靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)——硬件部分_本科畢業(yè)論文設(shè)計.doc

本科畢業(yè)設(shè)計(論文)題目：靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)硬件部分院 （系）： 電子信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動化 2012年 6月西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書院（系） 電信學(xué)院 專業(yè) 自動化 班 080403 姓名 學(xué)號0804031311.畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)硬件部分 2.題目背景和意義： 隨著工業(yè)生產(chǎn)和商業(yè)貿(mào)易的不斷發(fā)展，稱重技術(shù)越來越受到人們的重視。最近幾年來，由于汽車應(yīng)用的靈活性 工業(yè)界對汽車衡稱重的需求有了很大的增長，成為對大宗散裝貨物進(jìn)行快速自動稱重計量的有效手段。 本題目擬采用單片機(jī)、稱重傳感器、模擬數(shù)字電子等技術(shù)，實現(xiàn)典型的靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理及顯示，構(gòu)成一個典型的微處理器靜態(tài)汽車衡稱重系統(tǒng)。 3.設(shè)計(論文)的主要內(nèi)容（理工科含技術(shù)指標(biāo)）： 自主設(shè)計一個典型單片機(jī)系統(tǒng)，含以下部分及功能： I. 典型51內(nèi)核的單片機(jī)系統(tǒng)（推薦采用Intel公司51系列、Atmel公司89系列、Silabs公司的C8051F系列）。 II. 四路差動輸入前置放大電路。 III. 14-16位數(shù)據(jù)采集電路（必要時含采樣保持）。 IV. 12位LED顯示或LCD顯示。 V. 系統(tǒng)鍵盤電路。 VI. 系統(tǒng)電源。 VII. 常規(guī)可靠性設(shè)計。 4.設(shè)計的基本要求及進(jìn)度安排（含起始時間、設(shè)計地點(diǎn)）： 畢業(yè)設(shè)計（論文）工作 年 月 日起至 年 月 日止 畢業(yè)設(shè)計（論文）進(jìn)行地點(diǎn)： 未央校區(qū)教D樓217室 作為畢業(yè)設(shè)計，應(yīng)完成以下工作： I. 熟練掌握專業(yè)電工、電子（模、數(shù)）技術(shù)。 II. 掌握靜態(tài)汽車衡結(jié)構(gòu)、工作原理等專業(yè)技術(shù)。 III. 熟練掌握MCS-51系列單片機(jī)工作原理及應(yīng)用技術(shù)。（3月上旬前） IV. 系統(tǒng)硬件設(shè)計。 V. 借助PROTEL技術(shù)，繪出系統(tǒng)SCH、PCB圖。 （4月下旬前） VI. 搭出系統(tǒng)硬件電路，在完成系統(tǒng)通電調(diào)試的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試。 （5月下旬前） VII. 寫出畢業(yè)論文（電子版）。6月上旬前） 5.畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作量要求： I. 論文（字?jǐn)?shù)）： 2-3萬字 II. 外文翻譯（字?jǐn)?shù)）： 5000字以上 實驗（時數(shù)）*或?qū)嵙?xí)（天數(shù)）： 20天 圖紙（幅面和張數(shù)）*： SCH、PCB圖（A4圖幅4份以上） 其他要求： 參考文獻(xiàn)（篇數(shù)）： 15篇以上（含3篇以上外文 ） 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 學(xué)生簽名： 年 月 日 系（教研室）主任審批： 年 月 日說明：1本表一式二份，一份由學(xué)生裝訂入附件冊，一份教師自留。畢I-22 帶*項可根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)選填。摘要靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)硬件部分摘要隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路線上交通量的不斷增加也是國內(nèi)路面荷載特征的變化趨勢之一，尤其是超載現(xiàn)象十分突出。超載不但對道路造成很大磨損，而且對交通帶來巨大壓力。顯然，隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路線上交通量的不斷增加，因此稱重成為交通服務(wù)很重要的一個環(huán)節(jié)。所以為了有效治理超限超載，對車輛的重量進(jìn)行計量就顯得十分迫切和必要。另外交通檢查、計重收費(fèi)和不停車收費(fèi)系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用，這些都需要對行駛的車輛進(jìn)行準(zhǔn)確的稱重計量。本設(shè)計的題目是靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)信號處理、顯示及鍵盤的硬件部分。系統(tǒng)主要是通過高精度的運(yùn)算放大器把采集的稱重傳感器的微弱電壓信號放大，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后把數(shù)字信號送入AT89S52單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)處理后把相應(yīng)的結(jié)果送LCD數(shù)碼管，從而顯示出汽車的重量信息。