我的毕业设计论文动态称重系统设计文档格式.docx
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2000年，MSI研制出更高性能的传感器，可以同时测量移速、轴的个数、车轴的距里；
2008年，重要国际会议ICWIM5和HVTT10成功举办
80年代以前，我国没有改革开放，公路上没有这种系统，都是整车称重，秤台比车还大，改革开放以后开始从国外引入WIM系统。
后来，摸索并开始研发轴重秤，2000年以后颁布并实施有两部有关于测重的法律规定，新法规推动了WIM技术的研发热潮，眼前国内的研究主要是引进和改进，自主研发能力比起国外的厌烦能力，还有很大的距离
1.1动态称重的定义以及研究意义
动态称重简称WIM。
相比停车称重来说是可以测量运动物体的重量，比如可以通过测量运动的轮胎的压力，来测得车身总重量。
通常由传感设备，数字模拟转换设备，微型控制设备，显示设备，以及有软件控制的称重仪器。
WIM系统在每一个国家使用都非常广泛，主要用于检测计算车身总重量（车辆总重），车轴重量，超重，车辆速度，车身总长度，轴间距和车辆种类（如轿车，公共汽车，卡车或牵引车/半挂车）。
WIM用于收费站称重，该系统可以在不停车的情况下，测量车的重量，保证车辆通过的效率；
公路保护以及交通安全保护方面，，该系统可以有效的防止超载，超载一方面容易引发交通安全事故，另一方面使公路的使用寿命缩短，所以该系统可以有效的延长公路寿命，保障人生安全。
随着改革开放政策的实施，我过的国民经济飞速发展，汽车行业正在快速崛起，车辆的急剧增多，这让WIM系统如如鱼得水，为了保证安全，提高效率，研究WIM系统显得格外具有意义。
此外，WIM技的使用范围非常广泛，药品、食品、化工、石油等生产计量部门，采用该技术能大幅度工人的工作强度，节省人力资源，明显的提高生产效益，增加经济收入。
所以，称重行业对我国的国民经济的发展，有着举足轻重的作用
1.2毕业设计要求
要求：
最大额定测量：
50t，精确度：
匀速时≤±
2%（速度≤5Km/h），采样频率：
200次/S，5位LED显示，分辨率15kg。
毕业设计任务：
（1）查阅相关资料，了解各种动态称重的设计原理；
（2）完成方案论证报告；
（3）完成系统硬件电路图的设计及器件选型；
（4）画出软件流程图及编写软件；
（5）在Proteus下进行仿真、调试；
（6）按照要求撰写设计说明书；
2方案论证
2.1系统电路设计整体方案
动态称重系统主要由压力传感器、信号放大电路、转换器、微型控制器、LED液晶显示器、光电计数器、电源等主要部件组成。
其系统整体电路设计思想为：
图2.1系统电路设计思想
2.2数据处理方案选择
当车辆经过秤台时，传感器会输出一个信号，但是这个信号并不等于被对象体实际的真实值，因为除了传感器本身的误差意外，最终的测量值还容易受到温度、湿度、车辆的速度、加速度、车身本身的抖动、操作车辆转向、路面凹凸不平等外界因素的干扰，显然如果直接把传感器的测量值当做真实值，测出的数据没有使用价值，设备也就没了实际作用，所以对信号的预处理显得格外具有实际意义。
根据不同的测量方式，不同的测量要求，选择不同的信号数据处理方案可以极大地提高测量的精确度。
是提高动态称重精度的重要环节，不同的称重方式有各自的特点，其信号处理方法也不同。
对于低速工作模式，主要采用应变式轴重设备数据处理方案；
速度比较高的情况，则一般采用条状传感器信号处理方案。
下图2.1是常见的多轴车辆输出的轴重信号。
明显的可以知道当车轮压过传感器后，会出现一个冲击激振，然后慢慢的衰减下去，激振的陡峭程度是由被测物体移动速度决定的，移动速度越高就上升就越快，激振也就越强烈，极值点与实际值的差距就越大，设测量值为Z1,实际值为Z2，差值为δ，当车速V→0时，δ→0，测量值Z1无穷接近于Z2，所以移动速度非常低的情况下，将测量值人为的认为等于实际值。
如果移动速度比较高，速度带来的影响就非常之大，速度会造成一些列的后续干扰，因此就必须对测量值进行信号处理，下面介绍几种常见的方案[1]。
图2.1典型的汽车轴重信号
2.2.1最大值测量法
该方案将得到的最大值直接视为真实值，对被测对象行驶速度有绝对的要求，精度低缺点多，优点是易实现，算法容易。
