【文章內(nèi)容簡介】 換芯片 TLC0838 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并計(jì)算出載重量；所得的載重量將通過 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)動車超載檢測系統(tǒng)。本檢測系統(tǒng)主要由主控制板、顯示部分、鍵盤部分、采集部分、串行通信部分和報(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)動車超載檢測系統(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14器 WPL110 將機(jī)動車載重量轉(zhuǎn)換成電壓信號；然后通過放大電路將電壓調(diào)理后送到 A/D轉(zhuǎn)換芯片 TLC0838 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并計(jì)算出載重量；所得的載重量將通過 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，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 系列沒有類似累加器 A 的結(jié)構(gòu)，它主要是通過 R16～R31 寄存器來實(shí)現(xiàn) A 的功能。在 AVR 中，沒有像 51 系列的數(shù)據(jù)指針 DPTR，而是由 X（由 R2R27 組成）、Y（由 R2R29 組成）、Z（由 RR31 組成）三個(gè) 16 位的寄存器來完成數(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。51 系列在片內(nèi) RAM 區(qū)間還特別開辟了一個(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)動能力；而為高電平時(shí)，15輸出電流僅數(shù)十 μA 甚至更?。娏鲗?shí)際上是由腳的上拉電流形成的），基本上沒有驅(qū)動能力。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)動時(shí)，得利用外電路來實(shí)現(xiàn)，I/O 腳不通，電流經(jīng) R 驅(qū)動 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)對地的電壓降小于 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)部沒有故障檢測，而 MAX813L 內(nèi)部自帶了看門狗躍遷檢測器，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 門限值檢測器，用于電源故障報(bào)警、電池低電壓檢測或＋5 V 以外的電源監(jiān)控；低電平有效的手動復(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 WPL1CL110 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)輸出的信號格式，可分為并行16A／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 板上占用的空間也小。故本設(shè)計(jì)采用串行A／DTLC0838。TLC0838 是美國德州儀器公司生產(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 32μs；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)氧樹脂封裝起來。LED 體積小，耗電相當(dāng)?shù)?，直流?qū)動，超低功耗（單管 瓦），電光功率轉(zhuǎn)換接近 100%。一般來說 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）的電源來產(chǎn)生差動輸出需要的最小 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)動器和接受器，而不是限制為兩臺設(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)處理的核心，利用橋式稱重傳感器 WPL110 將機(jī)動車載重量轉(zhuǎn)換成電壓信號；然后通過放大電路將電壓17信號放大后送到 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 TLC0838 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并計(jì)算出載重量；所得的載重量將通過 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)可通過鍵盤設(shè)定，鍵盤還可解除聲光報(bào)警。3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)18本系統(tǒng)主要由看門狗模塊、通訊模塊、鍵盤模塊、采集模塊和顯示模塊組成，硬件框圖如圖 所示。圖 系統(tǒng)硬件框圖下面將具體介紹各個(gè)主要組成部分的功能、選型以及具體連接方式。 單片機(jī) AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié) Flash 閃速存儲器，128 字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個(gè) I/O 口線，兩個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，19并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。芯片圖如圖 所示。 采集模塊 惠斯登電橋1 橋路形式在應(yīng)變計(jì)的電測技術(shù)中，應(yīng)用最廣泛的測量電路是惠斯通電橋電路。