公路超重监测

1、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3.2超重检测系统的设计要求3.3设计的基本思路3.4方案比较和论证3.4.1 控制器3.4.2 前级放大器3.4.3 A/D 转换器3

2、系统构成3.1 压力传感器2.1.1 传感器的定义2.1.2 传感器的作用2.1.3 传感器的组成2.1.4 传感器的分类2.1.5 传感器设计要点%仪器放大器采用 op27%模数转换器采用 A/D0809%继电器%单片机采用 AT89S52%.6MCS-51 单片机的组成%.6电源线%.6端口线%.6控制线%LED 数码管%变压器4 硬件电路设计6设计使用的基本知识介绍6芯片介绍及相关电路模块设计6.5测重传感器电桥原理图6前端信号放大处理电路图6A/D0809 转换电路6.7A/D 电路的信号流程6主控制电路6.8复位电路6.8晶振电路6.8下载接口6人机交互界面6.9键盘接口电路6.9L

3、ED 数码管显示电路6.9电源电路6其它扩展电路6.10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

4、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

5、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

6、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。此次检测系统正是把ADC0809TAT89S52 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 绪论课题背景我国

7、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

8、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土 3%而国内研制的固定式动态车辆称重系统误差为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

9、能。 为此， 我们采用 MCS-51 系列 ADC89S52I 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。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

10、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。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

11、高运算、大寻址范围的 AT89S52E 片,有利于今后对该系统进一步完善。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。(5)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

12、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。(5)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 I/OH,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。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

13、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。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。1设计的基本思路在高速公路测重检测区，设置 4 个相同的

14、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 OP2 比分比较器放大后，把模拟信号传输 ADC0809 专换成数字信号。然后把数字信号传输给单片机AT89S52!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 i 压力传感器设置示意图1方案比较和论证1

15、.7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 LE 四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 EDAa 件编程，下载烧制实现。系统集成于一片 Xilinx 公司的 SpartanII 系歹 XC2s100E5 片上，体积有所减小、逻辑单元灵活、集成度

16、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。1.7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

17、阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放（如 OP07）故成一个差动放大器。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。1.7A/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

18、误差应在 0.5%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：ADC080 舞。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

19、高，但速度较慢（如：TLC7135），具有精确的差分输入，输入阻抗高（大于 103MQ）,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

20、缺点，我们最终选择了方案一，即使用 ADC0809 寸信号进行 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，LE 嗽码管组成，变压器，如图 2 所示。图 2 系统结构压力传感器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一。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

21、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

22、统的状态，或者跟踪系统变化的目标值。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：(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

23、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

24、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秦电信号的转换任务。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分类应义式、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

25、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 4LS-1 型传感器3.2 仪器放大器采用 OP27OP2 虑一种超低噪声、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 OP07-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/C（最大）低失调电压时漂：1.5uV/月（最大）低噪声：0.6uVP-P（最大）宽输入电压范围：14V宽电源电压范

26、围：3V18V模数转换器采用 A/D0809A/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、用/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

27、，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 ADC0809ADC080 英有 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译码电路。转换的数据送入三态输出数据锁存器。ADC0809 卜部引脚如图 5 所示，其引脚功能为：IN7-IN0:8 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

28、实现 A/D 转换。A、RC:多路开关地址选才?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， 具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，具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；高电平时,将 A/D转换后的 8 位数据送出。OP27CLOCK 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。

29、使用频率小于等于640kH 乙对应转换速度大于等于 100 仙 soRef（+）,ref（-）:是内部 D/A 转换器的参考电压输入线。VCC 为+5V,GN 的地。图 5ADC080 切脚结构图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 电器，他是一种电磁式继电器，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，

30、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”。E1B2B3B4B5B6B7E1B2B3B4B5B6B7DDDDD DD DPOOPOTP02P03pot晅眄P07C C0123456701234567VC丽3mI

31、N-IN-IN-mIN-图 6 继电器单片机采用 AT89S52MCS-5 律片机是美国 INT 玄司于 1980 年推出的产品，8051 是 MCS-5 保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、一个全双工的用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

32、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-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 6MCS-51 系列单片机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）、RO 呻序存储器）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 7MCS-51 单片机组成框图POO-RD7P2.0-P2.?图 8MCS-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

