【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 分析和 對(duì)其 之間的 關(guān)系進(jìn) 行深 入的研 究有 利于幫 助提高 系統(tǒng)的測(cè)量精度。 （ 2）注重模型和實(shí)踐檢驗(yàn) 。由上面所了解 到的許多關(guān)于車輛動(dòng)態(tài) 稱重技術(shù) 的研究 方法， 這些 技術(shù)大 多數(shù)仍 停留 在理論 研究 的層次 ，真正 應(yīng)用于實(shí)踐的并不多，而沒(méi)有能在真正的系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境以及以實(shí)踐中檢驗(yàn)。 （ 3）應(yīng)用高性能微控制器。電子衡器儀表 與微控制器的結(jié)合，是衡器發(fā)展 的歷史 飛躍。 這是 由于采 用微控 制器 后，對(duì) 動(dòng)態(tài) 稱重信 號(hào)的實(shí) 時(shí)分析成 為可能 ，如機(jī) 械阻 抗分析 、數(shù)字 濾波 、傅立 葉分 析等， 這樣使 電子衡器 儀表的 數(shù)據(jù)處 理能 力有很 大的提 高， 使車輛 動(dòng)態(tài) 稱重技 術(shù)的國(guó) 內(nèi)發(fā)展展望。 A) 車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)將融入ITS(Intellingent Transport Systems)，成為其組 成部分，因此作 為固定式的 WIM 系 統(tǒng)或裝置，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮 這一背景，在數(shù)據(jù)處理、信 號(hào)傳輸、上下位機(jī)的關(guān)系 、硬件配備等方面 ，均要考慮 ，以便于其“嵌入 ”ITS。 B) 稱 重傳感 器的 壽命 將制 約車 輛動(dòng) 態(tài)稱 重系 統(tǒng)的 廣泛 使用 ，這是國(guó)內(nèi)業(yè) 界應(yīng)當(dāng) 認(rèn)真面 對(duì)的 問(wèn)題。 國(guó)內(nèi)較 為普 遍地運(yùn) 用壓 電陶瓷 式、電 阻應(yīng)變片 式等形 式稱重 傳感 器，國(guó) 外則較 多地 運(yùn)用了 壓電 薄膜、 液壓管 、共聚物 壓電軸 等形式 的稱 重傳感 器，大 大提 高了使 用壽 命，對(duì) 于便攜 式WIM 系統(tǒng)還能方便現(xiàn)場(chǎng)使用。 C) 目 前國(guó)際 上還 沒(méi)有 規(guī)范 且權(quán) 威的 車輛 動(dòng)態(tài) 稱重 技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn) ，僅有 14 一個(gè)得到西方國(guó)家承認(rèn)的國(guó)際參考標(biāo) 準(zhǔn) ASTM E1318— 94。這給我國(guó)研 究和應(yīng)用 車輛動(dòng) 態(tài)稱重 技術(shù) 帶來(lái)了 機(jī)遇和 挑戰(zhàn) 。機(jī)遇 是在 沒(méi)有國(guó) 際權(quán)威 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn) 的情形 下，我 國(guó)有 了領(lǐng)先 設(shè)立國(guó) 際標(biāo) 準(zhǔn)的機(jī) 會(huì)。 挑戰(zhàn)在 于如何 在國(guó)內(nèi)深入研究和應(yīng)用車輛動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)，至少先要建立相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并付諸實(shí)施。 D)低速 WIM 系統(tǒng)的造價(jià)和維 護(hù)費(fèi)用都要低于高速 WIM 系統(tǒng)。以我國(guó)目前的道路運(yùn)輸水平，對(duì)應(yīng) WIM 系統(tǒng)的允 許通過(guò)車速并不需要太高。 