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；稱重傳感器；數(shù)據(jù)采集Static truck systemhardware partAbstractAlong with the development of national economy, the increasing highway online traffic load characteristics of domestic pavement is one of the change trend, especially overload phenomenon is very outstanding. Not only for road creates great overloaded wear and tear, but to huge traffic pressures. Obviously, along with the national economic development, road traffic flow increase online, thus weighing become as transportation service is very important links.It is very urgent and necessary to weight the vehicles，in order to bring the overloading on vehicles under control effectively. In addition, the development and application of the system which include check traffic, heavy fees and not stop fees , needs to accurate measurement of the weight of all vehicles which travel on the road.This design is the subject of microprocessor-based static car value system signal processing, display and keyboard hardware. The work of the system describes as below. the weak voltage signal which get from the weighing sensor is ampliformed with high-precision operational amplifiers ,and the digital signal is conversed by the A / D converter, and then put it into AT89C52 Microcontroller, then the results of calculated signal which MUC delivers to the corresponding Digital of the LCD which shows the weight of vehicle.Key Words: single-chip computer; weighing sensor; data acquisitionII主要符號表主 要 符 號 表Hz 赫茲C 電容R 電阻U 電壓I 電流T 周期III目錄目錄畢業(yè)設(shè)計（論文）“中文摘要”I畢業(yè)設(shè)計（論文）“英文摘要”II主 要 符 號 表III1 緒論11.1汽車稱重的意義11.1.1誘發(fā)了大量道路交通安全事故11.1.2嚴(yán)重?fù)p壞了路橋基礎(chǔ)設(shè)施11.1.3導(dǎo)致了道路運(yùn)輸市場的惡性競爭21.1.4造成汽車“大噸小標(biāo)”泛濫21.1.5車輛尾氣嚴(yán)重超標(biāo)污染環(huán)境21.1.6對車輛本身造成巨大的損失21.2汽車靜態(tài)稱重系統(tǒng)的國外研究現(xiàn)狀21.3本課題研究的主要內(nèi)容31.4本章小結(jié)32 靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)的分析與設(shè)計42.1靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)的構(gòu)成和原理42.2 靜態(tài)稱重過程的測量精度影響因素分析42.3靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)的設(shè)計思想52.4提高精度的設(shè)計方法與干擾因素的抑制思路52.4.1提高精度和抑制干擾因素的措施52.5本章小結(jié)63靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)硬件電路設(shè)計73.1稱重傳感器的選擇與性能分析73.1.2電阻應(yīng)變式稱重傳感器的性能分析83.2信號調(diào)理電路設(shè)計93.2.1信號放大電路93.2.2信號組合電路113.3電源電路的設(shè)計133.4單片機(jī)典型系統(tǒng)電路的設(shè)計153.4.1 AT89C51簡介153.4.2單片機(jī)的復(fù)位電路183.4.3 時鐘電路183.4.4 JATG軟件193.4.5單片機(jī)在系統(tǒng)中的應(yīng)用203.5 A/D轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計203.5.1 AD轉(zhuǎn)換器的分類及選擇203.5.2 AD976簡介223.5.3 AD976的管腳說明233.5.4 工作過程及轉(zhuǎn)換結(jié)果243.5.5 與AT89C51單片機(jī)硬件接口設(shè)計253.6鍵盤部分設(shè)計263.6.1鍵盤電路概念263.6.2按鍵功能介紹273.6.3鍵盤電路設(shè)計中要解決的問題273.7顯示電路設(shè)計283.7.1 液晶顯示簡介283.7.2 1602簡介293.7.3 1602管腳功能293.7.3 1602LCD的特性303.7.4 LCD1602的接線圖303.8 通信電路303.8.1 MAX232 芯片介紹303.8.2管腳功能313.8.3 主要特點(diǎn)313.8.4 RS232與RS485的區(qū)別323.8.5 接線圖323.9系統(tǒng)抗干擾設(shè)計333.9.1系統(tǒng)干擾原因333.9.