測量電橋由于具有靈敏度高、測量范圍寬、電路結(jié)構(gòu)簡單、精度高、容易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因此能很好地滿足應(yīng)變測量的要求。 電橋根據(jù)電源的性質(zhì)分直流電橋和交流電橋兩種，當(dāng) Ui 為直流時(shí)該電橋?yàn)橹绷麟姌?。電橋電路如圖 所示，它的四個(gè)橋臂由 RRRR4 組成。當(dāng)四臂電阻 R1=R2=R3=R4=R 時(shí)，稱為等臂電橋；當(dāng) R1=R2=R,R3=R4=R39?！賀 時(shí)，稱為輸出對稱電橋；當(dāng) R1=R4=R，R2= R3=R39。≠R 時(shí)，稱為電源對稱電橋，本設(shè)計(jì)采用等臂電橋。 圖 電橋電路2 工作方式：單臂工作：電橋中只有一個(gè)臂接入被測量，其它三個(gè)臂采用固定電阻；雙臂工作：如果電橋兩個(gè)臂接入被測量，另兩個(gè)為固定電阻就稱為雙臂工作電橋，20又稱為半橋形式；全橋方式：如果四個(gè)橋臂都接入被測量則稱為全橋形式。本設(shè)計(jì)采用全橋方式。電橋的輸出方式有電流型和電壓型兩種，主要根據(jù)負(fù)載情況而定。本設(shè)計(jì)采用的是電壓輸出型，故只介紹電壓輸出型。當(dāng)電橋輸出端接有放大器時(shí)，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻為無窮大，這時(shí)電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，其表達(dá)式為： (131)對于等臂電橋 R1=R2=R3=R4=R ，當(dāng) R1 的電阻增量 ΔR1=ΔR 時(shí)，可得輸出電壓為： (132) 在實(shí)際使用中為了進(jìn)一步提高靈敏度，常采用等臂電橋，四個(gè)被測信號接成兩個(gè)差動對稱的全橋工作形式，R1=R+ΔR,R2=RΔR,R3=R+ΔR,R4=RΔR，將上述條件代入式(131)得 (133) 由式(133)看出，由于充分利用了雙差動作用，它的輸出電壓為單臂工作時(shí)的 4 倍，所以大大提高了測量的靈敏度。本設(shè)計(jì)中用的傳感器是 WPL110，它輸入阻抗是 770Ω，輸出阻抗是 700Ω，即ΔR=70Ω，輸入電壓 U=12V，代入公式 133 可知，電橋的輸出電壓 ??21即電橋輸出電壓范圍是 0— TLC0838 的輸入電壓是 0—5V，故需將電壓放大 5 倍。 稱重傳感器 WPL1101 電阻應(yīng)變式稱重傳感器原理電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個(gè)原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。由此可見，電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個(gè)主要部分。彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個(gè)，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變棗電信號的轉(zhuǎn)換任務(wù)。2 檢測電路檢測電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觥Ｒ驗(yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補(bǔ)償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵銷，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。3 稱重傳感器的選擇稱重傳感器實(shí)際上是一種將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置。用傳感器首先要考慮傳感器所處的實(shí)際工作環(huán)境，這點(diǎn)對正確選用傳感器至關(guān)重要，它關(guān)系到傳感器能否正常工作以及它的安全和使用壽命，乃至整個(gè)衡器的可靠性和安全性。22傳感器量程的選擇可依據(jù)秤的最大稱量值、選用傳感器的個(gè)數(shù)、秤體的自重、可能產(chǎn)生的最大偏載及動載等因素綜合評價(jià)來確定。一般來說，傳感器的量程越接近分配到每個(gè)傳感器的載荷，其稱量的準(zhǔn)確度就越高。但在實(shí)際使用時(shí)，由于加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在秤體自重、皮重、偏載及振動沖擊等載荷，因此選用傳感器量程時(shí)，要考慮諸多方面的因素，保證傳感器的安全和壽命。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般應(yīng)使傳感器工作在其 30%～70%量程內(nèi)，但對于一些在使用過程中存在較大沖擊力的衡器，如動態(tài)軌道衡、動態(tài)汽車衡、鋼材秤等，在選用傳感器時(shí)，一般要擴(kuò)大其量程，使傳感器工作在其量程的 20%～30%之內(nèi)，使傳感器的稱量儲備量增大，以保證傳感器的使用安全和壽命。傳感器型式的選擇主要取決于稱量的類型和安裝空間，保證安裝合適，稱量安全可靠；另一方面，要考慮廠家的建議。廠家一般會根據(jù)傳感器的受力情況、性能指標(biāo)、安裝形式、結(jié)構(gòu)型式、彈性體的材質(zhì)等特點(diǎn)規(guī)定傳感器的適用范圍，譬如鋁式懸臂梁傳感器適用于計(jì)價(jià)秤、平臺秤、案秤等；鋼式懸臂梁傳感器適用于料斗秤、電子皮帶秤、分選秤等；鋼質(zhì)橋式傳感器適用于軌道衡、汽車衡、天車秤等；柱式傳感器適用于汽車衡、動態(tài)軌道衡、大噸位料斗秤等。所以，采用的傳感器滿足儀表輸入靈敏度的要求，能夠與所選儀表匹配。滿足整臺電子秤準(zhǔn)確度的要求。一臺電子秤主要是由秤體、傳感器、儀表三部分組成，在對傳感器準(zhǔn)確度選擇的時(shí)候，應(yīng)使傳感器的準(zhǔn)確度略高于理論計(jì)算值，因?yàn)槔碚撏艿娇陀^條件的限制，如秤體的強(qiáng)度差一點(diǎn)，儀表的性能不是很好、秤