来实现。目前单片机技术比较成熟，功能强大，比较大的寻址空间，被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系通过led数码管显示出被测物体的重量。单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟，寻址范围广，易于产品开发等优点。方案二 采用现场可编程门阵

16、列(fpga)为控制核心采用现场可编程门阵列(fpga)为控制核心，利用eda软件编程，下载烧制实现。系统集成于一片xilinx公司的spartan系列xc2s100e芯片上，体积有所减小、逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点，可实现大规模和超大规模的集成电路。本次设计没有必要用这个测量频率范围大，编程灵活等特点的高集成芯片，况且成本比较高，不适合产品的开发。因此，我们决定采用方案一，即采用51单片机为控制核心。2.3.2前级放大器压力传感器输出的电压信号为毫伏级，所以对运算放大器要求很高。我们考虑可以采用以下几种方案可以采用：方案一 利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。普通低温漂运

17、算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于a/d转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此中方案不宜采用。方案二 由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放(如op07)做成一个差动放大器。优点：输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器r6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。方案三 采用专用仪表放大器ina126实现。此芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度

18、也非常好，且外部接口简单。但成本很高，不易于开发。基于以上分析，我们决定采用方案二实现前级放大功能，既能保持精度，又方便实现。 2.3.3 a/d转换器由上本设计使用的压力传感器和精度的分析可知：a/d转换器误差应在以下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转换器，如：adc0809等。逐次逼近型a/d转换，一般具有采样/保持功能。采样频率高，功耗比较低，是理想的高速、高精度、省电型a/d转换器件。高精度逐次逼近型a/d转换器一般都带有内部基准源和内部时钟，根据系统的要求，8位ad足以满足精度要求，太高的精度就

19、反而浪费了系统资源。所以此方案是理想的选择。方案二 双积分型a/d转换器：如：tlc7135/icl7135、icl7109等。双积分型a/d转换器精度高，但速度较慢(如：tlc7135),具有精确的差分输入，输入阻抗高（大于103m），可自动调零，超量程信号，全部输出于ttl电平兼容。双积分型a/d转换器具有很强的抗干扰能力。对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50hz的工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰（例如噪声电压）已有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。故而采用双积分型a/d转换器可大大降低对滤

20、波电路的要求。作为高速公路超重检测系统，对a/d的转换速度要求并不高，精度上8位的ad足以满足要求。8综合的分析其优点和缺点，我们最终选择了方案一，即使用adc0809对信号进行a/d转换。3 系统构成本系统由压力传感器，仪器放大器，模数转换器，继电器，单片机，led数码管组成，变压器，如图2所示。压力传感器放大器数模转换单片机at89s52i/o接口按键显示接口led显示车辆施压 图2 系统结构3.1 压力传感器 3.1.1传感器的定义人们通常将能把非电量转换为电量的器件称为传感器，传感器实质是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号：它是实现测试与自动控制系统的首要环节。如果没

21、有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么，无论是信号转换或信息处理，或者最佳数据的显示和控制部将无法实现。同时传感器技术是现代信息技术的主要内容之。3.1.2传感器的作用（1）信息的收集科学研究中的计量测试，产品制造与销售中所需的计量等都要由测量而获得准确的定量数据对某种特定要求，需检测目标物的存在状态，把某状态的信息转换为数据：对系统或装置的运行状态进行监测，也由传感器来实现，发现异常情况时，发出警告信号并启动保护电路工作。这样可以对系统或装置进行正常运行与安全管理。判断产品是否合格，或人体某部位的异常诊断等都需由传感器的测量来完成。（2）信息数据的交换把以文字、符号、代码、图形等多种形式

22、记录在纸或胶片上的信号数据转换成计算机、传真机等易处理的信号数据。或者读出记录在各种媒介体上的信息并进行转换。例如，磁盘与光盘的信息读出磁头就是一种传感器。（3）控制信息的采集。检测控制系统处于某种状态的信息，并由此控制系统的状态，或者跟踪系统变化的目标值。3.1.3传感器的组成传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三部分组成有时还加上辅助电源。通常可用方块图来表示，如下图3所示： 图3 传感器构造图3.1.4传感器的分类传感器的分类见表3.1所示：3.1.5传感器设计要点根据以上对传感器相关知识的介绍，我们可以明确传感器是测量、控制系统的入口，必须具备良好的性能。在设计中，应该注意以下要点