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計333.10 本章小結(jié)344 結(jié)論354.1全文總結(jié)354.2設(shè)計過程的重點(diǎn)難點(diǎn)35參考文獻(xiàn)36致謝37畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明38畢業(yè)設(shè)計（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明39附錄40VI1緒論1 緒論公路運(yùn)輸是貨物運(yùn)輸?shù)闹饕侄危驗楣愤\(yùn)輸可實現(xiàn)門到門的運(yùn)輸。在我國，公路運(yùn)輸占五大貨物運(yùn)輸（公路、水路、鐵路、航空和管道）總量的3/4。近幾年來，伴隨著交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車超限超載運(yùn)輸現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。超載超限運(yùn)輸嚴(yán)重破壞公路路面及其橋梁設(shè)施，引發(fā)道路交通事故，危及人民群眾的生命財產(chǎn)安全，治理公路上的超限超載運(yùn)輸行為迫在眉睫。為了有效治理公路及汽車超載，對車輛的重量進(jìn)行計量就顯得十分迫切和必要，世界上有75%的貨物需要經(jīng)過稱重這一環(huán)節(jié)。1.1汽車稱重的意義多年來，國際上許多國家，公路車輛在運(yùn)輸貨物時，普遍存在著超限超載現(xiàn)象，而且超限超載車輛占相當(dāng)高的比例。據(jù)調(diào)查，德國超限超載車輛達(dá)50%，美國40%-60%的大型載貨汽車超限超載。近年來，我國道路運(yùn)輸車輛超限超載現(xiàn)象也極為普遍，在嚴(yán)重地區(qū)，幾乎所有的貨運(yùn)車輛都存在不同程度的超限超載行為。貨運(yùn)部門通過改裝車身、后橋和輪胎來大幅度提高貨車的裝載能力，使運(yùn)輸效率和經(jīng)濟(jì)效益得到很大的提高，但是超限超載卻帶來了一系列的重大危害。1.1.1誘發(fā)了大量道路交通安全事故據(jù)統(tǒng)計，70%的道路安全事故是由于汽車超限超載引發(fā)的，多于50%的重特大道路交通事故與超限超載有直接關(guān)系，汽車超限超載運(yùn)輸給人民生命財產(chǎn)造成了巨大損失，間接經(jīng)濟(jì)損失更是難以估量。1.1.2嚴(yán)重?fù)p壞了路橋基礎(chǔ)設(shè)施超限超載汽車的荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了公路和橋梁的設(shè)計承受荷載，致使路面損壞、橋梁斷裂，大大縮短公路的正常使用年限，使其不得不提前進(jìn)行大修。交通部的實驗表明，一輛超載100%的車輛，通過瀝青路面一次所造成的破壞程度，相當(dāng)于核定載荷的標(biāo)準(zhǔn)車輛走265次;通過水泥路面一次造成的破壞程度，相當(dāng)于核定載荷的標(biāo)準(zhǔn)車輛走6.55萬次。據(jù)有關(guān)專家介紹，載重10噸的貨車超載一倍，對公路的破壞力相當(dāng)于正常載重時的16倍;超載2倍，對公路的破壞力增加80倍。而且核定載重量越大的車輛，超載對公路的破壞越嚴(yán)重。一條設(shè)計使用15年的公路，如果行駛車輛超載1倍，其使用年限將縮短90%，即只能使用一年半。另一項科學(xué)檢測表明，當(dāng)車重增大至路面設(shè)計稱重的兩倍時，其對路面的損壞將增大到原來的20倍左右。由于過量超載運(yùn)輸?shù)哪雺海?003年4月才建成通車的京珠高速公路乳源段在短短的8個月后即出現(xiàn)了路面車轍，京珠高速公路的大修被迫提早8年進(jìn)行。每年全國公路因汽車超限超載而造成的損失超過300億元，給國家造成了巨大財產(chǎn)損失43西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）1.1.3導(dǎo)致了道路運(yùn)輸市場的惡性競爭貨車車主競相壓價承攬貨源，以超限超載來獲取利潤，超的越多，賺的越多，形成了“壓價-超限超載-運(yùn)力過剩-再超限超載”的惡性循環(huán)。1.1.4造成汽車“大噸小標(biāo)”泛濫為迎合車輛超限超載運(yùn)輸?shù)男枨?，一些汽車生產(chǎn)廠商競相生產(chǎn)“大噸小標(biāo)”車，一些汽車改裝廠和修理廠也紛紛非法改裝車輛，影響了汽車工業(yè)的健康發(fā)展。1.1.5車輛尾氣嚴(yán)重超標(biāo)污染環(huán)境由于超限超載車輛燃油系統(tǒng)負(fù)荷過大，尤其是燃油凈化系統(tǒng)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，燃燒不完全，尾氣嚴(yán)重超標(biāo)，致使車輛行駛過程中濃煙滾滾，有的甚至只見黑煙不見車，對公路兩旁環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。1.1.6對車輛本身造成巨大的損失超限超載運(yùn)輸對車輛的損壞十分厲害，據(jù)一位從事超限超載運(yùn)輸?shù)能囍鹘榻B，由于超負(fù)荷運(yùn)行，汽車每兩個月要換10個輪胎，一個輪胎1700元左右，如果不超限超載、不出意外，輪胎每一年才一換一次。