33、算器组成：8 位算术逻辑运算单元 ALU(ArithmeticLogicUnit)、8 位累加器 A(Accumulator)、8 位寄存器 B、程序状态字寄存器 PSWProgramStatusWord)、8 位暂存寄存器 TMP 侪口 TMP 冷。功能：完成算术运算和逻辑运算。控制器组成：程序计数器 PCProgramCounter)、指令寄存器 IR(InstructionRegister)、指令译码器 ID(InstructionDecoder)堆栈指针 SR 数据指针 DPTR 定时控制逻辑和振荡器 OSC?电路。功能：CPU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

34、在 IR 中，ID 对 IR 中的指令码进行译码，定时控制逻辑在 OSCE 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MCS-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。程序存储器内部结构如图 8ALFi-li-*=*ittPROMROMTTLUTCFMklh=Psi定附翱打例15粗措令FEZLISCi|iKIMI=hxTAL2透道I钺牛器熊逆 L 黑劲登通道占黑存器通道动魅5000供桥电压V10(DC/AC)MAX:15(DC/AC)温度补偿范围C10+50允许温度范围20+60允许过负荷%FS150连接电缆mm4X400连接方式输

35、入：红（十）、黄（一）输出：蓝（+）白（一）表 1LS-1 型传感器的技术指标Ein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输出。输出信号电压可由下式给出：ARIAR2AR3AR4、HF-+RIR2R3R4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

36、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动态测重曲线R1-尺R2+AR2EOTJI二*Emop07,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）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Vin一和Vin加分别放大后传送给 A/D0809 的 IN0 脚，A/D 转换器 0809 的输入电压变化范围是 0+10V,传

37、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。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。其工作原理：是由地址锁存信号 ALE 的上升沿将引脚 ADDAADDBF 口 ADDC: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，ADC0809EOC 引脚由低电平变成高电平，程序可以通过查询 EOC 卖取转换结果，也

38、可以通过中断方式读取转换结果。CLOC 防转换时钟输入端，频率为 100KHz-1.2MHz,推荐值为 640KHz 其工作时序如图所示ADDCADDSALESTARTE0OEGK)ViLILR4R6R1R3VinR4一阳产叮JOE-9V,1-1A/D 电路的信号流程传感器的输出信号经过前级 op07 进行差分放大，再经过反相比例运算放大，由反馈网络控制放大倍数，得到稳定的信号，该信号进入 A/D 电路的模拟输入口进行模/数转换，A/D 电路必须有稳定的工作电压， 稳定的基准电压， 稳定的低漂移的输入信号， 标准的时钟信号， 在单片机的控制下转换出数字信号 （BCD码。“INT1,INT0”中

39、断信号使系统识别被测对象的量值变化。其主要性能是：.分辨率：8 位；.转换时间：100s；.相对精度：土 1LSB.采用单电源供电、电源电压为+5V、功耗为 15mW数据采集系统电路图如所示：74LS74系统电路图ADC0809 是带有 8:1 多路模拟开关的 8 位 A/D 转换芯片， 所以它可有 8 个模拟量的输入端， 由芯片的 A,B,C三个引脚来选择模拟通道中的一个。A,B,C 三端分别与 8051 的 P1.0P1.2 相接。地址锁存信号（ALE）和启动转换信号（START）,由 P2.7 和/WR 或非得到。输出允许，由 P2.7 和/RD 或非得到。时钟信号，可有 8051 的

40、ALE 输出得到，不过当采用 6M 晶振时，应该先进行二分频，以满足 ADC0809 的时钟信号必须小于 640K 的要求。由于 A/D 转换器精度与外接的积分电阻、积分电容的精度无关，故可以降低对元件质量的要求。不过积分电容和积分电容的介质损耗会影响到 A/D 转换器的精度，所以应采用介质损耗较小的聚丙乙烯电容。4.5 主控制电路本设计以 ATME 公司的 MCS-51 系列的 89S52 芯片为控制核心，该高速公路超重检测系统以 89S52 为控制器实现测重的各项功能。主控电路包括复位电路、晶振电路、下载接口和开关等组成，系统实现的功能主要通过 C 语言实现。复位电路单片机在启动运行时需要