23、：(1)输入和输出之间成比例，直线性好、灵敏度高、分辨力强、测量范围宽。(2)滞后、漂移误差小，(3)动态特性良好。(4)功耗小。(5)时间老化特性优良，抗腐蚀性强。(6)与被测体匹配良好，即不因接入传感器而使被测对象受到影响，受被测量之外的量影响小。(7)体积小、重量轻、价格低廉。(8)故障率低，易于校准和维修。(9)由于传感元件的输出信号一般比较小，为了便于能够驱动控制电路，在传感器电路中还应该包括放大器。鉴于上述选择要点，采用的ls-1型传感器，外观如图4所示，他是一种应变片式专用压力传感器，其中包括电阻应变片、弹性体和检测电路几个主要的部分电阻应变片 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布

24、在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数k。弹性体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。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。分类方法传感器的种类说 明按输入量分类位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等传感器按被测物理量命名按工作原理

25、分类应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等传感器以工作原理命名按物理现象分类结构型传感器传感器依赖其结构参数变化实现信息的变化物性型传感器传感器依赖其敏感元件的物理特性来实现信息的变化按能量关系分类能量转换型传感器传感器直接将被测量的能量直接转化成输出量的能量能量控制型传感器由外部供给传感器能量，而由被测量来控制输出能量按输出信号分类模拟式传感器输出量为模拟量数字式传感器输出量为数字量表3.1 传感器的分类图4 ls-1型传感器3.2 仪器放大器采用op27 op27是一种超低噪声、高精度运算放大器，具有很低的输入失调电压和漂移。op27的优良特性使它特别适合作前级放大器，放大微弱信号。使用

26、op07一般不用考虑调零和频率问题就能满足要求。主要特点： 低输入失调电压：75uv(最大) 低失调电压温漂：1.3uv/(最大) 低失调电压时漂：1.5uv/月(最大) 低噪声：0.6uv p-p(最大) 宽输入电压范围：14v 宽电源电压范围：3v18v3.3 模数转换器采用a/d0809 a/d转换器是测控系统中将模拟信号转换成数字信号的重要器件。a/d转换器的常用技术有：计数式a/d转换；逐次逼近型a/d转换；双积分式a/d转换；并行a/d、串/并行a/d转换及v/f变换等。在这些转换中，主要区别是速度、精度和价格，一般来说速度越快、精度越高则价格也就越高。逐次逼近型a/d转换既照顾了

27、转换速度，又具有一定的精度，是目前应用最多的一种。在对体积要求不高的应用中，可采用由运放、模拟开关等组成的双积分式a/d转换电路，在速度、精度和价格上具有一定的优势。v/f转换器是输出信号的频率随输入电压而变化的器件，测出输出的频率即可求出所对应的模拟量，它常用于要求a/d输出端引线较少的场合。通过以上综合比较，我们选用集成a/d芯片adc0809，adc0809具有8路模拟量输入，可在程序控制下对任意通道进行a/d转换，输出8位二进制数字量。其结构框图如图所示。芯片的主要部分是一个8为逐次逼近式a/d转换器。为了能实现8路模拟信号的分时采样，片内设置了8路模拟选通开关以及相应的通道地址锁存及

28、译码电路。转换的数据送入三态输出数据锁存器。adc0809外部引脚如图5所示，其引脚功能为：in7in0：8路模拟量输入端，在多路开关控制下，任一时刻只能有一路模拟量实现a/d转换。a、b、c：多路开关地址选择输入端，当取值000111时，与a/d转换对应的通道为in0in7。ale：地址锁存输入线，该信号的上升沿可将地址选择信号a、b、c锁入地址寄存器。start：启动转换输入线，该信号的上升沿用以清楚a/d内部寄存器，其下降沿用以启动内部控制逻辑，开始a/d转换工作。eoc：转换完毕输出线，其上出现高电平时表示a/d转换结束。oe：允许输出控制端，高电平有效。低电平时，数据输出端为高电阻态