鑒于超限超載運(yùn)輸車輛所造成的巨大危害，有關(guān)部門和地方也先后開展了一系列治理超限超載工作，取得了一定成效。但是由于超限超載現(xiàn)象涉及面廣，治理難度大，加之利益驅(qū)動，使超限超載現(xiàn)象成為一個“頑癥”，有“愈演愈烈”之勢，所以有效治理超限超載迫在眉睫。1.2汽車靜態(tài)稱重系統(tǒng)的國外研究現(xiàn)狀縱觀世界車輛稱重技術(shù)的發(fā)展歷程，車輛稱重技術(shù)的發(fā)展與完善和科技與鐵路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展緊密相連。就稱重裝置的結(jié)構(gòu)而言，車輛稱重系統(tǒng)可分機(jī)械式和機(jī)電式兩大類.機(jī)械式的稱重系統(tǒng)是通過杠桿傳動裝置把被測質(zhì)量和已知質(zhì)量相比較實現(xiàn)稱重的.機(jī)電式的稱重系統(tǒng)是利用傳感器把被測質(zhì)量產(chǎn)生的作用力轉(zhuǎn)變成電信號。再經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大、輸入到計算機(jī)進(jìn)行采集處理，由打印機(jī)直接將被測質(zhì)量的重量打印出來。第一臺帶有加載與卸載設(shè)備的機(jī)械稱重裝置是1940年由德國率先研制定型的。車輛只能停在臺面上實現(xiàn)靜態(tài)稱重，誤差一般為千分之二到千分之三。_這一階段由40年代初期一直延續(xù)到60年代的中期。此間，大多數(shù)歐洲國家和美國車輛稱重技術(shù)的發(fā)展和德國相似。我國，從八十年代開始引進(jìn)和消化吸收國外的稱重系統(tǒng)，同時也開始了對稱重系統(tǒng)的研究。但是，引進(jìn)的稱重系統(tǒng)大都是國外的己經(jīng)被替換下來的產(chǎn)品，存在著各種問題，比如傳感器龐大等。國內(nèi)研究較早的是重慶公路科學(xué)研究所，可以應(yīng)用于公路自動化交通調(diào)查、軸載檢測、限重執(zhí)法等領(lǐng)域。山西計量測試研究所和太原工學(xué)院也聯(lián)合開發(fā)出軸計量式汽車衡。特別是最近幾年來，國內(nèi)工業(yè)界對汽車衡稱重的需求有了很大的增長，許多生產(chǎn)廠家和公司都相繼推出了自己的汽車衡產(chǎn)品。電子汽車衡按傳感器輸出信號分類可分為模擬式汽車衡和數(shù)字式汽車衡；按稱量方式分為靜態(tài)汽車衡和動態(tài)汽車衡；按安裝方式可分為地上衡和地中衡；按秤臺結(jié)構(gòu)分為鋼結(jié)構(gòu)臺面和混凝土臺面；按使用環(huán)境狀況可分為防爆電子汽車衡和非防爆電子汽車衡；按汽車衡的自動化程度可分為非自動汽車衡和自動汽車衡。近來年，隨著企業(yè)管理水平的不斷提高，無人值守的自動電子汽車衡正成為未來汽車衡的發(fā)展方向。1.3本課題研究的主要內(nèi)容本文主要研究的內(nèi)容如下:(l)按照設(shè)計要求，對汽車靜態(tài)稱重系統(tǒng)進(jìn)行整體的分析與設(shè)計。將系統(tǒng)按實現(xiàn)的功能劃分為不同的模塊。(2)根據(jù)各模塊實現(xiàn)的功能，選擇相應(yīng)的器件，掌握各器件實現(xiàn)的功能，為實現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計做準(zhǔn)備。(3)設(shè)計硬件電路及PCB板。硬件電路主要完成數(shù)據(jù)采集、處理、顯示及鍵盤輸入的功能。利用protel軟件繪制硬件電路原理圖及PCB圖。1.4本章小結(jié)本章主要闡述了汽車靜態(tài)稱重系統(tǒng)研究的目的和意義，目前靜態(tài)稱重系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，最后說明課題研究所做的主要工作。2 靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)的分析與設(shè)計2 靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)的分析與設(shè)計2.1靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)的構(gòu)成和原理靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)一般由稱重平臺、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路、處理器以及LCD顯示、鍵盤電路等組成。本系統(tǒng)采用稱重傳感器采集信號，當(dāng)汽車停在稱重臺上后，分布在稱重臺四角的四個稱重傳感器在重力的作用下，彈性體在彈性范圍內(nèi)發(fā)生與荷重力成正比的變化，從而使彈性體上的應(yīng)變片阻值也發(fā)生正比的變化，配合檢測電橋，得到與重力成正比的檢測信號，傳感器的輸出是一個毫伏級的模擬信號, 在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之前, 需要經(jīng)過運(yùn)算放大器進(jìn)行放大。為了得到精確的放大倍數(shù)及最低限度的零點(diǎn)漂移, 放大器采用了高精度、超低漂移的四路差動輸入前置放大電路，然后使四路信號進(jìn)入由運(yùn)放構(gòu)成的硬件加法器，將四路信號進(jìn)行加法運(yùn)算輸出一路信號，進(jìn)行硬件濾波（若需要的話）。采集上來的模擬信號在進(jìn)入單片機(jī)前, 需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，故采用16位A/D將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送入單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)處理后送LCD數(shù)碼管顯示相應(yīng)的重量信息，從而實現(xiàn)汽車的靜態(tài)稱重。