用于計(jì)重收費(fèi)的場(chǎng)合，固定式 WIM 系統(tǒng)一般 安裝在收費(fèi)口或匝道口，在 與ITS 系統(tǒng)相配的情形下，車速一般不會(huì)高于 40km/h。用于執(zhí)法臨檢的場(chǎng)合， 便攜式 WIM 系統(tǒng)一般安裝于輔道或路側(cè)，車速一般不會(huì)高于 5km/h。 主 要設(shè) 計(jì)（ 研究 ）內(nèi) 容 本設(shè)計(jì) 涉及一 基于 單片機(jī) 設(shè)計(jì) 的機(jī)車 超載 檢測(cè)系 統(tǒng)， 在高速 公路收費(fèi)口的 路面上 裝有固 定連 著傳感 器的鋼 板， 當(dāng)汽車 經(jīng)過(guò) 時(shí)，車 輛的重 量就會(huì)被 稱重傳 感器測(cè) 量出 來(lái)，送 到變送 器處 理后， 再傳 送到計(jì) 算機(jī)， 經(jīng)過(guò)分析判斷，就會(huì)對(duì)超載車輛發(fā)出警報(bào)。 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要功能： （ 1）該系統(tǒng)有 32 個(gè)傳感器 ，每個(gè)收費(fèi)路口用 4 個(gè)傳感器組成一個(gè)稱，可同時(shí)檢測(cè) 8 個(gè)收費(fèi)口； （ 2）計(jì)算機(jī)通過(guò)發(fā)送命令字 控制相應(yīng)的變送器進(jìn)行校 正、故障診斷、數(shù)據(jù)采集等工作； （ 3）一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制 32 個(gè)變送器工作，采用多點(diǎn)通訊形式； （ 4）具備掉電參數(shù)保護(hù)功能 ，上電后參數(shù)恢復(fù)功能（部分?jǐn)?shù)據(jù)清零）； （ 5）能夠遵循 RS485 通訊 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，生成 標(biāo)準(zhǔn) MODBUS 通信數(shù)據(jù)包。 15 系 統(tǒng)主 要技 術(shù)指 標(biāo) 本系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)如下 : （ 1）參數(shù)測(cè)量誤差范圍為不大于177。 1%； （ 2）監(jiān)控?cái)?shù)量： 32 臺(tái)； （ 3）實(shí)時(shí)采集周期＜＝ 1 次 /1 分鐘，發(fā)送周期＝ 1 次 /1 小時(shí)； （ 4）數(shù)據(jù)輸出：所有表格數(shù)據(jù)，查詢結(jié)果均可輸出為 Excel 文件。 解 決的 關(guān)鍵 問(wèn)題 本系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題如下： （ 1）尋 找適合現(xiàn)場(chǎng)條件的稱重傳感器。傳感器的靈敏度、測(cè)量范圍、防止方式都會(huì)影響所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 （ 2）測(cè)量數(shù)據(jù)的處理。若測(cè)量數(shù)據(jù)處理不 當(dāng)，系統(tǒng)就會(huì)做出錯(cuò)誤的判斷，在數(shù)據(jù)處理不當(dāng)?shù)臅r(shí)候，進(jìn)行合理的判斷處理。 （ 3）鍵盤輸入。鍵盤用來(lái)設(shè)定上限值和解除報(bào)警。 （ 4）掉電保護(hù)。在一些測(cè) 控系統(tǒng)中，存在電源開(kāi) 斷、瞬時(shí)電壓不穩(wěn)等不安 全因素 ，將會(huì) 造成 系統(tǒng)死 機(jī)、信 息丟 失、運(yùn) 行不 穩(wěn)定等 故障， 這就需要掉電保護(hù)。 （ 5）與上位機(jī)的通信（標(biāo)準(zhǔn) MODBUS 通信）。 16 2 系 統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 系 統(tǒng)總 體結(jié) 構(gòu)及 其功 能 設(shè)計(jì)總體結(jié) 構(gòu)如圖 所示。 