29、；高电平时，将a/d转换后的8位数据送出。clock：转换定时脉冲输入端。它的频率决定了a/d转换器的转换速度。使用频率小于等于640khz，对应转换速度大于等于100s。 ref(+),ref(-)：是内部d/a转换器的参考电压输入线。 vcc为+5v，gnd为地。 图5 adc0809引脚结构图3.4 继电器 继电器是一种电子控制器件，如图6所示，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。本设计选用的是hrs2h-s-dc5v继电器，他是一种

30、电磁式继电器，由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。图6 继电器3.5 单片机采用at89s52 mcs-51

31、单片机是美国inte公司于1980年推出的产品，8051是mcs-51系列单片机中的早期典型代表产品，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、21个专用控制寄存器、4kb的程序存储器、128字节的数据存储器、4组8位的并行口、两个16位的可编程定时/计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器。我们采用的是at89s52，外观如图6所示，是一种性能更强运算更快的升级产品，mcs-51系列单片机结构和功能基本相似，具有比较大的寻址空间，地址线宽达16条，即外部数据存储器和程序存储器的寻址范围达216=64kb，这作为单片机控制来说已是比较大的，这同时具备对i/o口的访问能力。因为mcs

32、-51采用模块化结构，因此可以方便地增删一个模块就可引脚和指令兼容的新产品。从而容易使产品形成系列化。图6 mcs-51系列单片机3.5.1 mcs-51单片机的组成 mcs-51单片机包括cpu(进行运算、控制)、ram(数据存储器)、rom(程序存储器）、i/o口(串口、并口）、内部总线 和中断系统等。组成框图如图7。图7 mcs-51单片机组成框图内部结构如图8。图8 mcs-51单片机内部结构结构图（1）中央处理器（cpu）中央处理器有运算器和控制器组成。运算器组成：8位算术逻辑运算单元alu（arithmetic logic unit）、8位累加器a（accumulator）、8位寄

33、存器b、程序状态字寄存器psw（program status word）、8位暂存寄存器tmp1和tmp2等。功能：完成算术运算和逻辑运算。控制器组成：程序计数器pc（program counter）、指令寄存器ir（instruction register）、指令译码器id（instruction decoder）、堆栈指针sp、数据指针dptr、定时控制逻辑和振荡器osc等电路。功能：cpu根据pc中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在ir中，id对ir中的指令码进行译码，定时控制逻辑在osc配合下对id译码后的信号进行分时，以产生执行本条指令所需的全部信号。 （2）存储器mc

34、s-51的存储器可分为程序存储器和数据存储器,又有片内和片外之分。程序存储器 一般将只读存储器（rom）用做程序存储器。可寻址空间为64kb，用于存放用户程序、数据和表格等信息。数据存储器一般将随机存储器（ram）用做数据存储器。可寻址空间为64kb。mcs-51数据存储器可分为片内和片外两部分。片外ram：最大范围：0000hffffh，64kb；用指令movx访问。片内ram：最大范围：00hffh，256b；用指令mov访问。又分为两部分：低128b（007fh）为真正的ram区，高128b（80ffh）为特殊功能寄存器（sfr）区。如右图9所示。图9 片内数据存储器的配置图内部ram的

35、20h2fh单元为位寻址区，既可作为一般单元用字节寻址，也可对它们的位进行寻址。位地址为00h7fh。 cpu能直接寻址这些位（称mcs-51具有布尔处理功能），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个特殊功能寄存器（也称为专用寄存器），包括算术运算寄存器、指针寄存器、i/o口锁存器、定时器/计数器、串行口、中断、状态、控制寄存器等，它们被离散地分布在内部ram的80hffh地址单元中（不包括pc） ，共占据了128个存储单元，构成了sfr存储块。其字节地址可被8整除的sfr可位寻址。sfr反映了mcs-51单片机的运行状态。程序计数器

36、pc（program counter） 程序计数器pc在物理上是独立的，它不属于sfr存储器块。pc是一个16位的计数器，专门用于存放cpu将要执行的指令地址（即下一条指令的地址），寻址范围为64kb，pc有自动加1功能，不可寻址，用户无法对它进行读写，但是可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以控制程序执行的顺序。累加器a （accumulator）累加器a是8位寄存器，又记做acc，是一个最常用的专用寄存器。在算术/逻辑运算中用于存放操作数或结果。寄存器b寄存器b 是8位寄存器，是专门为乘除法指令设计的，也作通用寄存器用。工作寄存器内部ram的工作寄存器区00h1fh共32个字节被均匀

