基于单片机的汽车超载控制系统的设计文档格式.docx
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车辆超载是指运输车辆所载的货物质量超过了额定装载质量的情况,车辆超载有着以下危害：
1、严重损害公路和桥梁
随着城乡经济的飞速发展，在公路上行驶的载货汽车、大型平板车、汽车列车和集装箱运输车，其数量和比重逐年增加。
其中大量超过公路、桥梁限载标准的运输车辆在公路上行驶,致使公路严重损坏,大大地缩短了其使用年限，不得不提前大中修，一辆辆超限超载运输车，犹如一个个“超级杀手”，在其重压之下，公路“未老先衰”，超限运输给国家财产造成了巨额损失，全国公路每年因车辆超限超载造成的损失超过300亿元。
2、超限运输车辆行驶公路严重影响交通安全
超限超载车辆被称为“公路第一杀手”，据统计，80%以上的载重货车道路交通事故是由超限超载车辆引起的。
近年来我国发生的一系列群伤群死重大交通事故，许多均与车辆的超限、超载有关。
汽车核载确定是有科学依据的，在核载范围内载货汽车的安全性包括良好的制动性和操作的稳定性是有保障的，超限车辆大多是采取了更换高压轮胎，加厚钢板弹簧，加高车辆栏板的改装车辆，而其操作、制动和传动系统仍保持出厂的配置。
由于长期、大量的超限超载运输，车辆长期处于超负荷运转状态，使车辆的制动性和操作性能迅速下降，表现为轮胎变形爆胎、刹车失灵、转向器轻飘抖动，钢板弹簧折断、半轴断裂等，给交通安全带来极大的事故隐患。
研究表明，如果一辆车的实际装载量超过规定值的50%以上，那么整车的协调性、制动性就会变得很差，极易引发交通安全事故。
3、严重的扰乱了运输市场的秩序，引起恶性竞争
车辆超限超载还导致了公路运输市场的恶性竞争。
运输市场运力供大于求，压价现象频出，市场竞争激烈，为弥补降价造成的经济损失，车主通常多采用多装和逃避交通规费的办法获得补偿，使得运力过剩矛盾更加突出。
“超载—运力过剩—压价—再超载”的怪圈愈演愈烈。
20世纪70年代末和80年代初，一般普通散货运价在0.3元/tkm，但目前已降到不足0.2元/吨公里。
车辆超限超载运输造成道路运输市场扭曲，严重损害了统一开放、竞争有序的市场秩序，阻碍了现代道路运输市场体系的建立和完善，破坏了正常的社会经济秩序。
4、造成车辆“大吨小标”泛滥，进一步加剧超限运输
因为竞相超限运输，部分汽车制造厂家受利益驱动，迎合市场，竞相非法生产“大吨小标”汽车，即将原来设计制造的汽车载质量故意从大吨位改标为小吨位，如EQ3094F6D自卸车，加强型车架、离合器、9吨级后桥，长轴距、长车厢，装载容积11.3ml，厂家却标为“五吨运煤王”。
有的卖车人为促销，给八平柴的合格证，能拉10~15t，行车证只标5t。
一些汽车改装厂和修理厂非法改装车辆，导致超限运输现象大大增加。
同时，国家对运输市场的调控力度、法规等方面存在不足，不能从根本上解决车辆超限现象的发生，管理不当，使得运输市场的无序竞争一定程度上又增加了。
5、扰乱了国家养路费以及路桥收费政策，制造出新的不公平
由于我国目前所有公路收费基本都是按车辆核定吨位收费，“大吨小标”超载车辆的泛滥，导致单位运输成本降低。
这样，运输者通过超载超限可以提高利润水平，降低其运输成本，这样就可获得比守法经营者更多的利润。
对国家来讲，漏征了大量规费，我国每年因超限超载而偷逃的养路费、路桥通行费不计其数，据专家估算，车主通过超限超载每获利1000元，国家就损失6000元；
对于遵纪守法的人来说，无疑是不公平的。
6、严重的影响了我国汽车产业的健康发展和技术进步
汽车产业是我国国民经济的支柱产业，对拉动内需、扩大就业、提高人民生活质量具有十分重要的作用，但是由于载重货车市场上，“大吨小标”的车辆畅销，而按标准设计标定吨位的车辆受到冷落，同时，一些不规范的企业以及改装车厂，乘机生产销售违规车辆。
