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1、中国矿业大学毕业设计目 录第1章 绪论1第1.1节 引言1第1.2节 电子称重技术的地位及作用2第1.3节 国内电子称重的现状2第1.4节 本课题研究的内容和意义3第2章 称重系统整体概述4第3章 硬件系统设计5第3.1节 传感器5第3.2节 传感器信号调理电路设计13第3.3节 AD转换器电路16第3.4节 微处理器23第3.5节 显示器电路设计25第3.6节 汽车执行锁定电路29第3.7节 电源电路的设计31第3.8节 系统抗干扰设计32第4章 系统软件程序设计34第4.1节 主程序34第4.2节 数据采集程序35第4.3节 A/D转换程序38第4.4节 数据处理程序39第5章 误差分析4
2、3第5.1节 称重传感器的误差43第5.2节 称重仪表和信号传输系统的误差43第5.3节 机械承重系统的误差44第6章 总结46第6.1节 工作总结46第6.2节 研究展望46参考文献47附 录50英文原文58中文译文66致 谢74- 74 -中国矿业大学毕业设计第1章 绪论目前公路运输业和商业贸易不断得到发展，重型运输车辆在公路运输中所占比例不断增加。汽车超载超限运输和超重型车辆擅自在公路上行驶的情况越来越严重,直接影响了公路使用寿命和运输安全。车辆超限超载运输造成交通事故增加,路面早期被破坏,导致补救和维修养护费用急剧增加。目前治超主要采用经济手段,不能从根本上解决问题。本文分析探讨采用技
3、术手段在车辆上实现超限超载的检测和控制方法,制止违法超限超载运输。【1】第1.1节 引言 随着我国国民经济的迅速发展，我国的交通事业也取得了巨大的进步，公路里程在不断的增加，但不容忽视的是越来越多的超限车辆对公路和桥梁造成了极大的破坏。根据世界各国公路建设的经验，如果不尽快采取相应的手段，遏制这种情况的蔓延，将会导致公路和桥梁的使用寿命大大缩短，造成大量的投资浪费。超限运输不仅危害个人安全，也危害着国家和集体的利益，成为了一个当前急需解决的问题，受到了国家的高度重视，中华人民共和国交通部于2000年4月1号颁布了超限运输车辆行驶公路管理规定。在规定中指出单车、半挂列车、全挂列车车货总质量400
4、00千克以上；集装箱半挂列车车货总质量46000千克以上的上路汽车即为超限运输车辆。并规定超限运输车辆行驶公路的管理工作实行“统一管理、分级负责、方便运输、保障畅通”的原则。所以如何使用准确、完备和实用的称重系统，以满足交通管理者的实际需要，提高我国的公路管理水平，成为一个重要的课题。第1.2节 电子称重技术的地位及作用 电子技术和微型计算机的迅速发展，促进了自动测量和控制技术的迅速发展和广泛应用。物料计量是工业生产和贸易流通中的重要环节，称重装置或衡量器是不可缺少的计量工具。自六十年代以来，由于传感器技术和电子技术的迅速发展，电子称重技术日趋成熟，并逐步取代机械秤。尤其是七十年代初期，微处理
5、机的出现使电子称重技术得到了进一步的发展。快速、准确、操作方便、消除人为误差、功能多样化等方面已成为现代称重技术的主要特点。【2】称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，称重装置应用己遍及到国民经济各个领域，取得了显著的经济效益。但是，我国在这方面的产品少且功能不齐全，所以改善现有称重装置、开发研究功能齐全的自动称重系统是势在必行的。第1.3节 国内电子称重的现状我国从六十年代中期开始研制和生产电子秤，初期为模拟指针式，后来发展成数字式。由于当时技术条件的限制，产品准确度低、可靠性差，适应恶劣环境的能力差，故
6、障率和损坏率一直都很高。自八十年代初以来，开展了与国外技术交流和合作，引进了一批样机、生产技术和加工测试设备，通过消化、吸收和改造，使电子称重装置的综合水平有了很大的提高。产品品种发展到几十种，包括电子计价秤、电子台秤、电子吊秤、电子汽车衡、电子皮带秤、电子轨道秤、电子包装秤、电子配料秤以及各种专用电子秤。这些产品中作为商用静态秤都已能满足国际法制计量组织(0、I、M、L)级秤3000N的要求。静态使用的工艺秤也都能达到0.1-0.3%的准确度。动态计量用的皮带秤能做到0.25-0.5%，动态轨道衡能达到国家规定的0.5级的要求，个别的产品也可达到0.2级。在产品规格上，电子汽车衡已能做到I0
7、0t。个别的达到300t，专用的电子轨道衡已做到600t。电子吊钩秤最大规格为30t，在功能上也比较齐全。总的来说我国电子称重装置的水平相当于发达国家八十年代中期水平。这里应强调的是有少数产品的技术已处于国际先进水平，例如自动轨道衡开发的几项新技术:无开关判别车辆、前基坑整体秤台和无基坑结构、以及曲线段安装轨道衡。这表明我国在引进消化国外先进技术的基础上，走上了自行开发的道路。 第1.4节 本课题研究的内容和意义本文主要是研究汽车在装货中未上路时载重量大小的问题，用安装在汽车减振钢板与车轮轴间的传感器检测货车载重量的压力信号，并经过放大电路的放大与A/D转换器的转换，输入到微处理器进行计算、比