系統(tǒng)鍵盤輸入系統(tǒng)的控制信息和命令，以便對系統(tǒng)進(jìn)行控制和處理等一些特殊操作（如工作模式和運(yùn)行參數(shù)等）。系統(tǒng)框圖如圖2.1所示：稱重傳感器/4前置放大電路/4硬件加法器A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)LCD顯示電源鍵盤圖2.1 系統(tǒng)框圖2.2 靜態(tài)稱重過程的測量精度影響因素分析西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）稱重系統(tǒng)的靜態(tài)精度主要包括:(l)溫度漂移的問題。系統(tǒng)由于工作在不同的溫度下，所以溫漂是我們必須要考慮的首要問題。引起漂移的原因很多，如:應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)不同，電阻應(yīng)變片膠基厚度和固化程度不一致,彈性元件的線膨脹系數(shù)不均勻，連接導(dǎo)線長度不同及焊點(diǎn)質(zhì)量影響等。可以把這些不一致看成是由四個橋臂的電阻溫度系數(shù)不一致引起的。需要采用合適的硬件電路來克服零點(diǎn)漂移。(2)A/D分辨率的問題分辨率是指數(shù)字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，定義為滿刻度與最小刻度的比值。分辨率又稱精度，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示。本設(shè)計根據(jù)精度的需要選擇合適的A/D。(3)傳感器本身的非線性問題。傳感器系統(tǒng)本身的線性都不是太好，要想提高精度必須對其測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對于傳感器的非線性誤差，我們采用數(shù)字非線性校正方法消除。2.3靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)的設(shè)計思想由于各種干擾信號的存在，使得稱重信號會淹沒在各種噪聲中。引起很大誤差，如何減少或消除噪聲，減弱各種干擾的影響，提高靜態(tài)測量精度是系統(tǒng)設(shè)計的主導(dǎo)思想。要建立車輛靜態(tài)稱重系統(tǒng)，就需要一個合理的硬件結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)硬件的選擇和設(shè)計按以下原則進(jìn)行:(1)精確性原則本次設(shè)計的目的是測量汽車重量，所以結(jié)果的精確性成為首要的原則。若檢測結(jié)果與真實值偏差過大，就達(dá)不到稱重的最初目的，失去了稱重的意義。(2)經(jīng)濟(jì)性原則任何一項研究能否實現(xiàn)產(chǎn)品化，經(jīng)濟(jì)條件都是重要的影響因素。所以在保證各方面性能的前提下，應(yīng)盡量降低設(shè)備成本。(3)可靠性原則保證在規(guī)定的條件下，系統(tǒng)能正常的運(yùn)行，完成各項預(yù)定的功能。2.4提高精度的設(shè)計方法與干擾因素的抑制思路要實現(xiàn)本系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度，應(yīng)做到：（1）提高稱重系統(tǒng)的靜態(tài)精度。（2）有效的去除各種干擾信號。（3）建立正確的數(shù)學(xué)模型，尋找合適的算法對重量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。2.4.1提高精度和抑制干擾因素的措施（1）差動運(yùn)放輸入端接傳感器，傳感器的等效電阻是變化的，即對于差動放大器來說，信號源內(nèi)阻是變化的，若差動放大器的輸入電阻比信號源內(nèi)阻大的越多，誤差越小，因此差動電路輸入電阻應(yīng)足夠大。(2)差動電路的輸入信號即含有差模信號，也含有共模信號成分，而且后者往往大于前者，甚至大的多。因此差放電路的共模抑制比必須足夠大，才能把誤差減小到最小。(3)采用較高位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計采用的是高速A/D轉(zhuǎn)換芯片AD976， AD976是一個+5V單電源供電的高速、低功耗16位的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度為2000kSPS。2.5本章小結(jié)本章首先介紹了靜態(tài)稱重系統(tǒng)的整個結(jié)構(gòu)、原理;其次根據(jù)設(shè)計要求詳細(xì)分析了在靜態(tài)稱重過程中影響測量精度的各種因素;最后得出了靜態(tài)稱重系統(tǒng)的設(shè)計思路及抑制干擾的方法。3 靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)硬件電路設(shè)計對于靜態(tài)汽車衡系統(tǒng)來說，硬件系統(tǒng)是它的最基本的框架，是系統(tǒng)的所有功能的基礎(chǔ)。硬件的選擇和所選硬件的性能對系統(tǒng)的功能實現(xiàn)以及系統(tǒng)的精度都有直接的影響，系統(tǒng)的設(shè)計成功與否很大程度上取決于硬件系統(tǒng)的設(shè)計。對于本系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的設(shè)計包括傳感器的選擇及其信號調(diào)理電路的設(shè)計、電源電路的設(shè)計、單片機(jī)典型系統(tǒng)設(shè)計、A/D轉(zhuǎn)換接口電路的設(shè)計、顯示電路設(shè)計及鍵盤設(shè)計等。