41、复位，使 CPU 以及其他功能部件处于一个确定的初始状态（如 PC 的值为 0000H）,并从这个状态开始工作，单片机应用程序必须以次作为设计前提。另外，在单片机工作过程中，如果出现死机时，也必须对单片机进行复位，使其重新开始工作。P0.1-P0.7P2.0P2.1P2.2/RD8051P2.7/WRP1.0ALED0-7ABCOE0809STARTALEIN0IN7VCCVref+EOCCLOCKVref-0202MCS-51 的复位电路包括上电复位电路和按键（外部）复位电路，不管是何种复位电路，都是通过复位电路产生复位信号（高电平有效）由 RST/VPD 引脚送入到内部的复位电路，对 MC

42、S-51 进行复位。复位信号要持续两个机器周期(24 个时钟周期)以上，才能使 MCS-51 单片机可靠复位。按键复位电路又包括按键脉冲复位和按键电平复位。按键脉冲复位电路由外部提供一个复位脉冲，复位脉冲的宽度应大于两个机器周期。按键电平复位电路是按下复位按键，电容 C 被充电，RST/VPD端的电位逐渐升高为高电平，实现复位操作，按键释放后，电容器经内部下拉电阻放电，RST/VPD端恢复低电平。本设计用的是按键电平复位。其电路如图所示。晶振电路计算机执行指令的过程可分为取指令、分析指令和执行指令三个步骤，每个步骤又由许多微操作所组成，这些微操作必须在一个统一的时钟脉冲的控制下才能按照正确的顺

43、序执行。时钟脉冲由时钟振荡器产生，MCS-51 的时钟振荡器是由单片机内部反相放大器和外接晶振及微调电容组成的一个三点式振荡器，将晶振和微调电容接到 89S52 的 XTAL1 和 XTAL2 端即可产生自激振荡。通常振荡器输出的时钟频率 fosc 为 676MHz 调节微调电容可以微调振荡频率 fosc。MCS-51也可以使用外部时钟。单片机的时序是指 CPU 在执行指令时所需控制信号的时间循序。时序信号是以时钟脉冲为基准产生的。CPU 发出的时序信号有两类：一类用于片内各功能部件的控制，由于这类信号在 CPU 内部使用，用户无须了解；另一类信号通过单片机的引脚送到外部，用于片外存储器或 I

44、/O 端口的控制，这类时序信号对单片机系统的硬件设计非常重要。本设计用的是外部时钟。如图所示。下载接口本系统设计的下载接口采用 ISP 技术，ISP(In-SystemProgramming)在系统可编程，指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用 ISP 方式擦除或再编程。传统的编程方式，举设计单片机系统为例，如果想要对单片机编程序，必须要把单片机先从电路板上取下来，然后放入专用的编程器进行编程，最后再次放入电路板进行调试。可以看出，这样的开发步骤有以下缺点：频繁的拔插芯片，容易损坏芯片的引脚；如果频繁的调试程序，换程序，必须重复拔插，大

45、大降低了开发效率。isp 技术彻底地改变了传统的开发模式，它只要在电路板上留下个接口(如 ispdown 的十芯插座)，配合 ispdown 的下载电缆，就可以不用拔出芯片，在电路板上就可以对芯片进行编程，对比传统的开发系统，有以下优势：(1)工程师在开发电子系统时彻底告别频繁拔插芯片的噩梦，避免损坏芯片的引脚；ISP 可以加速产品的上市并降低研发成本。ISP 技术帮助工程师缩短从设计、制造到现场调试、简化生产流程大大提高了工作效率。在试验新品或学生试验等经常需要用不同的程序调试芯片的场合中， 在线编程技术尤为重要。采用 ISP 设计是对市场定型产品进行现场升级和维护的最经济、最有效的方式。I

46、SP 的工作原理ISP 的工作原理比较简单，一般通用做法是内部的存储器可以由上位机的软件通过外部接口来进行改写。对于单片机来讲可以通过 SPI 或其它的串行接口接收上位机传来的数据并写入存储器中。所以即使我们将芯片焊接在电路板上，只要留出和上位机接口的这个串口，就可以实现芯片内部存储器的改写，而无须再取下芯片。ISP 的优点ISP 技术的优势是不需要编程器就可以进行单片机的实验和开发，单片机芯片可以直接焊接到电路板上，调试结束即成成品，免去了调试时由于频繁地插入取出芯片对芯片和电路板带来的不便。4.6 人机交互界面人机交互界面显示是否直观，控制是否方便直接影响工作人员的工作效率，困此设计时经多