37、地分成四个组（区），每个组（区）有8个寄存器，分别用r0r7表示，称为工作寄存器或通用寄存器，其中，r0、r1还经常用于间接寻址的地址指针。在程序中通过程序状态字寄存器（psw）第3、4位设置工作寄存器区。程序状态字psw （program status word）程序状态字psw是8位寄存器，用于存放程序运行的状态信息，psw中各位状态通常是在指令执行的过程中自动形成的，但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。其定义格式如表3.3所示。表3.3 psw各位定义表其中：cy：进借位标志； ac：辅助进借位标志； f0 ：用户标志； rs1、rs0：工作寄存器组（区）选择（如下表所示）； o

38、v：溢出标志位，有溢出时置1； p：奇偶标志位。a中有奇数个1时置1。数据指针dptr（data pointer）数据指针dptr是16位的专用寄存器，即可作为16位寄存器使用，也可作为两个独立的8位寄存器dph （高8位） 、dpl （低8位）使用。 dptr主要用作16位间址寄存器，访问程序存储器和片外数据寄存器。堆栈指针sp（stack pointer） 堆栈是一种数据结构，是内部ram的一段区域。堆栈存取数据的原则是“后进先出”。堆栈指针sp是一个8位寄存器，用于指示堆栈的栈顶，它决定了堆栈在内部ram中的物理位置。mcs-51单片机的堆栈地址向大的方向变化（与微机堆栈地址向小的方向变

39、化相反）。系统复位后，sp初值为07h，实际应用中通常根据需要在主程序开始处对堆栈指针sp进行初始化，一般设置sp为60h。 设立堆栈的目的是用于数据的暂存，中断、子程序调用时断点和现场的保护与恢复。i/o口专用寄存器（p0, p1, p2, p3）8051片内有4个8位并行i/o接口p0, p1, p2和p3，在sfr中相应有4个i/o口寄存器p0, p1, p2和p3。定时器/计数器（tl0, th0, tl1和th1）mcs-51单片机中有两个16位的定时器/计数器t0和t1，它们由4个8位寄存器（tl0, th0, tl1和th1）组成，2个16位定时器/计数器是完全独立的。可以单独对

40、这4个寄存器进行寻址，但不能把t0和t1当做16位寄存器来使用。串行数据缓冲器（sbuf）串行数据缓冲器sbuf用于存放需要发送和接收的数据，它由两个独立的寄存器组成（发送缓冲器和接收缓冲器），要发送和接收的操作其实都是对串行数据缓冲器sbuf进行的。（4）i/o接口i/o接口是mcs-51单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路，用于信息传送过程中的速度匹配和增加它的负载能力。 8051内部有4个8位并行接口p0, p1, p2, p3，有1个全双工的可编程串行i/o接口。（5）定时器/计数器 8051内部有两个16位可编程序的定时器/计数器，均为二进制加1计数器，分别命名为t0和t1。 t

41、0和t1均有定时器和计数器两种工作模式。在定时器模式下，t0和t1的计数脉冲可以由单片机时钟脉冲经12分频后提供。在计数器模式下，t0和t1的计数脉冲可以从p3.4和p3.5引脚上输入。对t0和t1的控制由定时器方式选择寄存器tmod和定时器控制寄存器tcon完成。 （6）中断系统 中断：指cpu暂停原程序执行，转而为外部设备服务（执行中断服务程序），并在服务完后返回到原程序执行的过程。中断系统：指能够处理上述中断过程所需要的硬件电路。中断源：指能产生中断请求信号的源泉。 8051可处理5个中断源（2个外部，3个内部）发出的中断请求，并可对其进行优先权处理。外部中断的请求信号可以从p3.2,

42、p3.3（即 和 ）引脚上输入，有电平或边沿两种触发方式；内部中断源有3个，2个定时器/计数器中断源和1个串行口中断源。 8051的中断系统主要由中断允许控制器ie和中断优先级控制器ip等电路组成。mcs-51单片机外部引脚 ：mcs-51系列单片机中，各类单片机都是相互兼容的，只是引脚功能略有差异。mcs-51系列单片机引脚分为端口线、电源线和控制线三类。其引脚如图7所示。图7 mcs-51单片机外部引脚3.5.2电源线 gnd：接地引脚。 vcc：正电源引脚。接5v电源3.5.3端口线 p0p3口：48=32条。（1）p0口（ p0.0p0.7 ）8位双向三态i/o口，可作为外部扩展时的数