圖 以單片機(jī)為處理器的系統(tǒng) 本設(shè)計(jì) 為車輛 超載 檢測(cè)系 統(tǒng)的 設(shè)計(jì)， 要求 能夠判 斷車 輛是否 超載并且在超載時(shí)能夠提供報(bào)警和顯示超載的重量。本設(shè)計(jì)采用 AT89C51 單片機(jī)作為核心處理器，利用橋式稱重傳感器 WPL110 將機(jī)動(dòng)車載重量轉(zhuǎn)換成電 壓 信 號(hào) ； 然 后 通 過(guò) 放 大 電 路 將 電 壓 信 號(hào) 放 大 后 送 到 A/D 轉(zhuǎn) 換 芯 片TLC0838 轉(zhuǎn) 換成數(shù) 字信 號(hào)并 計(jì)算 出載重 量； 所得 的載 重量將 通過(guò) RS485接口電 路送到 上位機(jī) ，上 位機(jī)與 設(shè)定的 載重 量作比 較并 判斷是 否超載 ，若超載 顯示超 載的重 量并 報(bào)警； 參數(shù)可 通過(guò) 鍵盤設(shè) 定， 鍵盤還 可解除 報(bào)警。 方 案設(shè) 計(jì) 方案一 處理器基于 AVR 的機(jī)動(dòng)車超載檢測(cè)系統(tǒng)。 本檢測(cè) 系統(tǒng)主 要由 主控制 板、 顯示部 分、 鍵盤部 分、 采集部 分、串 17 行通信部分和報(bào)警部分構(gòu)成。主控制板主要由 AVR 單片機(jī)、 CPLD、濾 波電路、電平轉(zhuǎn)換電路等構(gòu)成。 AVR 單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)控制功能， CPLD 主要實(shí)現(xiàn) I/O 口擴(kuò)展 、邏輯判斷等功能。系統(tǒng) 經(jīng)過(guò)初始化之后，先用鍵盤 設(shè)定載重上限值，然后采集數(shù)據(jù)，由 AVR 單 片機(jī)判斷是否超載，超載要 發(fā)出報(bào)警。 方案二 處理器基于 51 系列單片機(jī)的機(jī)動(dòng)車超載檢測(cè)系統(tǒng)。 系統(tǒng)硬件框圖如下所示 : 圖 基于 51 系列單片機(jī)的系統(tǒng)硬件框圖 本次設(shè)計(jì)采用 51 系列的 AT89C51 單片機(jī) 作為系統(tǒng)處理的核心，利用橋式稱重傳感器 WPL110 將機(jī)動(dòng)車載重量 轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；然后通過(guò)放 大電路將電壓調(diào)理后送到 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 TLC0838 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并計(jì)算出載重量；所得的載重量將通過(guò) RS485 接口 電路送到上位機(jī)，上位機(jī)與 設(shè)定的載 重量作 比較并 判斷 是否超 載，若 超載 顯示超 載的 重量并 報(bào)警； 參數(shù)可通過(guò)鍵盤設(shè)定，鍵盤還可解除報(bào)警。 方 案的 論證 AVR 系列 AVR 單片機(jī)是 Atmel 公司推出的較為新穎的單片機(jī)，其顯著 的特點(diǎn)為高性能 、高速 度、低 功耗 。它取 消機(jī)器 周期 ，以時(shí) 鐘周 期為指 令周期 ， 18 實(shí)行流水作業(yè)。 通用寄存器一共 32 個(gè)（ R0～ R31），前 16 個(gè) 寄存器（ R0～ R15）都不能直接與立即數(shù)打交道，因而通用性有所下降。 AVR 系列沒(méi)有類似累加器 A 的結(jié)構(gòu)，它主要是通過(guò) R16～ R31 寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn) A 的功能。在 AVR 中，沒(méi)有像 51 系 列的數(shù)據(jù)指針 DPTR，而是由 X（由 R2 R27 組成）、 Y（由 R2 R29 組成）、 Z（由 R R31 組成）三個(gè) 16 位的寄存器來(lái)完成數(shù)據(jù)指針的功能 (相當(dāng)于有三組 DPTR)，而且 還能作后增量或 先減量等的運(yùn)行。 