47、方考虑，我们尽可能将显示界面友好化，将控制键盘简单化。由于 0809 可利用的引脚多，可以控制键盘和 LED。不需要外加键盘或显示控制芯片，从而简化了外部电路。而且编程难度不大，容易实现。键盘接口电路由于检测车重需要设置车型，这就需要一个开关键和一个复位键。开关键是开单片机的电源的，复位键是使单片机复位，重新运行程序时使用。LED 数码管显示电路现在驱动 LED 数码管流行采用单片机设计电路，但发现一些显示(LED&码管)电路设计复杂，没有充分利用单片机的电器特点、没有采用“硬件软化”的方法。直接用单片机的 8 位数据口作为数码管的 8 段显示驱动口。这种显示方式虽然简便，电路也最简单

48、，但显示的位数很少(最多四位)。但已经满足了此次设计要求，所以选用此种方式。LED 的结构原理发光二极管是一种将电能转变成光能的半导体器件。简称 LED(LightEmittingDiode）。LED 数码管结构简单，价格便宜。八段 LED 显示管有八只发光二极管组成，编号是 a、b、c、d,e,f 和 SP,分别和同名管脚相连。七段 LED 显示管比八段 LED 少一只发光二极管 SP,其它和八段 LED 相同。在给每个二极管通电后，二极管发光后表示要显示的数字的一部分，当组成这个数字的所有二极管都发亮时，才能正确的显示这个数字。LED 显示器是单片机应用系统中常用的廉价输出设备。它是由若干

49、个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一段笔画发亮。控制不同组合的二级管导通，就能显示出各种字符。使用 LED 显示器的时候，为了显示数字或是字符，要为 LED 显示器提供代码，因为这些代码是通过各个段的亮与灭来显示不同字符的，因此称之为段码。7 段 LED 的段码如下表所示：表 3.37 段 LED 的段码显示字符共阴极段码共阳极段码显示字符共阴极段码共阳极段码03FHC0Hc39HC6H106HF9Hd5EHA1H25BHA4HE79H86H34FHB0HF71H8EH466H99HP73H8CH56DH92HU3EHC1H67DH82HT31HCCEH707HF8Hy6E

50、H91H87FH80HH76H89H96FH90HL38HC7HA77FH88H“灭”00HFFHB7CH83H（2）LED 显示器工作原理由 N 个 LED 显示块可以接成 N 位 LED 显示器。N 个 LED 显示块有 N 根位选线和 8*N 根段选线。根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方法也各不同。段选线控制显示字符的字型，而位选线为各个 LED 显示块的公共端，它控制该LED显示位的亮，暗。LED 静态显示方式LED 显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极或是共阳极连接在一起并接地（或是+5V）;每段的段选线（adp）分别与一个 8 位的锁存器输出连接。所以称为静态显示。LE

51、D 的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止。也正是因为如此，静态显示的亮度都较高。LED 动态显示方式在多位 LED 显示时，为了简化硬件电路，通常将所有位的段选线相应的并联在一起，由一个 8位 I/O 口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阴极或是共阳极分别由相应的 I/O 线冬至，实现各位的分时选通。如以一个四位段显示为例来说明，其中段选线占用一个 8 位 I/O 口，而位选线占用一个 4 位 I/O 口。由于各位的段选线并联，段码的输出对于各位来说都是相同的。因此次，同一时刻，如果各位位选线都处于选通状态的话，4 位 LED 将显示相同的字符。若要各位

52、LED 能够显示出与本位相应的显示字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只要让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的为选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字符的段码。这样同一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选通处于关闭状态，同时，在段选线上输出相应位将要显示字符的段码，则同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其他各位都是熄灭的。如此循环下去，就可以使各位显示出将要显示的字符。虽然这些字符上在不同时刻出现的，而且同一时刻，只有一个位显示，其他各位熄灭，但是 LED 显示器的余辉和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到

53、同时显示的目的。本次设计是使用了数码管的动态显示方式。综上所述，显示电路的连接方式及工作原理都已经清楚明了。本次设计中选用的数码管是共阴极 LED。设计中使用 P1.0P1.7 控制数码管的暗、亮，通过 P2.0-P2.3 进行位选。显示电路如图3.13。显示部分图 3.13(1)数码显示管与单片机的连接图图 3.13(2)数码显示管与单片机的连接图LED 的位选通过一个三极管来驱动，这样就可以使数码管的显示亮度更高，效果更好。图2.7.1+12V电源电路图为了使硬件调试方便，我们用小型变压器将 220V 交流电压转变成 12V 交流电压，再通过整流桥把交流电变直流电，然后通过稳压三极管得出稳

