毕业设计(论文)动态称重系统设计.doc
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1、摘 要目前我国经济正处于一个高速发展的阶段,人们的生活质量日益提高,财产也慢慢积累,渐渐富裕起来,买车的人也越来越多(家用车,客车,货车),但是随之而来的是一系列严峻而又急需要解决的问题,比如公路收费站停车称重效率低下,通车速度慢,容易引起拥堵;公路上货车超载引起的交通安全事故频繁,威胁人们的生命财产安全;超载还会加快对道路的破坏,使公路的维护周期大大缩短,从而让国家在道路维护上过多投入,造成资源浪费;超载也会减少国家的税收大量流失,影响过家财政收入,此外,由于过载发动机会超负荷工作,容易造成环境的污染等系列衍生的严峻问题。为了解决这些问题,提高通行效率,减少超载现象,于是动态测重技术(WIM
2、)应运而生。本设计参考国外动态称重技术的基础上,以压力传感器,放大器,数模转换装置,微型控制器,显示设备为核心部件,设计一个实用的动态测重系统。选用一种合适的数据处理方案,编写程序,最后通过Proteus软件的仿真,模拟整个称重过程,从而验证此方案的可行性。 关键词:动态称重;压力传感器;算法;Proteus仿真Abstract At present, with the high-speed development of Chinas economy, peoples quality of life is increasing , and property is accumulating sl
3、owly. More and more people start to buy car,such as home car, passenger car and truck.However,it cause a series of severe and urgent problems. For example, because of the poor efficiency of toll station parking weighing,the slow traffic will easily lead to congestion. The traffic accident caused by
4、truck overload will seriously threaten peoples life and property. Overload will accelerate the destruction of the road, shorten the maintenance cycle of highway greatly, waste more resourse to maintain the road. Overload also will reduce taxes on the country, affect national financial revenue. In ad
5、dition, overload engine overworking easily cause environmental pollution and other series of serious problems. In order to solve this problem,improve traffic efficiency,decrease overload phenomenon,the dynamic weighting technique(WIM) came into being. Based on the new technology of domestic and fore
6、ign, a practical dynamic weighing system is designed,and the pressure sensor, amplifier, digital analog conversion device, microcontroller and display equipment are taken as the core component. A suitable data processing scheme is chosen for the program. Finally, proteus simulation software is utili
7、zed to simulate the whole weighing process, and then verify the feasibility of this scheme. Key words:Weigh-in-motion; Pressure sensor; Algorithms; Proteussimulation目 录摘 要IAbstractII1 前言11.1动态称重的定义以及研究意义11.2毕业设计要求22 方案论证32.1系统电路设计整体方案32.2数据处理方案选择32.2.1最大值测量法42.2.2算术平均测量法42.2.3神经网络法52.2.4基于参数估计的系统辨识法
8、53硬件电路设计63.1 数据处理器件电路63.2数据采集电路83.2.1电阻应变片式传感器电路设计83.2.2信号放大器电路设计113.2.3数字模拟转换器电路设计133.2.4精密基准电压源143.3光电门车轮检测电路153.4显示电路163.5电源电路173.6外部通信电路174 程序设计194.1 程序流程图194.2 部分程序204.2.1 max187204.2.2显示215 仿真与调试246总结与展望26致谢词28【参考文献】29附录1:系统总体电路图30附录2:源程序代码311 前言近年来,在国家政策的大好形势下,国民经济不断攀升,人民财富不断累计,买车的人(私家车,客车,货车
9、等)越多了起来,由此衍生了一些列问题,比如收费站传统停车称重效率低,在收费站安装WIM设备不仅减少了人的工作强度,同样更能保证交通的流畅性、秩序性、安全性;对于公路来说,安装改设备能有效减少超载现象,不仅能够有效的延长公路寿命,大大缩短维护的周期,为社会节约资源,减小对环境的污染,另一方面,对于保护生命财产安全,减少交通之故的发生也具有重大的意义。WIM技术的发展历史分为以下几个阶段:1958年,美国带头开始研发WIM系统;1974年,美国最先在车辆载荷研发中投入配置weigh in motion;1983年,vibracoax技术下研发的系统最先在法国批量生产使用;1988年,英国制造出性能
10、好于Vibraeoax的新型称重压电传感器Vibeteks;1993年,欧盟WIM被纳入COST重点计划并且实施;1995年,第一次ICWIM1会议正式召开;1996年,欧盟花巨资,建立WAVE项目;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
11、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
12、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:50 t,精确度:匀速时2%(速度5Km/h),采样频率:200次/
13、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
14、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
15、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,当车速V0时,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
16、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,的平均值,设为,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,
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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3.1.1 AT89C52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RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器 8个中断源 图3.1.2 AT89C52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,
22、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2k4。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:50 t,精度:匀速时2%(速度5Km/h)我们选
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