51 系列 51 系列內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器，或 布爾處 理器。 它的 處理對(duì) 象不是 字或 字節(jié)而 是位 。雖然 其他種 類的單片機(jī)也具有位處理功能，但能進(jìn)行位邏輯運(yùn)算的實(shí)屬少見(jiàn)。 51 系列在片內(nèi) RAM 區(qū)間 還特別開(kāi)辟了一個(gè)雙重功 能的地址區(qū)間，十六個(gè)字節(jié) ，單元地址 20H～ 2FH，它既可作字節(jié)處理，也可作位處理，使用極為靈活 。 51 系列的 I/O 腳的設(shè)置和使用非常簡(jiǎn)單，當(dāng)該腳作輸入腳使用時(shí)，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時(shí)，各 I/O 口均置高電平）。當(dāng)該腳作輸出腳使用時(shí)，則為高電平 或低電平均可。低電平時(shí)，吸入電流可達(dá) 20mA，具有一定的驅(qū)動(dòng)能力；而為高電平時(shí)，輸出電流僅數(shù)十μ A 甚至更小（ 電流實(shí)際 上是由 腳的上 拉電 流形成 的）， 基本 上沒(méi)有 驅(qū)動(dòng) 能力。 其原因 是高電平 時(shí)該腳 也同時(shí) 作輸 入腳使 用，而 輸入 腳必須 具有 高的輸 入阻抗 ，因而上 拉的電 流必須 很小 才行。 作輸出 腳使 用，欲 進(jìn)行 高電平 驅(qū)動(dòng)時(shí) ，得利用外電路來(lái)實(shí)現(xiàn)， I/O 腳不通，電 流經(jīng) R 驅(qū)動(dòng) LED 發(fā)光；低電 平時(shí)，I/O 腳導(dǎo)通，電流由該腳入地， LED 滅（ I/O 腳導(dǎo)通時(shí)對(duì)地的電壓降小于 19 1V， LED 的域值 ～ ）。 方 案的 確定 本次設(shè)計(jì)采用 51 系列 AT89C51 單片機(jī)， 選用它作為 核心控制新片，可使電路極大地簡(jiǎn)化，而且程序的編寫及固化也相當(dāng)方便、靈活。 與系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)方案包括：看門狗的選擇、傳感器的選擇、 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的選擇、顯示器的選擇、通訊模塊的選擇及電源方案等。 1）看門狗的選擇：看門狗芯片可以選擇 X25045 和 MAX813L 等。X25045 內(nèi)部沒(méi)有故障檢測(cè)，而 MAX813L 內(nèi) 部自帶了看門狗躍遷檢測(cè)器 ，故選用 MAX813L。它有加電、掉電以及供電電壓下降情況下的復(fù)位輸出，復(fù)位脈沖寬度典型值為 200 ms；獨(dú)立的看 門狗輸出，如果看門狗輸 入在1． 6 s 內(nèi)未被觸發(fā)，其輸出將變?yōu)楦唠娖剑? V 門限值檢測(cè)器，用于電源 故障報(bào)警、電池低電壓 檢測(cè)或＋ 5 V 以外的電源監(jiān) 控；低電平有效 的手動(dòng)復(fù)位輸入； 8 引腳 DIP 封裝。 2）傳感器的選擇：橋式稱重傳感器有 WPL1 CL110 等 , CL110 的額定載荷是 10～ 30t，而 WPL110 的額定載荷 是 10～ 50t ，故本設(shè)計(jì) 選擇 WPL110。它抗偏載，組合 壓頭具有自動(dòng) 復(fù)位與調(diào)心功能。高精度、 低功效、全密封，適用于各類惡劣環(huán)境。量程是 10～ 50t ，綜合精度達(dá) 到0． 02（線性 +滯后 +重復(fù)性），靈 敏 度是 mV/V ，工作溫度在 20℃～+65℃ ，輸入阻抗是 700Ω ，輸出阻抗是 750 Ω ，安全過(guò)載： 150％ F?S ，供橋電壓為 12VDC 。 3） A/D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的選擇： A/D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 器，根據(jù)輸出的信號(hào)格式，可分為并行 A／ D 和串行 A／ D。