8、较，若计算出的结果超过预定值，则切断汽车的电子点火系统，使汽车不能发动；若结果未超过预定值，则汽车正常启动。本文设计的汽车超载自动检测系统安装简单，携带方便，实用性好，且可以从根本上解决超载汽车上路问题。第2章 称重系统整体概述称重系统一般由传感器、信号调理电路、数据分析采集系统、结果显示等几个部分所构成。本课题将采用由传感器、数据采集卡、AD转换器、微处理器，LED数码管所组成的系统来实现汽车的超载检测。 (1)进行称重研究的硬件部分的建设，这一部分包括称重传感器的选择，信号调理电路的设计，数据采集卡的选择等等工作。这一部分是课题进行的中间环节，也是关键部分。因为，硬件部分决定了整个的系统误
9、差和随机误差。因此，硬件部分的建设应该十分仔细，建立高精度的硬件系统。 (2)在建立传感器与硬件的工作完成之后需要选择编制测试软件。计算机在完成一项工作时，必须按顺序执行各种操作，这些操作是事先编制好的计算机程序，由计算机去执行。编程时，对数据的存放、寄存器和工作单元的使用等要由设计者安排；而高级语言程序设计时，这些工作是由计算机软件完成的。 (3)上述的工作完成之后进行误差分析。本系统的误差来源总体来说可以分为三个，即称重传感器的误差、称重仪表和信号传输系统的误差和机械承重系统的误差。可以采用多个称重传感器的并联，选用性能良好的电子器件以及注意接地和屏蔽问题等方法来减小误差。第3章 硬件系统
10、设计电器部分主要由传感器、信号放大器、A/D转换器、单片机及显示器组成见图3.1。传感器是测量系统的输入端，它与被测的重力相连接，并给出一个毫伏级的输出信号。信号放大器则将传感器输出的毫伏级信号进行滤波和放大，以便成为适宜进一步处理的0-10伏电压信号。A/D转换器则对放大器输出的信号进行线性化及数字编码以便使信号成为微机可以处理的形式。图3.1 车辆称重系统的构成第3.1节 传感器3.1.1 传感器作用传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或
11、其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 图3.2 各种传感器示例 3.1.2 传感器的分类按照其用途，传感器可分类为：压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器和热敏传感器。按照其原理，传感器可分类为：振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器和生物传感器等。按照其输出信号为标准可将传感器分为：模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号。数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。膺数字传感器将被测量的信号量转换成频率
12、信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。3.1.3 称重传感器的选择 测量重量的传感器有很多种，按工作原理分有弹性力平衡式压力传感器、感应式传感器、应变式传感器、压电式传感器、霍尔式压力传感器、电容式、光纤式、数字式传感器等。 选择传感器要考虑以下几点: （1）数量的选择 根据电子称重系统的用途、秤体需要支撑点数而定，一般地来说秤体有几个支撑点就选择几个传感器，使用时根据实际情况来确定。 （2）量程的选择量程选择原则是既要获得满意的准确度，又要具有足够的称量灵敏度和过载保护性能，根据有关文献知
13、道按式3.1进行量程选择完全可以满足上述要求。(3.1)式中：传感器个数 作用在传感器上的空载载荷 作用在传感器上的最大称重载荷 动载系数载系数（3）准确度的选择称重传感器准确度等级的选择，以满足称重系统的准确度要求为准，切不可片面追求高的准确度等级。若在同一称重系统内使用了n只并联使用的结构相同、型式相同、额定负荷相同的称重传感器，则由误差传递公式可得，其综合误差r为: (3.2)式中:单个称重传感器的综合误差；n称重传感器的个数；因此，由式可以看出，n个称重传感器并联后，其总的综合误差r是单个称重传感器综合误差的1/n倍。即总的综合误差反而小了。这是由于单个称重传感器的误差可看作是服从统计
14、规律的，它有大、有小、有正、有负。在并联后，其误差相互抵消一部分，所以总的综合误差反而小了。 （4）传感器型号传感器型号的选择要考虑各种类型传感器的适用范围。这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。总之，既要从各方面提高要求，又要考虑经济效益，确保达到高性价比。从上述几点综合考虑，本文选用常用的电阻应变式称重传感器。电阻应变式称重传感器的特点如下:精度高，测量范围广；使用寿命长，性能稳定可靠；可在高低温、高速、高压、强烈振动、强磁场、潮湿等恶劣环境正常工作；结构简单，体积小，重量轻；价格便宜，品种多样，便于选择和大量使用；频率响应较好，即可用于静态测量又可用于动态测量。电
15、阻应变式称重传感器的基本工作原理是：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。惠斯登电桥的功能是把电阻应变计的电阻变化量转换为电压信号。一般将粘贴在弹性体上的电阻应变计连接成差动式惠斯登电桥，如图3.3所示。图3.3 惠斯登电桥 （3.3）式中: 弹性体的相对变形； 弹性体的长度及变化量； 重量； 弹性体的弹性模量； 弹性体的横截面积。如图3.3假设此时和受压，和受拉，则和相对电阻的变化为:（3.4）这时和相对电阻的变化为:（3.5）式中：电阻应变计的灵敏系数 弹性材料的泊松系数在有供