不仅导致优胜劣汰的市场竞争机制遭到严重扭曲，遵纪守规企业的正当利益受到严重损害，使运输市场秩序严重混乱，也影响了汽车产业的技术进步。
如果任生产“大吨小标”车辆的现象发展下去，中国的载货车和世界水平的差距将会越来越大。
7、降低了公路使用效率，污染了环境
超载车辆一般车速都很低，有的不足40km/t，由于车体大、走不快等，影响后车通行，常造成交通阻塞，公路的使用效率大大降低。
特别是在高速公路上，严重超载车辆一般只能行驶30~40km每小时，有的更低，造成了高速公路低速行驶尴尬局面的发生。
另外，超载车辆在不良路段行驶时由于荷载大，常常冒黑烟，导致排放超标，污染环境。
近几年来，针对超限超载严重的社会危害性，我国多次发起治理车辆超限超载的活动，处罚的力度也越来越大，但由于超限超载涉及面广，治理难度大，加之利益驱动，特别是源头问题没有得到有效解决，总是时间不长，再次回潮。
公路超限超载运输屡禁不止，已成为公路管理的一大“顽症”，社会生活和经济发展中的一项“公害”，到了非治不可的时候了。
车辆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和一些制度法规来控制，虽然在一定程度上减少了车辆超载的现象，但某些时段超载现象还是屡禁不止，并不能从根本上解决问题。
因此，在采取行政监督管理的同时，通过科学技术手段来制止超载现象也有着极其重要的意义和实用性。
1.2国内外汽车超载研究现状
1.2.1国外汽车超载研究
20世纪，国外几乎所有的国家都存在汽车超载运输的现象，据调查美国和德国的货运汽车中汽车超载的数量都在50%左右，而情况稍好的日本也达到20%为此，20世纪50年代，国外许多国家如：
美国、韩国、日本等国都在开始研究汽车动态称重系统，想通过利用汽车动态称重技术来避免汽车超载对公路造成早期破坏等，井取得相应的成果。
美国约有1100多个动态称重站，利用照相机和路边控制器技术，与高速公路巡警车中的计算机相连接，对过往货车进行检查，能够及时观察数据和有效鉴别超载车辆的身份。
日本广泛使用固定式或移动称重检测设备对超载车辆进行检测。
在高速公路收费站设有电子秤进行轴载测量。
对于大型货车交通部门还要求安装自动测重仪。
韩国从1973年7月开始对重车实行重点检查。
1994年10月，由于超载车辆过多而导致圣水大桥坍塌后，韩国政府进而加大了治理力度，在全国各地设立500余个超载检测站（点）。
韩国采用了一种超载监控系统。
车辆通过时通过电子称重设备来检测重量，车辆识别系统对车辆型号进行识别，并且利用网络中的PC机来判断车辆是否超载，若超载，系统将会对超载的车辆自动进行拍照，用来作为惩罚的依据。
许多发达国家先后采用了超载运输车辆检测与限制技术，对管理对策不断进行完善，来解决治超难问题，取得了较好的效果。
同时采取相应措施，从源头上杜绝了超载现象的产生，有效遏制了超载现象。
外国卡车通常采用空气弹簧，当车辆不超载才能启动行驶。
其附属设施在装卸、搬运的过程中对于超载情况的限制起到了相当重要的作用，比如，由货场起重机的起重量来限制车辆的载货能力等;
采取相应措施，制定相应法规来控制超载，并且对超载相关人员进行严厉制裁。
1.2.2国内汽车超载研究
国内在超载检测技术方而起步晚，还处于探索阶段。
20世纪80年代出现了带基坑和无基坑的电子汽车衡，其中带基坑的电子汽车衡对道路破坏较大，介绍了主要基于悬臂梁式称重传感器的电子汽车衡。
对于超载的治理，国内通常还是在高速道路入口安装称重系统进行静态或者是动态称重，作为主要手段。
例如DCS固定式超载检测收费系统，并以此来控制超载现象的发生。
同时我国也开始引进国外汽车载荷监控方而的技术，如云南航大新技术工程有限公司年与1999年引进了德国PAT载荷监控产品，同年获得了国家级《计量器具型式批准证书》。
