题
摘要
河北农业大学 本科毕业论文(设计)
目： 智能型客车超载检测系统的设计
学 院： 机电工程学院
专业班级： 电气工程及其自动化0802 学 号： 2008214050402 学生姓名： 任治锝 指导教师姓名： 张曙光 指导教师职称： 教授
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针对当前客车超载不断引发重大事故，设计了一种客车超载监控系统，本设计以AT89C51单片机为核心，通过光电传感器的检测数据转换成电流信号，然后由单片机对接受的信号进行进一步的分析处理。如果客车超载了，扬声器先进行报警，而后由继电器切断客车的打火装置，直到客车的载重量小于预定值时，扬声器报警信号停止，继电器恢复对客车的启动装置，从而最终实现对超载现象进行相关控制。
关键词：客车超载系统检测，单片机，光电传感器。 Absract
in view of the current coach overload continuously lead to major accident, design a kind of bus overload monitoring system, this design AT89C51, through the photoelectric sensor detection data convert current signal, and then by the monolithic integrated circuit to accept the signals further analysis processing. If the coach overload, the speaker to call the police, and then cut off the bus by relay strike device, until the bus load for less than the target value, the speaker alarm signal to stop, relay restore the start-up equipment on passenger cars, therefore, to reach the final of overloading phenomena are relevant control.
Keywords: coach overload system detection, microcontroller, photoelectric sensor. 目录
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1绪论............................................................................................................................4 2系统的整体结构........................................................................................................4
2.1系统的组成.........................................................................................................4 2.2系统的原理.........................................................................................................6
3系统硬件的设计........................................................................................................6
3.1系统硬件总体的组成.........................................................................................6 3.2检测模块电路.....................................................................................................6 3.3单片机模块电路................................................................................................11 3.4控制模块电路....................................................................................................15 3.4.1报警电路设计...........................................................................................15 3.4.2继电器控制电路设计...............................................................................17
4系统软件的设计.......................................................................................................17
4.1系统软件的整体设计........................................................................................17 4.2报警电路程序设计............................................................................................18 4.3计数功能程序设计............................................................................................18
5结语...........................................................................................................................19
谢辞..........................................................................................................................19 参考文献..................................................................................................................19
1绪论