43、据总线/低8位地址总线的分时复用口。又可作为通用i/o口，每个引脚可驱动8个ttl负载。对eprom型芯片（如8751）进行编程和校验时，p0口用于输入/输出数据。（2）p1口（p1.0p1.7）8位准双向i/o口，内部具有上拉电阻，可作为通用i/o口。每个引脚可驱动4个ttl负载。（3）p2口（p2.0p2.7）8位准双向i/o口，内部具有上拉电阻，可作为外部扩展时的高8位地址总线。又可作为通用i/o口，每个引脚可驱动4个ttl负载。对eprom型芯片（如8751）进行编程和校验时，用来接收高8位地址。 （4）p3口（ p3.0p3.7 ）8位准双向i/o口，内部具有上拉电阻。它是双功能复用

44、口，作为通用i/o口时，功能与p1口相同，常用第二功能。每个引脚可驱动4个ttl负载。作为第二功能使用时，各位的作用如下表所示。3.5.4控制线 （1）rst/vpdrst/vpd引脚是复位信号/备用电源线引脚。当8051通电时，在rst引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。 （2）ale/地址锁存允许/编程引脚。当访问外部程序存储器时，ale的输出用于锁存地址的低位字节，以便p0口实现地址/数据复用。当不访问外部程序存储器时，ale端将输出一个1/6时钟频率的正脉冲信号。ale/ 是复用引脚，其第二功能是对eprom型芯片（如8751）进行编程和校验时，此引脚传送52ms宽的

45、负脉冲选通信号，程序计数器pc的16位地址数据将出现在p0和p2口上，外部程序存储器则把指令码放到p0口上，由cpu读入并执行。（3） /vpp 允许访问片外程序存储器/编程电源引脚。对于片内无程序存储器的mcs-51单片机（如8031）， 必须接地。片内有程序存储器的mcs-51单片机（如8051）， 必须接高电平。 /vpp是复用引脚，其第二功能是片内eprom编程/校验时的电源线，在编程时，vpp脚需加上21v的编程电压。（4）xtal1和xtal2 xtal1脚为片内振荡电路的输入端，xtal2脚为片内振荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在xtal1

46、和xtal2脚外接石英晶体（频率为1.212mhz）和振荡电容，振荡电容的值一般取1030pf，典型值为30pf；另外一种是外部时钟方式，即将xtal1接地，外部时钟信号从xtal2脚输入，如下图所示。 （5）片外rom选通线。在执行访问片外rom的指令movc时，8051自动在 引脚产生一个负脉冲，用于对片外rom的选通。其他情况下，该引脚均为高电平封锁状态。 3.6 led数码管 将发光二级管做成段状并按数码形式组合即构成lec段状数码管。在单片机应用系统中最常用的是七段led。在生产数码管时，为了减少引线数目，通常将发光二极管的所有阳极或阴极连在一起作为公共端引出，也就构成了共阳极型与公

47、阴极型的两种led数码管。 通常的七段数码管中有8个发光二极管，其中7个发光二极管构成“8”字型，1个发光二极管用来显示小数点。七段led数码管的显示可采用硬件译码如二七段译码逻辑芯片74ls47、74ls49等直接译码显示，也可以采用软件译码，用i/o线直接控制显示，即将欲显示数码管所构成对应段的发光二极管点亮即可。3.7 变压器 本设计选用的是将220v转变成12v的小型变压器。变压器是电工、电子技术中常用的电气设备，它是由两个耦合线圈在一个共同的心子上制成，其中，一个线圈作为输入，接入电源后形成一个回路，称为原边回路（或初级回路）；另一个线圈作为输出，接入负载后形成另一个回路，称为边回路

48、（或次级回路）。为了使司机和工作人员能看到车辆车载信息，我们采用发光二级管发出警告信息，进去测试区车辆的单轴轴载没有超重时，发光二级管绿灯亮，允许车辆通过；对于超重车辆，发光二级管红灯亮，同时用led显示其车重（单轴轴载），输出一路信号启动抓拍系统（抓拍系统不做）。实际应用中可用多组发光二级管作为红绿信号灯发出警告信息，并且用led点阵构造的汉字提醒司机是否超重，设置了超亮大型数码管显示器。显示器可由74hc164驱动，静态显示。4 硬件电路设计4.1 设计使用的基本知识介绍我们在学校里学到的几乎都属于基本知识，它是指最基础的东西，我们只有掌握了它才能作更深一步的学习。在实际的应用中，基本知识