总体而言，国内对超载控制大多是通过一些相关的政策实现，对超载检测技术研究起步晚、时间也比较短，尽管也对动态称重系统进行了研究，但是研究过程中，对诸多影响汽车动态称重的因素分析不深入，而只是进行了简单的处理，导致检测精度不高。
所以目前国内在研究的同时，也积极引进国外关于超载检测的技术，如南京长江大桥上安装的汽车称重系统，该系统就属于典型国外高精度产品，但这类产品开发代价太高，在我国实现推广不切实际，同时还存在超限标准与我国实际情况不一致等问题。
1.3研究内容和预期目标
1、本设计为机动车超载检测控制系统的设计，要求能够判断机动车是否超载并且在超载时能够提供报警和显示超载的重量，并且由继电器控制汽车的打火系统。
然后通过放大电路将电压信号放大后送到A/D转换芯片ADC0809转换成数字信号并计算出载重量，并判断是否超载，若超载LED显示超载的重量,蜂鸣器开始报警；
同时由继电器切断汽车的打火装置，从而最终实现对超载情况进行相关控制。
车辆启动后速度传感器发挥作用，开始测速功能。
当速度小于初始设定值（10km/h）时，称重传感器仍发挥作用，当速度超过初始设定值时，单片机对称重部分进行关中断，这样不仅可以防止运输人员低速行驶时加装货物，而且可以避免行驶过程中因路面不平，颠簸而造成不必要的熄火。
2、预期目标
（1）要求载质量为两档,不同车型进行定量设定（申请超限运输并取得通行权的为另一档）；
（2）通过控制电磁制动阀来实现对车辆超载的控制；
（3）要求显示装载质量,显示位数为4位,即XXXXT；
（4）要求当检测车辆超载时,发出蜂鸣报警信号，卸载后自动停止报警。
2总体方案的设计和工作原理
2.1设计方案的选择
2.1.1方案一
车辆静态称重技术固定式称重磅秤：
静态测量时的车辆称重正好等于静态车辆的地心引力，这种称重方式是最准确的方法。
但是，这种传统的称重方式有它自身的缺点。
一方面，不仅体积大，占地面积宽，还不方便载重车称重。
另一方面，据路政执法人员介绍，地磅秤是固定式的，当执法称重时，就必须将载重车引导到有地磅称的地方才可进行测重，不仅增加了执法成本，也增加了执法对象的麻烦。
2.1.2方案二
车辆动态称重技术动态称重（WIM）是指由称重每个车轮、轮轴或团体或他们的组合，并通过对动态车辆轮胎压力的测量与分析，并估算车辆总重及重量的过程。
首先，动态称重系统的技术含量很高，设备复杂，动态称重跟传统地静态称重有很大地区别。
其次，由于车辆在行驶过程中产生地各种因素的复杂性和动态称重技术地复杂性，动态称重的结果具有一定地不确定性，因此，检验的精确性应根据适当的方法进行。
最后，应特别注意各种标准规范的使用与现场使用条件的相契合程度，据此选择适用的标准和相应的设备。
2.1.3方案三
处理器基于51系列单片机的机动车超载控制系统。
本系统采用51系列的AT89C51单片机作为系统处理的核心，利用电阻应变式压力传感器将机动车载重量转换成电压信号；
然后通过放大电路将电压调理后送到A/D转换芯片ADC0809转换成数字信号并计算出载重量；
并且判断是否超载，若超载显示超载的重量并报警；
同时启动发动机点火控制系统；
综上所述，本设计采用方案三：
2.2设计方案的确定及总体结构
本次设计采用51系列AT89C51单片机，选用它作为
核心控制新片，可使电路极大地简化，而且程序的编写及固化也相当方便、灵活。
与系统相关的技术方案包括：
看门狗的选择、传感器的选择、A/D转换转换器的选择、显示器的选择、报警电路的选择、点火控制电路及电源方案等。
总体结构如图所示：
图1系统硬件框图
该设计采用51系列的AT89C51单片机作为系统处理的核心，利用电阻压变式传感器将机动车载重量转换成电压信号；
然后通过放大电路将电压信号放大后送到A/D转换芯片ADC0809转换成数字信号并计算出载重量，并判断是否超载，若超载显示超载的重量并报警；
同时启动发动机点火控制系统。
3硬件设计
3.1单片机的选型