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随着生活水平的不断提高，人们外出打工、探亲、旅游的人数越来越多，尤其是节假日，而于此相关的公路客运（长途客车，旅游客车等）的运力却没有相应增加，致使超员现象频频出现。目前，它已成为一个严重影响交通运输环境和社会经济可持续发展的社会问题。客车超载对国家的公路设施和客运市场造成了不良影响，也影响车辆本身和车辆的驾驶、控制，容易引发事故，给国家和百姓带来重大的经济损失和感情伤害。目前，国家出台了一系列的政策法规来制止客车超载，各地政府也制定了相关的制度来对客车超载进行管理。虽然这在一定程度上减少了客车的超载现象，但在节假日和农忙等客流高峰期，超载现象还是屡禁不止。因此，在采取行政监督管理的同时，通过科学技术的手段来消除客车超载的现象也有着极其重要的意义和实用性。
何谓客车严重超载呢?一般地说,中型客车和大型客车载客超过核定人数5人以内的为超载,超过核定人数6人以上的为严重超载。客车严重超载会带来一系列的不安全因素,如制动效能变差、横向稳定性能变差、不利于安全防火等。 第一,制动效能变差。根据汽车制动器热衰退的原理,有关人员对BJl30汽车试验资料显示,当制动蹄片温度高达436～460℃时,其制动力矩下降为前轮只有正常温度时(200℃以内)的23％,后轮只有正常温度时的27％。由此可知,严重超载的车辆(所有机动车)在下大、陡坡时连续使用制动后,会因制动蹄片受热衰退的影响导致制动效能变差,制动距离延长,还会造成制动跑偏、侧滑,严重的将会导致制动失效。 第二,横向稳定性能变差。汽车的横向稳定是指汽车在行驶转弯时抵抗侧滑和侧翻的能力。这种能力是有限的,当汽车转弯或行驶中转向时.就出现一种离心力而直接和横向稳定力相抵抗,如果发生离心力大于或等于横向稳定力的情况时,就会发生侧滑或翻车。第三，严重破坏公路设施，增加公路维护费用，缩短公路使用寿命。根据专家分析，车辆超限重量增加和其对路面的损害是呈几何数增长的，超限10%的货车对道路的损坏回增加40%，一辆超限2倍的车辆行使一次，对公路的损害相当于不超限车辆行使16次；一辆36吨的超限车辆对道路的毁坏程度相当于9600车1.8吨重的小汽车对道路的破坏。司机和车主超限运输每赢利1元钱，就会造成公路破坏100元代价。
本系统通过光电传感器对汽车的下压程度所转换的电信号，再转换成位移大小，从而通过单片机的逻辑运算来计算出汽车的重量，并通过预先设置好的汽车载重的最大限度来判断汽车是否超载。如果汽车超载，则报警系统先启动，随后再通过继电器切断汽车的打火装置，使汽车无法启动，此时检测系统仍正常运行，当汽车的载重小于或等于汽车载重的最大限度时，报警系统则关闭，同时继电器恢复汽车的打火装置。
2系统的整体结构 2.1系统的整体组成
本系统简单的来说由三个部分组成，前端的检测模块，单片机模块，控制模块。系统的总体设计框架可由图1所示。
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红外线发射接收管（1） 双D触发器组成的互锁电路 单片机系统 继电器控制电路 红外线发射接收管（2） 扬声器报警电路 图1
检测模块的主要功能是通过安装在汽车底盘上连接汽车轱辘的弹簧减震器上的4个光学传感器检测汽车停止时上车人数对弹簧减震器的上下浮动程度，在转换成图像测量汽车的浮动值。而单片机系统则主要通过汽车的浮动值转换成汽车的载重量，同时把分析的结果输出给控制模块以实现对它的控制。当汽车超载时通过扬声器报警，并通过继电器对汽车进行锁定。光学传感器的安装位置如图2。
光学传感器的安装位置
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光源 缝隙板 弹簧轴 光敏元件 图2
2.2系统的原理
系统由4组红外线发射接收对管来实现对汽车载重的检测。当客车停止时，4组红外线发射接收对管把收集到的上车人数的信息转换成电信号传递给单片机系统，也就是本系统的中央处理单元，单片机系统实现把接收到的电信号频率转化成客车下压位移大小，并判断汽车是否超载。如果汽车载重量小于或等于单片机预定的汽车载重量时，汽车可以正常启动行驶；如果汽车的载重量大于预定的数量时，扬声器则开始报警，实现对人们的警告，继电器切断汽车的打火装置，直到单片机经检测到汽车的载重量小于或等于预定的载重量时，扬声器停止报警，继电器解除对汽车的打火装置的锁定。当客车启动时，则自动停止对客车载重的检测。
3系统硬件的设计 3.1系统硬件的总体组成
硬件电路的设计是整个系统设计的核心内容。由系统的功能模块决定了本系统主要包括三个部分的设计：检测模块的设计，单片机模块的设计，以及控制模块电路的设计。
3.2检测模块电路
该部分的设计是采用4组红外线发射接收装置，安装在汽车的底盘上的适当位置，根据停车时上下车人数对汽车弹簧轴的下压程度,使得红外线光源在照射光敏元件时转换成电信号，即电流的大小传输到单片机中，通过单片机接受的光电流变化的频率来判断客车
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的下压位移大小，并决定汽车是否超载，并将数据进一步传输到控制电路中。
检测模块的原理是根据光敏电阻的原理设计的。光电传感器是利用光电效应将光信号转换为电信号的装置，使用它测量非电量时，需要将这些非电量的变化转换成光信号的变化。
光电传感器主要由发光元件、光学系统、光电接收元件和测量电路组成。
光电接受元件主要有光敏电阻、光电池、光敏晶体管、固态成像器件、光栅、光导纤维等。光电传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等优点，故广泛用于各种自动检测系统中。
外光电效应
爱因斯坦光电效应方程：
式中第一项是电子逸出物体表面所需的功；第二项是逸出物体表面的电子所具有的动能。1电子能否逸出物体表面取决于光子具有能量hv是否大于A0，而hv只与光的频率v有关，否则光强再大也不会产生光电发射。2如果产生了光电发射，在入射光频谱不变的情况下，逸出的电子与光强成正比。光强愈强意味着入射的光子数目愈多，受轰击逸出物体表面的电子数目愈多。
光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件, 它是构成光电式传感器最主要的部件。 光电器件响应快、结构简单、 使用方便, 而且有较高的可靠性, 因此在自动检测、计算机和控制系统中, 应用非常广泛。
光电器件工作的物理基础是光电效应。 在光线作用下, 物体的电导性能改变的现象称为内光电效应, 如光敏电阻等就属于这类光电器件。在光线作用下, 能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。
光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。 光敏电阻没有极性, 纯粹是一个电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压。无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻值（亮电阻）急剧减少, 电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。 实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。图3 为光敏电阻的原理结构。它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质, 半导体的两端装有金属电极, 金属电极与引出线端
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相连接, 光敏电阻就通过引出线端接入电路。 为了防止周围介质的影响, 在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜, 漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。
