智能汽车超载报警

智能汽车超载报警器课程设计

一、设计要求

采用MCS51系列单片机构建系统。如果汽车超载，报警器发出声或光报警信号，且超载阈值可设置成5吨和10吨两挡。

二、总体方案

测量压力的传感器多种多样，比如：压电式压力传感器可以用在智能汽车超载报警器.压电式传感器可以静态测量.产品样本上就有超载限荷力传感器。但是压电式压力传感器对放大器要求高,对绝缘要求高,价格高.自己设计电路,静态测量,有难点.因此，不如用应变片的容易成功。

被称重物停在秤台上，在重力的作用下，秤台将重力传递至传感器，导致附着在传感器上的弹性体发生变形，则弹性体应变梁上的应变电阻片及桥路失去平衡，输出与重量成正比的电信号，经线性放大器将信号放大，再经A/D将模拟信号转换为数字信号，然后经过单片机处理，驱动报警器，从而实现超载报警。对于5t和10t的换挡，可以采用按钮形式，进行切换。

基本工作原理框图如下：

三、 硬件原理图

1、电阻应变片

电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值将随着压力所产生的变化而变化。对于金属导体，电阻变化率的表达式为：

式中： μ—材料的泊松系数；

ε—应变量。

通常把单位应变所引起电阻相对变化称作电阻丝的灵敏系数，对于金属导体，其表达式为：

因此：

在外力作用下,应变片产生变化,同时应变片电阻也发生相应变化。当测得阻值变化为△R 时，可得到应变值ε

，根据应力与应变关系，得

(12)R

R

μ∆≈+

到应力值为：

式中：σ-应力,ε-应变（为轴向应变）

E-材料的弹性模量

又重力G与应力σ的关系为：

式中： G-重力,S-应变片截面积

根据以上各式可得到：

由此得出应变片电阻与重物质量的关系，即：

根据应变片常用的材料（如康铜）取：

k0=2；E =16300 kg/mm2；S = 100；R0 =34Ω；

g=

桥路部分原理：

电阻应变计把机械应变转换成ΔR/R后，必须采用转换电路通常采用惠斯登电桥电路实现这种转换。

图13-2所示的直流电桥，对于单臂电桥,如下图：

直流电桥

当电桥平衡时,相对的两臂电阻乘积相等,即：

R1gR4=R2gR3

设桥臂比n=R2/R1 由于R1<

电桥电压灵敏度定义为：

从上式分析发现：

②桥电压灵敏度正比于电桥供电电压。

②电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，必须恰当的选择n的值，保证电桥具有较高的灵敏度

由：

求Sv的最大值，由此得

求得n＝1时，Sv最大。也就是供电电压确定后，当R1=R2,R3=R4时，电桥得电压灵敏度最高，可得：

由于上面的分析中忽略了ΔR/R，所以存在非线性误差，解决的办法有：

①提高桥臂比：提高了桥臂比，非线性误差可以减小，但从电压灵敏度考虑，灵敏度将降低，这是一种矛盾。

②采用差动电桥：根据被测试件的受力情况，若使一个应变片受拉，另一个受压，则应变符号相反。则电桥输出电压U o为：

若△R1=△R2,R1=R2,R3=R4,则有：

由此可知，Uo和R1/R1成线性关系，差动电桥无非线性误差。而起电压灵敏度为，比使用一只应变片提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用。若将电桥四臂接入四个应变片，即两个受拉，两个受压，将两个应变符号相同的接入相对臂上，则构成全桥差动电路，若满足△R1=△R2=△R3=△R4,则输出电压为：

由此可知，差动桥路的输出电压U o和电压灵敏度比用单片时提高了四倍，比半桥差动电路提高了一倍。

因为采用的是金属应变片测量，所以本设计采用全桥电路，能够有比

较好的灵敏度并且不存在非线性误差。

2、放大电路：

该放大电路具有很强的共模抑制比。它由两级放大器组成，第一级由集成运放A1、A2，由于他们采用同一型号的运放，所以可进一步降低漂移。电阻R1、R2和R3组成同相输入式并联差分放大器，具有非常高的输入阻抗。第二级式由A3和4个电阻R4、R5、R6和R7组成的反向比例放大器，它将双端输入变成单端输出。阻值R1=R3,R4=R5, R6=R7。

根据运算电路基本分析方法，可得到输出电压：

3、ADC0809管脚

ADC0809的引脚功能：

1）、INT0-INT7：八路模拟输入通道

2）、D7-D0：8位三态数据输出线。

3）、A/B/C:通道选择输入线，其中c为高位，A为低位4）、ALE：通道锁存控制信号输入线

5）、START:启动转换控制信号输入线。

6）、CLK:转换脉冲输入线

7）、VCC：主电源+5V。

8）、GND:数字地

4、报警电路

报警电路采用声光报警，同时通过按钮来换5t和10t档。21、22脚分别接扬声器和发光二极管，扬声器由三极管放大驱动；二极管经一电阻接到电源，从而构成报警电路。

5、总体电路设计：

选用传感器型号：

电阻应变片传感器结构

GYJ型钢筋应变计

四、软件框图

1，报警框图：Flag为标志位。

五、设计总结：

该系统硬件主要包括以下几个模块：8051单片机主控模块、ADC0809模块、放大器模块、传感器模块、报警模块。其中8051主要完成外围控件的控制以及一些运算功能。传感器完成信号的

采样功能，放大器模块起到放大传感器输出电压，用来驱动ADC0809的功能。ADC0809主要负责把模拟量转换为数字量。报警电路主要负责声光报警。

在此次课程设计的过程当中，遇到不少困难，比如对于传感器的选择，要考虑到经济，灵敏度，量程，精确度等情况。由于长时间不用单片机，导致对于单片机与0809的引脚的连接问题搞不清楚，于是查阅了大量资料。同时，由于ADC0809输入电压为0-5V，所以在通过放大器放大后不能超过这个范围。

通过此次课程设计，我得到了很多收获，在设计过程当中，组员之间相互配合，遇到问题共同解决，相互合作，相互学习，共同进步，使我们对于学习理论知识有了进一步的巩固。通过广泛地查阅资料，结合各种资料总结，把传感器、放大器、数模转换器、单片机、报警器等各部分知识串联起来，拓展了大量知识，同时对于原理图的画法，得到了更熟练的掌握。使我深刻体会到了学习与实践相互结合的重要性，期待以后还会有更多的机会学以致用。

六、参考文献

张新《单片机原理与应用》西北工业大学出版社

2008