（1）AVR系列
AVR单片机是ATMEL公司推出的较为高档的单片机，其显著的特点为高速、高可靠性，低功耗。
AVR单片机的推出彻底打破了旧的设计格局，它废除了机器周期，采用精简指令，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。
AVR单片机采用片内FLASH存储器给用户的开发带来了方便。
FLASH程序存储器可擦写1000次以上，而采用新工艺的AVR器件，FLASH程序存储器擦写可达10000次以上。
具有丰富的外部设备。
I/O口功能强，驱动能力大，具备10-20mA灌电流的能力。
具有节电功能及休眠功能的低功耗工作方式，一般耗电在1-2.5mA。
AVR系列没有类似累加器A的结构，它实现A的功能主要是通过R16～R31寄存器来实现。
在AVR中，没有像51系列的数据指针DPTR，而是由三个16位的寄存器来完成数据指针的功能（相当于有三组DPTR），分别为X（由R26、R27组成）、Y（由R28、R29组成）、Z（由R30、R31组成）三种。
还可以作增减量等的运行。
（2）51系列
51系列单片机主要包括基本型产品和增强型产品。
虽然他们是8位的单片机，但是具有品种全、兼容性强、性能价格比高等特点，且软硬件应用设计资料丰富齐全。
51系列内部结构从硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器（或布尔处理器）。
它的处理对象是位而不是字或字节。
具有位处理功能同时能够进行位逻辑运算的单片机实属少见。
51系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，共有十六个字节，单元地址为20H～2FH，它既可作字节处理，也可作位处理，使用极为灵活。
AVR系列单片机不能直接对RAM单元中的位进行操作，若想对RAM中的某位置位时，必须通过状态寄存器SREG的T位进行中转。
单片机主要用来实现对车载重量的分析与测量。
在单片机的选择中,考虑到系统中的程序量和数据量较少,需要的I/O口资源也相对较少,AT2MEL公司的AT89C51芯片的资源就能很好的满足系统的需求,所以在系统设计中采用了MCS-51系列单片机89C51芯片的最小系统来实现。
本设计选用的是标准型单片机AT89C51，AT89C51是一种高性能、低功耗的8位单片机，片内带有一个4K字节的FLASH可编程只读存储器（EPROM），并且具有可擦除功能。
它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。
另外，AT89C51还具有MCS-51系列单片机的所有优点。
128X8位内部RAM，32位双向输入输出线，两个十六位定时/计时器，5个中断源，两级中断优先级，一个全双工异步串行口及时钟发生器等。
片内的FLASH存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器来编程。
因此AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，它可方便地应用在各种控制领域[3]。
AT89C51的主要属性有：
◇与MCS-51微控制器产品相互兼容；
◇4KB编程闪存（每周期可进行1000次擦写）;
◇全部静态工作:
0Hz-24MHz；
◇具有3个内存安全特性；
◇128x8字节内部RAM；
◇共有32条可编程I/O线；
◇具有2个16位定时器/计数器；
◇具有6个中断源；
◇可编程的串行通道；
◇芯片时钟振荡器；
◇空闲状态下可维持低功耗功能和掉电状态能够保存片内RAM中的内容。
管脚功能：
AT89C51单片机为40引脚芯片如图2所示
图2AT89C51引脚
1）I/0口线：
P0,P1,P2,P3共四个八位口
P0口：