49、的掌握程度至关重要，它影响到应用的好坏。本设计应用到的基本的硬件和软件知识将在本节里作简单的介绍。 本设计用到的硬件知识主要有：模拟电子技术、数字电子技术、电子线路的设计与调试、单片机的输入输出、串口通信技术、adc0809模数转换器的使用方法。 在模拟电子技术方面，主要用来放大传感器检测信号和驱动发光二极管以显示传感器检测到车辆轴载。数字电子技术用来把模拟量转换成数字量，把从传感器检测到的模拟量转换成数字值。利用单片机实现综合控制。4.2 芯片介绍及相关电路模块设计集成块出现使硬件电路设计更加简单易懂，从而得到了广泛的应用。在这次毕业设计中用到的主要芯片有单片机89s52、模数转换器adc0

50、809、led数码显示器等。下面详细介绍它们具体的应用方法。4.2.1测重传感器电桥原理图 按照设计的要求，只能模拟其测重原理，我们选用的传感器是湖南宇航科技限公司生产的ls-1型传感器，其工作原理：外界的作用力使传感器的弹性梁发生形变，随之使贴在弹性梁部位的应变片也发生阻止变化，四个应变片是接成桥式测量电路，在激励电压的作用下，输出信号也发生正比的变化（电量）。传感器的精度直接影响称量的精度。表1为称重传感器的技术指标。其量程为20kg，精度为，满量程时误差0.002kg。其原理如图8所示。灵敏度mv/v10.10（13kg）20.10（625kg）非线性%fs0.02重复性0.02蠕变%f

51、s/30min0.02零点输出%fs1零点温度系数%fs/100.02输入电阻42015输出电阻3503绝缘电阻m5000供桥电压v10(dc/ac)max:15(dc/ac)温度补偿范围1050允许温度范围2060允许过负荷%fs150连接电缆mm4400连接方式输入：红（）、黄（） 输出：蓝（）白（）表1 ls-1型传感器的技术指标图8 称重传感器电桥原理图ls-1称重传感器是利用电阻应变原理构成，当外力f直接作用在贴有r1，r2，r3，r4四片应变的弹性体上时，弹性体发生变形，电阻应变片的阻值发生变化，致使电桥发失去平衡，在r1、r3输入额定桥压时，r2、r4上刚有与外力成正比的电压信号

52、输出。输出信号电压可由下式给出： 4.3 前端信号放大处理电路图当汽车以10km/h的速度通过测重板时，1只轮胎通过测重板的时间为0.1s，在这段时间采样200个点，可以得到采样值v和时间t的关系曲线如图所示。由图可以看出，此曲线近似梯形。又由于压力传感器输出的信号为毫伏级信号，比a/d转换器的输入信号低2-3个数量级，故需要设计一个前置放大器。经过方案比较和论证，我们选择了仪用放大器op07，构成一个前级差分比较放大电路和后级反向比例运算放大电路。其电路原理图如图2.2.1所示。（参考）动态测重曲线图2.2.1 前置放大硬件电路图图中，通过运放电路设置了固定的放大倍数。其放大增益为 微弱信号

53、和被分别放大后传送给a/d0809的in0脚，a/d转换器0809的输入电压变化范围是0+10v，传感器的输出电压信号在020mv左右，因此放大器的放大倍数在1000左右。由于要对压力传感器的输出的微弱信号放大1000倍，所以本设计采用两极放大，前级差分比较放大电路，后级反向比例运算放大电路。 4.4 a/d0809转换电路a/d0809是一个8位逐次逼近式a/d转换器，转换时间为100s。3.3.1其工作原理：是由地址锁存信号ale的上升沿将引脚adda、addb和addc上的信号锁存到地址寄存器内用以选择模拟量输入通道；start 信号的下降沿启动a/d转换器开始工作；转换结束时，adc0809使eoc引脚由低电平变成高电平，程序可以通过查询eo