2.2.2算术平均测量法
该方案就是对采样值进行求平均值，能够达到一定的精度，算法相对容易，需要比较大的秤台，采样的值要足够多才能达到理想的精度，同时受激振的影响较大，但是我发现文献[2]给出了一种非常有效果，算法也相对容易的处理方案，大概原理是去掉两边激振冲击较大的部分，对中间相对平稳的采样值段求平均值。
（1）对采样值
（即车轮在秤台时称重系统的采样值）进行排序,去
个较小的采样值,保留
个较大的采样值,设为
（
）;
（2）求
的平均值,设为
;
（3）求
…
对
，
进行排序;
（4）在
中找到
个较小值
…,
）,再找到与
…,
对应的
，…，
（5）求
即为所求值。
其中,m、n、p均为整数。
该方案，能够有效去除激振冲击带来的干扰，但是需要大量的采样值才能达到理想的精度。
并且需要对车速进行限制，能在低速情况方可采用。
经过比较，此方案精度较高，采样数据较多，适用于低速工作情况，所以满足我们的设计需要，故选用该方案作为我们的设计方案。
2.2.3神经网络法
该方法主要是基于并行技术的思想，以神经网络技术为控制核心，采取多因素协调，将检测过程中对影响称重精度和限制车辆通过速度起主导作用的因素作为训练样本，通过训练获得较好的网络模型，再根据该模型和网络输入数据得出车重，并期望提高检测精度。
目前来看，利用数学模型的称重检测方法是比较有前途的，绝大多数称重系统基本上是具有二阶（或准二阶）传递特性的系统，假如称重系统采用二阶的自回归滑动模型ARMA，再借助于这个模型和递推的最d,-乘法RLS即可由极短的称重阶跃响应估计出模型参数和被称重量。
在现有的车辆动态称重系统中，为了提高检测精度，信号的测量往往是在衰减到一定程度并稳定后才进行，这就大大限制了车辆通过速度。
高速情况下的测量数据属于短时间历程数据，而使用RLS估计重量的方法要求时问很短，通常不超过一个振荡周期即可得到良好的结果，这为测量时提高车辆通过速度提供了广阔的空间。
另外，考虑到称重台结构比较复杂，要进行高精度建模很困难，利用神经网络技术可以避开复杂的物理建模，仅根据系统的输入、输出数据进行黑箱建模。
式中：
代表实际的测量值。
代表模型的输入值。
总体来说，该方案就是通过用大量的时间通过大量的实验测出大量的数据拟合推导出一个测量的数学模型（实验模型）。
该方案精度高，能够用于高速模式，缺点是需要花费大量的时间，经费，并且需要实验环境，由于我们的时间比较紧，买实际的实验设备需要太多经费，没有实验环境，故不采用此方案
2.2.4基于参数估计的系统辨识法
这个方案对于我来说比较难，没有这方面的知识储备，该方案大概的意思是通过分析建模（理论建模），引入系统辨识法（通过3个要素选定一个最能代表该系统的数学模型），再用参数估计法简化问题。
次方案能在极短输入信号估计出数学模型、轴重值，精度也非常高，能够用在速度高的情况下。
由于我们的设计要求是低速工作模式，且我觉得该方案复杂，没有知识储备，故不选用此算法。
3硬件电路设计
硬件电路元器件种类繁多，选择方案多种多样，我主要选择的元器件有称重传感器信号放大器A/D转换器LED显示控制芯片
3.1数据处理器件电路
单片机国外称微控制器缩写“MCU”，实际上就是一个小型地计算机系统，包含一个处理器核心，存储器，可编程输入/输出外围设备。
微控制器被用于自动控制的产品和设备，如汽车发动机控制系统，植入式医疗设备，遥控器，办公室机器，电器，电动工具，玩具和其他嵌入式系统。
通过降低尺寸和成本使微控制器有了广阔的使用空间。
微控制器的公司繁多，种类繁多，但是原理大致一样，由于我们专业只集中学习过AT89C52/AT89C51,系列微型控制器，所以就选择我们熟悉的AT89C52微型控制器，如下图是一种用的非常广泛的微型控制器。
图3.1.1AT89C52微型控制器
（1）主芯片
主要特性
·
与MCS-52兼容
8K字节可编程闪烁存储器
寿命：
1000写/擦循环
数据保留时间：
10年
全静态工作：
0Hz-24Hz
三级程序存储器锁定
256*8位内部RAM
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