三态双向口，通称为数据总线口.只能由该口对外部存储器地读/写进行相关操作。
P0口也可以用于外部存储器地低8位地址的输出功能。
因为输出是分时进行的，因此应该在外部加装锁存器用来将此地址的数据进行锁存，该地址的锁存信号用ALE。
P1口：
8位，准双向口，是供使用者使用地专门的I/O口。
P2口：
准双向I/O口，当从系统进行扩展时可以作为高8位地址线使用。
当外部存储器不进行扩展时，P2口也可以作为用户I/O口线使用。
P3口：
双功能口，可以作为通用的I/O使用，还可以提供第二I/O功能。
当作为第一功能I/O口使用时操作同P1口。
P3口的第二功能如表1。
表1P3口的第二功能
引脚
第二功能
说明
P3.0
RXD
串行数据输入口
P3.1
TXD
串行数据输出口
P3.2
INT0
外部中断0输入
P3.3
INT1
外部中断1输入
P3.4
T0
定时/计数器0外部计数输入
P3.5
T1
定时/计数器1外部计数输入
P3.6
WR
外部数据存储器写选通输出
P3.7
RD
2）控制口线：
PSFN（片外取控制）、ALE（地址锁存控制）、EA（片外储器选择）、RF-SFT（复位控制）；
3）电源及时钟：
Vcc、Vss；
XTAL1，XTAL2
本文选用如此高性能的单片机方便了以后的功能扩展，基本电路如图3所示[4]。
图3单片机基本电路
3.2看门狗电路的设计
随着科学技术的发展，以智能芯片为核心的单片机小型化程度和系统集成化程度的日益提高，从而使系统具备了更加完备的性能。
目前，在某些测控系统中，存在一些如瞬时电压不稳定、电源突然开断等不安全因素，通常会造成系统信息丢失、系统运行不稳定、死机等故障。
为解决这些问题，可利用MAX813L芯片，实现看门狗电路、电源故障监视电路和手动、自动复位电路，可有效地解决程序运行中出现的“死机”现象和电源故障带来的不利影响。
（1）基本工作原理
工业生产环境中的干扰大多是以窄脉冲形式出现的，而“死机”现象是微机系统最为常见的故障。
究其原因是CPU在执行某条指令时，受到干扰信号的冲击，导致它其操作码或地址码发生了改变，从而使该条指令出现错误。
这种情况下，CPU执行随机拼写的指令，有时会将操作数当作操作码执行，导致程序“跑飞”或进入“死循环”。
为使这种出错的程序自动恢复，重新正常工作，其中有一种有效的办法就是采用硬件“看门狗”技术。
用看门狗监测程序的运行，如果程序发生“死机”，则看门狗会及时有效产生复位信号，引导单片机程序重新进入正常运行状态。
另外，由于种种原因会导致系统的电源电压不稳定，当电源电压降低或发生掉电时，就会造成重要数据的丢失，此时系统便不能正常运行。
为了最大限度地减少损失，当单片机在电源电压出现突然降，在低降至一定限值之前，能够将重要数据快速有效地保存，则“看门狗”技术便是一种很好的选择。
图4单片机的掉电保护工作方式电路原理图
单片机掉电保护工作方式的电路原理图如图4所示：
当PD设置为1时，掉电方式被激活，与非门输出低电平，此时时钟发生器停止一切工作，单片机内全部运行工作状态均被停止，只有片内数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR中的数据被保存起来。
为尽可能地减少损失，可以在单片机系统中设置一定的外部附加电路监测电源电压，并且在电源发生故障时能够及时通知单片机（如通过引发中断来实现）快速将重要数据保存起来，同时断开外围设备所用电源，使整个应用系统的功耗降到最低。
当电源恢复正常工作时，取消掉电保护工作方式，此时单片机复位使系统重新正常工作。
（2）硬件实现电路图
图5为MAX813L的应用连接电路图。
此电路可以实现程序运行时突然出现“死机”的自动复位功能，也可以实现实时的
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