图3
光敏电阻的基本特性
（1） 伏安特性在一定照度下, 流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图8 - 2 为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。 由图可见, 光敏硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。
电阻在一定的电压范围内, 其I-U曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关, 而与电压、电流无关。
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（2） 光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性, 亦称为光谱响应。 图8 - 3 为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。 对应于不同波长, 光敏电阻的灵敏度是不同的。从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域, 常被用作光度量测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区, 常用做火焰探测器的探头。
（3） 温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应, 同时, 光敏电阻的灵敏度
和暗电阻都要改变, 尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。 图8 - 4 为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线, 它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此, 硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。 对于可见光的光敏电阻，其温度影响要小一些。
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本课题运用的是红外线发射装置，所以用硫化铅做光敏电阻。
当汽车下压时，红外线在照射光敏电阻时光电流比较大，当弹簧轴上下移动时，其均匀排列在弹簧轴上的小孔也随之上下移动，红外线光会有间歇的照射到光敏电阻上，致使其光电流会不断的产生变化。大体示意图如下。
光电流/mA t
光电流每次从最大变小，再变大时，总共用了多少个周期，就证明经过多少个小孔。每个相邻的小孔之间的距离是给定的已知的量，弹簧轴的弹性系数K为已知量，在根据胡克定律F=K*x，计算出每个弹簧轴的下压力，由于是4组红外线管控制，所以汽车的总体载重量为G=4F。检测电路如图4。
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图44 3.3单片机模块电路
单片机主要用来实现对检测模块传输的电路的频率，来检测汽车下压的程度大小，并计算汽车的载重量。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，所以在系统的设计中采用了MCS—51系列单片机AT89C51芯片的最小系统来实现。我们选用ATMEL公司89系列的标准型单片机AT89C51，AT89C51是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的FLASH可编程可擦除只读存储器（EPROM）,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，两个双向十六位定时/计算器，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，它可方便的应用在各种控制领域。 ? AT89C51的主要性能有： ? 与MCS-51微控制器产品兼容； ? 4KB可改编程序FLASH存储器；
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? （可经受1000次的写入/擦除周期）
? 全静态工作：0HZ—24MHZ; ? 三级存储器保密； ? 128X8字节内部RAM; ? 32条可编程I/O线； ? 2个16位定时器/计数器； ? 6个中断源； ? 可编程串行通道； ? 片内时钟振荡器；
空闲状态维持低功耗和掉线状态保存片内RAM中的内容。 管脚功能：
AT89C51单片机为40引脚芯片如图5所示。
图5 I/O口线:P0，P1，P2，P3共4个八位口
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P0口是三态双向口，通称数据总线口。因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。P0口也用以输出外部存储器的低8位地址。由于是分时输出。故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE。
P1口是专门供用户使用的I/O口。是准双向口。 P2口是从系统扩展是作高8位地址先用。不扩展外部存 处器时，P2口也可以作为用户I/O口线使用，P2口也是准双向口。
P3口是双功能口，该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。作为第一功能使用时操作同P1口。P3口的第二功能如下表1。
表1 P3口的第二功能
第一功能标记 第二功能 P3.0 BXD 串行输入口 P3.1 TXD 串行输出口 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外部输入 P3.5 T1 定时/计数器1外部输入 P3.6 WD 外部数据存储器写选通 P3.7 RD 外部数据存储器读选通
（1） 控制口线：PSFN（片外取控制）、ALE（地址锁存控制）、EA（片外储存器选择）、
RF-SFT（复位控制）；
（2） 电源及时钟：Vcc，Vss；XTAL1，XTAL2
本文采用如此高性能的单片机方便了以后的功能扩展，基本电路如下图所示。
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3.4控制模块电路
控制模块利用在单片机内预先设定汽车的最大载重量，当汽车的载重量超过预定值
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时，单片机便通过继电器控制客车的电子打火装置，锁定客车执行机构，使客车无法启动，并通过扬声器发出警告。
3.4.1报警电路的设计
在报警电路中，由单片机传送过来的报警信号通过一个电路放大器来驱动扬声
器，其总体设计框架如图6。
单片机功率放大器扬声器当单片机系统判断出客车超载时，将通过P1.0口输出1KHz的音频信号驱动扬声器，作为报警信号，本电路中使用了音频放大集成芯片LM386。电路图如图7所示。
图6
图7
LM368是专为低损耗电源所设计的功率放大器。它的内建增益为20，透过pin1和pin8脚位间电容的搭配，增益最高可达200.LM368可使用电池为供应电源，输入电压范围可由4V~12V，无动作时仅消耗4mA电流，且失真低。LM386的街脚图及内部方块图如图8、
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