8个中断源图3.1.2AT89C52单片机
可编程串行通道
低功耗的闲置和掉电模式
片内振荡器和时钟电路
（2）晶振电路
晶振电路如图3.1.3所示。
由C2、C3串联之后并联一晶振组成，与单片机的XTAL1和XTAL2端口相连接。
晶振振荡频11.0592MHZ，两电容约为30pF，注意电容接地处。
图3.1.3时钟电路
（3）复位电路
在微型控制器系统中，该电路是用来防止程序跑飞死机时使用的，采用上电+按钮复位的方式。
当开关打开时，RST通过电阻接地，当按下复位按钮时，由于C6的作用使电源VCC通过R2接在单片机的RET端口，从而让系统复位。
电容的典型取值为10uF,电阻为2k[4]。
图3.1.4复位电路
3.2数据采集电路
3.2.1电阻应变片式传感器电路设计
该元件原理是，车轮压力引起电阻的变形，电阻形变在激励电压的作用下会输出变化的电压信号。
生产传感器的公司，传感器型号繁多，我们根据设计需求，最大额定称量：
50t，精度：
2%（速度≤5Km/h）我们选择JHBU-3型轮辐式称重传感器，该元件的参数以及实物图片见下方。
图3.2.1（a），JHBU压力传感器
表3.2.1JHBU-3型传感器参数
量程
0．3～50t
灵敏度
2．0±
0．1mv/V
综合精度
0．05%F·
S
蠕变
±
0．02%F·
S/30min
非线性
滞后误差
重复性误差
零点温度系数
S/10℃
输出温度系数
输入阻抗
725±
25Ω
输出阻抗
700±
1
Ω
绝缘阻抗
≥5000MΩ
激励电压
9
～15VDC
工作温度范围
-20
～﹢70℃
密封等级
IP67
将应变电阻，通过惠斯通电桥，按全桥或者半桥方式连接起来，可以精确的将压力以电流或者电压的形式表现出来。
图3.2.1（a）为直流电桥电路
图3.2.2（b）电桥的工作模式
普通电桥的输出电压：
（式3.2.1.1）
两臂差动电桥电路的电压输出为：
（式3.2.1.2）
初始状态；
有压力时
整理的：
（式3.2.1.3）
该电桥电压灵敏度：
（式3.2.1.4）
若采用全桥四臂电路，初始状态：
有压力输入时
（式3.2.1.5）
四臂电桥的电压灵敏度为
显然我们选择灵敏度高的模式。
关于实际选的器件，我们选择JHB3型压力传感器。
图3.2.1（b）是传感器的简化图，1接口接激励电压，2接地，3为输出信号
图3.2.1（c）传感器接线图
3.2.2信号放大器电路设计
仪表放大器也称精密放大器“INA”，是一种经过改良的差分放大器。
有很多优点，性能好，在测量的电子仪器设备上经常使用该元件。
目前的仪表放大器，大多被许多制造商（包括德州仪器，国家半导体，美国模拟器件公司，凌力尔特和
MaximIntegratedProducts）作成IC形式封装，不但可以降低电阻阻抗匹配的问题，而且使用上也非常方便，线路面积大大的缩小，例如
AD620、MAX4194、LT1167、INA128等。
下面是常见的仪用放大器原理图。
图3.2.2（a）典型的仪表放大器原理图
根据毕业设计的要求，传感器的输出电压为0-0.048v,A/D转换器的输入范围为0-5v,需要放大100倍，根据经济适用原则，我们采用仪用ad620放大器，改元件成本小，功耗低，精度高，体积小，放大倍数满足需求。
下面为ad620的参数
表2.2.2AD620特性参数
放大倍数
1-10000
电压范围
2.3-±
18v
最大工作电流
1.3mA
输入电压噪声
1KHz
下图为AD620的引脚接口图，该元器件的增益范围是1-10000，
的计算方式为式（3.2.2.1）
图2.2.2（b）AD620引脚接口图
查手册该元件的手册可得
（式3.2.2.1）
我们需要放大100倍，即G=100，带入可以解得，
=498.989898
所以取整数R19=500Ω，3接传感器的输出采集信号，6接口为放大后的信号。
图3.2.2（c），ad620接线图
3.2.3数字模拟转换器电路设计
模拟数字转换器简称“ADC”，该元件可以将连续模拟信号转换成脉冲的数字信号。
我们的设计要求是，要求最大额定称量为50T，分辨率为15kg推算，需要选择的传感器位数为，12位。
因为
（式3.2.3.1）