3.1稱重傳感器的選擇與性能分析稱重傳感器位于稱體之中，是整個硬件系統(tǒng)的起始部分，是構(gòu)成系統(tǒng)信息輸入的主要窗口，為系統(tǒng)提供賴以處理和決策控制所必需的原始信息。它將車重信號轉(zhuǎn)換成電信號，其性能好壞直接影響整個系統(tǒng)的計量精度和穩(wěn)定性。測量重量的傳感器有很多種，按工作原理分有彈性力平衡式壓力傳感器、感應(yīng)式傳感器、應(yīng)變式傳感器、壓電式傳感器、霍爾式壓力傳感器、電容式、光纖式、數(shù)字式傳感器等。選擇傳感器要考慮以下幾點(diǎn):(l)數(shù)量的選擇根據(jù)電子稱重系統(tǒng)的用途、秤體需要支撐點(diǎn)數(shù)而定，一般講秤體有幾個支撐點(diǎn)就選擇幾個傳感器，使用時根據(jù)實際情況來確定。(2)量程的選擇根據(jù)被測壓力的大小確定傳感器的量程。根據(jù)經(jīng)驗，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稱重系統(tǒng)，在選擇傳感器時，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)以增大傳感器稱重儲備量，保證傳感器的使用安全和壽命。(3)準(zhǔn)確度的選擇稱重傳感器準(zhǔn)確度等級的選擇，以滿足稱重系統(tǒng)的準(zhǔn)確度要求為準(zhǔn)，切不可片面追求高的準(zhǔn)確度等級。若在同一稱重系統(tǒng)內(nèi)使用了n只并聯(lián)使用的結(jié)構(gòu)相同、型式相同、額定負(fù)荷相同的稱重傳感器，則由誤差傳遞公式可得，其綜合誤差r為:r=&/而式中: &表示單個稱重傳感器的綜合誤差;n表示 稱重傳感器的個數(shù)，因此，由上式可以看出，n個稱重傳感器并聯(lián)后，其總的綜合誤差r是單個稱重傳感器綜合誤差的1/倍。即總的綜合誤差反而小了。這是由于單個稱重傳感器的誤差可看作是服從統(tǒng)計規(guī)律的，它有大、有小、有正、有負(fù)在并聯(lián)后，其誤差相互抵消一部分，所以總的綜合誤差反而小了。(4)使用環(huán)境及介質(zhì)性能的考慮根據(jù)環(huán)境條件和被測介質(zhì)的性能綜合選擇。(5)傳感器型號西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）傳感器型號的選擇要考慮各種類型傳感器的適用范圍。這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?？傊?，既要從各方面提高要求，又要考慮經(jīng)濟(jì)效益，確保達(dá)到高性價比。從上述幾點(diǎn)綜合考慮，我們選用稱重傳感器NSTH2:NSTH2的參數(shù)如圖3.1所示：表3.1 傳感器技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)單位技術(shù)指標(biāo)額定載荷t0.2、0.3、0.5、1、5、20200額定輸出mV/V1.5非線性%F.S0.03滯后%F.S0.03重復(fù)性%F.S0.03零點(diǎn)輸出%F.S1零點(diǎn)溫度系數(shù)%F.S/0.003絕緣電阻M2000供橋電壓VDC10工作溫度-2070允許過載%F.S150備 注可設(shè)計成12V或24V供電，05V或420mA信號輸出3.1.2電阻應(yīng)變式稱重傳感器的性能分析稱重傳感器的敏感元件為四只接成橋形的電阻.在壓力(或拉力)作用下，一對橋臂上電阻值與壓力成正比地加大，另一對橋臂上的電阻值與壓力成反比地減小.實際應(yīng)用時，同一重力同時加在四只傳感器上，若每個傳感器所受的力分別為f1,f2,f3,f4則被測重量為:f=f1+f2+f3+f4，一般情況下四只傳感器受力是不均勻的。電阻應(yīng)變式稱重傳感器的特點(diǎn)如下:精度高，測量范圍廣;使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠;可在高低溫、高速、高壓、強(qiáng)烈振動、強(qiáng)磁場、潮濕等惡劣環(huán)境正常工作;結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕;價格便宜，品種多樣，便于選擇和大量使用;頻率響應(yīng)較好， 可用于靜態(tài)測量。電阻應(yīng)變式稱重傳感器的基本工作原理是:當(dāng)被測重力作用在其上時，粘附在彈性體上的惠斯登電橋就產(chǎn)生不平衡輸出，該輸出信號正比于被測重力，從而可以方便地被顯示儀表接收并運(yùn)算，顯示出被測重物的質(zhì)量。惠斯登電橋的功能是把電阻應(yīng)變計的電阻變化量轉(zhuǎn)換為電壓信號。一般將粘貼在彈性體上的電阻應(yīng)變計連接成差動式惠斯登電橋。根據(jù)需要選用4個傳感器，所有傳感器輸出采用并聯(lián)形式，其原理與用一個基本相同?；菟雇姌蛟砣鐖D3.1所示：圖3.1惠斯登電橋 （3.1）電橋平衡： （3.2） （兩個應(yīng)變片） （3.3）3.2信號調(diào)理電路設(shè)計3.2.1信號放大電路（1）OP747芯片參數(shù)美國模擬器件公司(Analog Devices Inc簡稱ADI)以前把OP07和OP77作為精密運(yùn)算放大器的標(biāo)準(zhǔn)器件,現(xiàn)在又推出新一代標(biāo)準(zhǔn)器件OP777/OP727/OP747。它們分別是單、雙和四運(yùn)放。這一系列精密運(yùn)算放大器具有真正單電源、微功耗和滿電源輸出的特點(diǎn)。由于它們還具有極低的失調(diào)電壓、低漂移和低噪聲的特點(diǎn)。所以它們是當(dāng)今不斷發(fā)展的低電壓工業(yè)應(yīng)用的極好選擇。