54、定的电压，图中的电容都是作为滤波电容。这样电路板就可以直接插到 220V 交流电源上进行操作实现系统功能，极为方便。4.7 其它扩展电路警告电路本系统采用的是发光二极管与 1K 的电阻连接作为警告电路，当进入检测去区的车辆超重时，系统发出一信号使发光二极管红灯显示，警告该车已经超重；对没有超重的车辆系统也发出一消耗使发光二极管绿灯亮，提示车辆允许通过。图2.8.3报警电路原理图5 系统 PCBfe 的设计电路设计好以后，PCB 板的设计也是一个十分重要的内容。电路设计的合理，制成电路板后系统却工作不正常的事情屡见不鲜，究其原因，多半是 PCB 板的设计存在问题，特别是频率较高的电路和数字模拟混

55、合电路的印刷线路板的设计。在这次制作印刷板的过程中，我得到了很多的经验。确定 PCB 勺大小首先，要考虑 PCB 尺寸大小。PCB 尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定 PCB 尺寸后.再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。布局第一次布局时，为了美观，把电容、电阻排放在一起，没有围绕核心元件布局，没有考虑实际的元件连接，因此连线复杂而且本来可以短线连接的变成长线连接，op07没有起到差分放大的作用，经过调试之后，重新布局如下：(1)按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号

56、流通，并且使信号尽可能保持一致的方向。(2)以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件均匀、整齐、紧凑地排列在 PCB 上.尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。(3)尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易。布线(1)输入输出端用的导线尽量避免相邻平行。(2)印制导线拐弯处取圆弧形，因直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，在本系统中，用栅格状敷铜，这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。(3)本系统的过孔较多，有 50 多个过孔，在布线的过程中特别要注意，

57、过孔尽量不要布在芯片的下面。特别是贴片形式的芯片。如果在贴片下有过孔，那么这个布线就是错误的。我们在布线的过程中考虑电路的特殊要求，以及为了更好的保护贴片和电路调试的方便，我们采用在贴片的地方，自己做一个 DIP 的封装，把贴片放在另外一块小板上，这个小板再插在大电路板的 DIP 上。在实际的制作过程中还要考虑焊芯片的方便。这样我们尽量将芯片的焊线布在底层，这样焊既方便又美观。6 系统软件的设计6.1 开发软件及编程语言简介本设计可以用 C 语言编程序，也可以用汇编语言编程序，采用编程与 C 语言进行算法实现，并使程序效率满足实时性要求，目前最流行的编程方法是采用混合语言编程即将 C 语言和汇

58、编语言的有时有机的结合起来。因此，本人选择了用 C 语言编写程序。主要编程序来控制定时、计时中断、和输出等。下面介绍 C 语言编程的优点。C 语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。C 语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。C 语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。止匕外，C 语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。因此，使用 C 语言进行程序设计已成为软件开发的一个主流。用 C 语言来编写目标系

59、统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备的系统。止匕外，此系统的程序设计用 KEILuVision2 变成工具，KEILC51 标准 C 编译器为 MCS-51系列微控制器的软件开发提供了 C 语言环境，同时保留了汇编代码高效，快速的特点。C51 编译器的功能不断增强，C51 已被完全集成到 uVision2 的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。一个单一的 uVision2 工程能够产生一个或多个目标程序。产生目标程序的源文件

60、构成“组”。开发工具选项可以对应目标，组或单个文件。uVision2 包含一个器件数据库(devicedatabase),可以自动设置汇编器、编译器、连接定位器及调试器选项，来满足用户充分利用特定微控制器的要求。此数据库包含：片上存储器和外围设备的信息，扩展数据指针(extradatapointer)或者加速器(mathaccelerator)的特性。uVision2 可以为片外存储器产生必要的连接选项：确定起始地址和规模。uVision2 的强大功能：集成源极浏览器利用符号数据库使用户可以快速浏览源文件。 用详细的符号信息来优化用户变数存储器。文件寻找功能：在特定文件中执行全局文件搜索。工具菜单：允