所以，根据需要以及经济适用原则，我们选用max187数模转换器，下面为max187的参数资料。
表3.2.3max187参考资料
分辨率
12
单电源供电
+5v
转换时间
8.5μs
工作电流
1.5mA,2uA（停机）
接口说明
VDD：
接+5V电源；
AIN：
模拟量输入模拟范围0-
；
SHDN：
工作模式控制高电平为正常工作模式，低电平休眠模式，悬空则禁止使用内6tttttttttt部参考电压；
REF：
基准电压，接4.7uf电容是为内部基准电压4.96V，外部可接5V的基准电压；
DOUT：
数字量串行输出口；
CS：
使能端，低电平有效；
SCLK：
位移脉冲输入，下降沿触发最高频率5MHZ
图3.2.3等效电路图与接线图
3.2.4精密基准电压源
改元件用来给max187,提供精准电压，确保全换精度。
2接口为电压输入接口，我们接24V,VO口为输出电压，接max187的REF口，max187使用外部基准电压。
表3.2.4精密基准电压源参数
输出类型
固定
电压-输出（最小值/固定）
5V
电压-输入
8V~40V
工作温度
-40°
C~85°
C（TA）
图3.2.4精准电压引脚接口
3.3光电门车轮检测电路
该电路由电压比较器LM393跟光电门组成，光电门由发光二极管跟光敏电阻组成，无车经过车的情况下二极管发光照在光敏电阻上，光敏电阻阻减小，即光敏电阻两端电压非常小，趋近于0，Lm393反相端电压为0，同相端电压大于反相端，比较器输出为1，当有车经过时，光电门二极管发出的光被遮住，光敏电阻阻值阻值极大，此时LM393反相端电压大于同相端，放大器输出为0。
LM393的输出端口接单片机的p3.2口。
通过检测LM393的输出，判断是否有车轴压过秤台，也可用来检测车轴数目。
图3.3光电门电路
3.4显示电路
七段显示器（SSD）或七段指示器或七段数码管，借由七个发光二极管以不同组合来显示数字是电子形式的显示装置，七段数码管分为共阳极数码管及共阴极数码管，该元件有使用更换方便，便于维护，功耗低，寿命长的特点。
七段显示器被广泛应用于数字钟表，电子仪表，基本计算器，以及显示数值信息的其它电子设备。
如下图是一种常见的七段显示器，根据设计要求，考虑到耗能，易使用的特点，我们选择6位LED液晶数码管显示。
图3.4（a）七段显示器
在本次设计中，根据设计要求，选择6位数码管LED显示测量数据，能够直观的显示出来，方便程序调节，对于LED数码管结构有共阳极和共阴极两种方法，其内部结构如下图所示。
本次设计采用共阳极的结构进行编程与仿真。
（a）共阴极二极管（b）共阳极二极管
图3.4（b）
6位显示数码管是将两个一位八段式数码接相应的电路组合在一起。
并引出两控制端1和2，本次设计是采用共阳极的6位数码管显示，其低电平有效。
其中两个数码管的八个端子A，B，C，D，E，F，G，DP为公共所用。
（其图形如图3.4.2所示）
图3.4（c）六位共阳极数码管
3.5电源电路
在图3.5中可以看出，本电路是用变压器将220V电压转变为24V电源，经过稳压二极管D2后，再经过7805后输出稳定的+5V电压为后续电路供电，电路实现比较简单。
其原理为：
电源驱动电路经过整流器整流后，通过滤波器电容C1、C3进行滤波后，再经过7805的稳压，7805的输出管脚输出稳定的线性5V电源，电容C2、C4的设置也是起到滤波的作用，R1为限流电阻，D1是LED作显示电路部分，起指示作用，D2为稳压二极管[5]。
要求U0=+5V，故选用7805型号，若输入电压较大时，应配上散热板。
图3.5电源原理图
3.6外部通信电路
RS232是一种接口类型，用来作为计算机与单片机的通信，属于串行通信。
Max232是控制通信的芯片。
参考官方手册
图3.6RS232通信端口引脚接口
4程序设计
4.1程序流程图
如图4.1所示，当程序启动时，首先窗口复位，初始化定时器1；
然后ADC采集数据，判断是否为零，并通过6为数码管显示出来。
当有数据传入时，进入中断，将采集的数据赋值到数组，当采集数据位0时关闭中断，对数据进行处理，按照前面所提到的算法处理数据并通过led显示出来。
图4.1程序流程图
4.2部分程序
本设计包含的程序
升级会员 