本設(shè)計信號放大部分采用美國模擬器件公司生產(chǎn)的OP747，OP747與OP07/OP77和其他公司的同類產(chǎn)品例如LTl006,LT1077/8/9,OPAl77和OPA277相比具有如下特點(diǎn)和優(yōu)勢:寬電源工作范圍:2.7-30V真正單電源工作,輸出共模電壓可低于負(fù)電源電壓滿電源輸出:無倒相低電源電流:每運(yùn)放300uA,小于OP07的1/10 低失調(diào)電壓:最大100uV低輸入偏置電流:10Na低電壓噪聲(低轉(zhuǎn)折頻率10Hz):典型值0.4uV單位增益穩(wěn)定,容性負(fù)載1000pF寬溫度范圍:-40-+85輸入過電壓保護(hù)能力:兩輸入端串入500保護(hù)電阻小外形封裝（2） OP747基本原理OP747運(yùn)算放大器采用精密雙極型PNP輸入級并配有高電壓CMOS輸出級,從而使這種放大器的輸入電壓范圍包括負(fù)電源電壓(通常指單電源應(yīng)用中的地),并且輸出擺幅差1mV不到電源電壓。另外,輸入電壓范圍擴(kuò)展到差別1V不到正電源電壓。這種外延PNP輸入級提供的高擊穿電壓、高增益和輸入偏置電流技術(shù)指標(biāo)都可與帶達(dá)林頓輸入級的放大器相比,但是沒有帶達(dá)林頓輸入級放大器存在的那些缺點(diǎn)(使輸入電壓范圍、失調(diào)電壓、漂移和噪聲嚴(yán)重變劣)。這種PNP輸入結(jié)構(gòu)還極大地降低了噪聲并且減小了直流輸入誤差。（3）OP747放大功能的實現(xiàn)OP747為四路差動運(yùn)算放大器，下面就其中一個為例來說明工作過程。OP747的工作原理如圖3.2所示：圖3.2 OP747的工作原理差分式減法電路如圖3.2.1所示，可以實現(xiàn)兩個輸入電壓Vs1,Vs2相減，在理想情況下，電路存在虛斷和虛短，所以有V1=0，i1=0，由此得下列方程式：及由于Vn=vp,可以求出若取，則上式簡化為即輸出電壓vO與兩輸入電壓之差（vS2vS1）成比例，其實質(zhì)是用差分式放大電路實現(xiàn)減法功能。本設(shè)計中=1K,=1K,故運(yùn)放的放大倍數(shù)為1倍。本設(shè)計中，選用的傳感器的額定載荷最大為200t，輸出電壓為0-5v，所以單個傳感器輸出電壓范圍為0-1.25V。四路傳感器的輸出信號為0-5V，AD的輸入電壓要求為0-5V，所以考慮把單個傳感器的輸出信號放大1倍，故我們采用如圖3.3的電路對傳感器信號進(jìn)行放大。信號放大電路的原理圖如圖3.3所示：圖3.3 信號放大電路3.2.2信號組合電路由于稱重臺四角各安裝一個稱重傳感器，為了減小誤差，將各傳感器信號放大后采用模擬加法運(yùn)算電路將其相加，這樣便得到了完整的汽車重量信號。本設(shè)計采用TL071芯片，這是一款比較常用的芯片。輸入運(yùn)算放大器tl07x系列與tl08x系列相似，具有低輸入偏置，轉(zhuǎn)化速率很快。低諧波失真和低噪聲使理想TL07X系列適用于高保真音頻放大器。原理圖如圖3.4。圖3.4反相比例運(yùn)算放大電路反相輸入放大電路如圖1所示，信號電壓通過電阻R1加至運(yùn)放的反相輸入端，輸出電壓vo通過反饋電阻Rf反饋到運(yùn)放的反相輸入端，構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路。R 為平衡電阻應(yīng)滿足R = R1/Rf。利用虛短和虛斷的概念進(jìn)行分析，vI=0，vN=0，iI=0，則 即 信號組合電路的原理圖如圖3.5所示：圖3.5信號組合電路在本設(shè)計中，當(dāng)傳感器的壓敏電阻受到壓力阻值變大時，OP747中的4個運(yùn)放的正端電壓均變小，負(fù)端電壓均變大。所以Vs2-Vs1為負(fù)值，絕對值增大。而后4個運(yùn)放得到的電壓相疊加，通過TL071，構(gòu)成負(fù)反饋。3.3電源電路的設(shè)計對于電源的設(shè)計有一些總的規(guī)則，但是在實際應(yīng)用中，還需要根據(jù)實際要求靈活的選擇電源方案。本設(shè)計用到的電源5V、士12V主要為集成芯片提供電源，故采用三端穩(wěn)壓器MC7805,MC7912,MC7812.0.概述目前單片機(jī)電源電路設(shè)計多采用三端穩(wěn)壓器，7800/7900系列三端穩(wěn)壓器簡單易用、價格低廉，直到今天還在大多電路中采用，下面就介紹一下三端穩(wěn)壓器的一些特點(diǎn)。1、輸出正負(fù)極性分類第一類7800系列，輸出正電壓;第二類7900系列，輸出負(fù)電壓。2、輸出電壓、電流的表示國產(chǎn)三端固定式集成穩(wěn)壓器輸出電壓有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等七種。最大輸出電流大小用字母表示，字母與最大輸出電流對應(yīng)。集成穩(wěn)壓器字母與最大輸出電流對應(yīng)關(guān)系如表2所示：表2集成穩(wěn)壓器字母與最大輸出電流對應(yīng)表字母LNM無字母THP最大輸出電流（A）0.10.30.51.53510三端固定式集成穩(wěn)壓器外形及管腳排列如圖3.6所示：圖3.6 三端固定式集成穩(wěn)壓器外形及管腳排列37800/7900系列集成穩(wěn)壓器內(nèi)部電路7800/7900集成穩(wěn)壓器內(nèi)部電路如圖3.7所示：圖3.7 7800/7900集成穩(wěn)壓器內(nèi)部電路4電源工作原理電網(wǎng)電壓波動范圍為180V240V，而7800/7900系列的輸入電壓為16V35V，所以當(dāng)電網(wǎng)電壓正常是220V時，對應(yīng)的電壓為19.5V。正負(fù)19.5V的電壓進(jìn)入7812和7912。三端穩(wěn)壓器7812和7912輸入和輸出間有7.5V的電壓差，使其工作在放大狀態(tài)，三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后輸出12V的穩(wěn)定電壓為芯片供電。MC7812的輸出進(jìn)入MC7805，這樣我們就可以得到+5V電壓。原理圖如圖3.8。 圖3.8電源電路圖中7805兩端跨接的1歐的電阻，起到了分流的作用，可以保護(hù)7805。7812兩端得到12V的電壓，進(jìn)入7805，所以該電阻上的電流為（12-5）/3.5=2A，其功率為2*3.5=14W。