并行方 式一般在轉(zhuǎn)換后可直接讀取 數(shù)據(jù)，但芯片的引腳比較多；串行方式所用芯片引腳少、封裝小，在 PCB 板上 20 占用的空間也 小。故本設(shè)計(jì) 采用串行 A／ DTLC0838。 TLC0838 是美國(guó)德 州儀器公司生產(chǎn)的 8 位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。具有輸進(jìn)可配置的多通道多路器和串形輸進(jìn)輸出方式。它有 8 位分辨 率；易于和微處理器接口或 獨(dú)立使用；可滿量程工作；可用地址邏輯多 路器選通 8 輸進(jìn)通道；單 5V 供電，范圍為 0～ 5V：輸進(jìn)和輸 出與 TTL、 CMOS 電平兼 容；時(shí)鐘頻率為 250kHz時(shí)，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為 32μ s；總調(diào)整誤差為177。 1LSB。 4）顯示器的選擇：本設(shè)計(jì)采用 LED（ Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，它是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直 接把電轉(zhuǎn)化為光。 LED的心臟 是一個(gè) 半導(dǎo)體 的晶 片，晶 片的一 端附 著在一 個(gè)支 架上， 一端是 負(fù)極，另一端連接電源的 正極 ，使整個(gè)晶片 被 環(huán)氧樹(shù)脂 封裝起來(lái)。 LED 體積小，耗電相當(dāng)?shù)?，直流?qū)動(dòng)，超低功耗（單管 瓦），電光 功率轉(zhuǎn)換接近 100%。一般 來(lái)說(shuō) LED 的工作電壓是 ，工作電流是； 5）通訊模塊的選擇：本設(shè)計(jì)采用 RS485 通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議， RS485 驅(qū)動(dòng)器和接收器價(jià)格便宜，并且只需要單一的一個(gè) +5V（或者更低）的電 源來(lái)產(chǎn)生差動(dòng)輸出需要的最小 的壓差 。 RS485 是一個(gè)多引出線 接口，這個(gè)接 口可以 有多個(gè) 驅(qū)動(dòng) 器和接 受器， 而不 是限制 為兩 臺(tái)設(shè)備 。利用 高阻抗接受器，一個(gè) RS485 連接可以最多有 256 個(gè)接點(diǎn)，最長(zhǎng)可以達(dá)到4000ft,比特率可以高達(dá) 10Mbps。 6）電源方案：本設(shè)計(jì)中的電源主要有兩種：、 +5V 和 +12V。 +5V 為單片機(jī)、 TLC083顯示、鍵盤、蜂鳴器、 MAX813L 及 MAX485 的模擬電 源與數(shù)字電源； +12V 的電源是供給運(yùn)算放大器、傳感器和看門狗芯片的。 綜上所述，我們本次設(shè)計(jì)采用 51 系列的 AT89C51 單片機(jī)作為系統(tǒng)處 21 理的核心，利用橋式稱重傳感 器 WPL110將機(jī) 動(dòng)車載重量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào) ；然后通過(guò)放大電路將電壓信號(hào)放大后送到 A/D 轉(zhuǎn)換芯 片 TLC0838 轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號(hào)并計(jì)算出載重量；所得的載重量將通過(guò) RS485 接口電路送到 上位機(jī)， 上位機(jī) 與設(shè)定 的載 重量作 比較并 判斷 是否超 載， 若超載 顯示超 載的重量并報(bào)警；參數(shù) 可通過(guò)鍵盤設(shè)定，鍵盤還可解除聲光報(bào)警。 22 3 系 統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng) 主要由 看門 狗模塊 、通 訊模