此外，該電源電路中還涉及模擬地與數(shù)字地隔離的問題。數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強(qiáng)，對信號線來說，高頻的信號線盡可能遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件，對地線來說，整個PCB對外界只有一個結(jié)點(diǎn)，所以必須在PCB內(nèi)部進(jìn)行處理數(shù)、模共地的問題，而在板內(nèi)部數(shù)字地和模擬地實際上是分開的它們之間互不相連，只是在PCB與外界連接的接口處（如插頭等）。 本設(shè)計中還有電源指示的設(shè)計。指示燈的設(shè)計如圖3.9所示：圖3.9電源指示燈發(fā)光二極管壓降為1.7V,電流通常為10mA,所以，R55的電阻值應(yīng)為（5-1.7）/0.01=330。578xx/79xx系列在降壓電路中應(yīng)注意以下事項： （1）輸入輸出壓差不能太大,太大則轉(zhuǎn)換效率急速降低，而且容易擊穿損壞。（2）輸出電流不能太大，1.5A 是其極限值。大電流的輸出，散熱片的尺寸要足夠大，否則會導(dǎo)致高溫保護(hù)或熱擊穿。（3）輸入輸出壓差也不能太小,太小效率很差。3.4單片機(jī)典型系統(tǒng)電路的設(shè)計3.4.1 AT89C51簡介AT89C51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。主要特性： 1、與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容；2、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器；3、1000次擦寫周期；4、全靜態(tài)操作：0Hz-33MHz；5、三級加密程序存儲器；6、32個可編程I/O口線；7、三個16位定時器/計數(shù)器；8、六個中斷源；9、全雙工UART串行通道；10、低功耗空閑和掉電模式；11、掉電后中斷可喚醒；12、看門狗定時器；13、雙數(shù)據(jù)指針；14、掉電標(biāo)識符。單片機(jī)的管腳說明如圖3.10所示： 圖3.10 單片機(jī)的管腳說明管腳說明：P0 口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。 當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在 圖3.10.AT89S52芯片管腳圖 這種模式下，P0不具有內(nèi)部上拉電阻。 在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗 時，需要外部上拉電阻。P1 口：P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O口，p1輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.1分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時器/計數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）。在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。引腳號第二功能：P1.0 T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出P1.1 T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用）P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用）P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用）P2 口：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。P3 口：P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，p3輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。端口引腳第二功能：P3.0 RXD(串行輸入口)P3.1 TXD(串行輸出口)P3.2 INTO(外中斷0)P3.3 INT1(外中斷1)P3.4 TO(定時/計數(shù)器0)P3.5 T1(定時/計數(shù)器1)P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗的控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89S52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。EA/VPP：外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。FLASH存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.4.2單片機(jī)的復(fù)位電路在設(shè)計單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時，必須了解單片機(jī)的復(fù)位狀態(tài)和復(fù)位電路的設(shè)計。因為單片機(jī)只有可靠地復(fù)位后才能進(jìn)入可靠的工作狀態(tài)，所以系統(tǒng)的復(fù)位電路必須能準(zhǔn)確、可靠地工作。另外，單片機(jī)的復(fù)位狀態(tài)與應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)位狀態(tài)又是密切相關(guān)的，因此必須熟