汽车超载的控制

1绪论1.1选题的背景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，车辆超载有着以下主要危害：车辆超载会增加车辆对路面的损害，按照国际上通用的计算方法，汽车轴载质量对公路路面的破坏关系服从“十六次方法则”，即汽车轴载质量每增加一倍，公路受损将增加16倍。全国公路每年因车辆超载造成的损失超过300亿元。容易引发道路交通事故，汽车超载之后，车辆处于超负荷状态行驶，会导致车辆的制动和操作性等安全性能迅速下降，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、半轴断裂等等。而在近几年，随着经济的发展和科技的进步，我国现代交通运输业取得了快速发展。与此同时，道路交通事故却频频发生。据统计，在2001年至2010年这10年里，我国已经有近90万人死于各类道路交通事故。在统计的25起特大交通事故中，超载导致的事故为14起，占比56%，是所有事故原因中最多的，并且全国公路每年因车辆超载造成的损失超过300亿元，因此对汽车超载的研究已是刻不容缓。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，在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，并取得相应的成果。美国约有1000多个动态称重站，采用照相机和路边控制器技术，并与高速公路巡警车中的笔记本计算机相连接，对货车进行检查，可以及时观察数据和鉴别超载车辆的身份。日本广泛使用固定或移动称重设备对超限车辆进行检测。在高速公路收费站设有电子秤测量轴载。大型货车还要安装货物自动测重仪。韩国从1973年7月开始对重车实行重点检查。1994年10月，超限超载车辆过多导致圣水大桥坍塌后，韩国政府进一步加大了治理力度，在全国设立400余个超限超载检测站（点）。图1.1为一种韩国的超载监控系统。车辆通过电子称重设备来检测重量，通过车辆识别系统来识别车辆型号，通过网络中的PC机来判断车辆是否超载，如一旦超载系统将自动对超载的车辆进行照相，以作为惩罚的依据。图1.1韩国超载监控系统许多先进国家都先后采用了超限运输车辆检测与限制（控制）技术，完善管理对策，来解决超限超载问题，并取得了较好的效果。为从根本上遏制超载现象的发生，同时采取了相应措施，主要体现在从源头上杜绝超载现象产生的可能。国外卡车多采用空气弹簧，车辆超载不能行驶。在装卸、搬运的过程中其附属设施已严格地限制了超载超限情况的发生，比如集装箱运输车，由货场的吊车的起重量限制了车辆的载货量；加大监控力度，在路口设置超载检测设备，检测车辆是否超载;制定相应法规，严厉制裁超载相关人员。1.2.2国内汽车超载研究国内在超载检测技术方面起步晚，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。对于治理超载，国内一般还是在道路入口安装称重系统进行静态或动态称重，作为主要手段。如图1.2所示为杭州四方电子衡器厂研制的一种DCS固定式超限检测/计重收费系统。图1.2DCS系统实景图同时，我国也开始引进国外汽车载荷监控方面的技术，如云南航天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，如南京长江二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本论文主要内容本论文涉及一基于单片机设计的机车超载检测系统，选择载重汽车EQ1090E为研究对象，首先利用Ansys软件对其车架进行受力分析，找出其最大受力处。选择电阻应变式传感器，将应变片安装在车架的最大受力处。然后设计合理的报警系统，该超载报警系统采用80C51单片机作为系统处理的核心，由单稳态触发器、电子开关、声音报警器、闪光灯报警器以及自动上锁装置控制系统电路组成。要求当汽车超载时，报警系统启动，并对汽车的点火系统进行通断控制，使汽车不能正常启动。1.4拟解决的关键问题本系统需要解决的关键问题如下：（1） 对车架进行有限元分析，找到其最大受力处。（2） 根据量程和使用环境选择合适的传感器，并将传感器安放在车架最大受力处。（3） 当车辆在行驶中，不超载的汽车由于路面颠簸而发出错误警报。（4） 设计合理的报警系统，并能使汽车在超载情况下不能正常启动。欢迎共阅2汽车车架的受力分析汽车车架俗称“大梁”。它是整个汽车的装配基础，其上装有发动机、变速器、传动轴、前后桥、车身等部件。车架的功用是支撑、连接汽车的各部件，使各部件保持相对正确的位置，并承受汽车内外载荷。图1为载重汽车EQ1090E型汽车车架：由两根纵梁和八根横梁铆接而成，又称阶梯形车架。图2.1EQ1090E型汽车车架示意图纵梁通常用16Mn的钢板冲压而成,端面形状一般是槽型。横梁不仅是用来保证车架的扭转刚度和承受纵向载荷,而且还可以支撑汽车上主要部件。该汽车载重5t，车架前后等宽，宽度为865mm。纵梁长6700mm，最大剖面尺寸为：235X75X8mm(高X宽X厚)。2.1车架模型建立由于Pro/E强大的建模建模能力及导入到ANSYS中非常容易，所以选择在Pro/E的环境下实体建模。Pro/E能够完成特征建模、参数化设计、零件实体造型及装配造型、完整工程图产生等工作。通过标准数据交换格式，Pro/E可以输出三维或二维图形用于其它应用软件。使用Pro/E配置的开发模块或利用C语言，用户也可以扩展与增强Pro/E的功能。Pro/E的基本功能是：特征建模在Pro/E中，特征是组成模型的基本单位，如：凸台、槽、倒角、腔、壳等特征。模型创建过程就是按照一定顺序以“搭积木”的方式添加各类特征的过程，通过构建不同的特征建立几何模型。参数化设计参数化设计是指设计者只需抓住图形的某一个典型特点绘出图形的大致形状，通过向图形添加适当的约束条件规范其形状，最后修改图形的尺寸数值，经过系统再生即可获得需要的图形。支持大型、复杂组合件的设计Pro/E支持大型、复杂组合件的构造和管理，可以利用一些直观的命令，如“啮合”、“插入”、“对齐”等，将基本零件装配起来，形成组合件。整个设计环节的数据完全相关在整个设计过程，Pro/E各个模块共享模型的数据库文件，在产品开发过程中某一处数据修改了，整个设计中的所有相关数据也随之自动修改。载重汽车EQ1090E型汽车车架简化三位实体模型如图2.2所示：图2.2车架的三维实体简易模型2.2车架的ANSYS有限元分析有限元是一种把连续的结构分成很多个单元，即利用单元分析的结果来得出结构的整体性能的方欢迎共阅法。与传统分析方法相比较，有限元法具有以下特点：不用管分析物体的CAD形状，可以利用有限元多单元进行描述，因此该方法能适合多种多样的工程结构。利用有限元法时，在单元描述材料特性时，可以任意的按照物体的实际情况而定。所以不用考虑各结构之间的影响。在有限元分析时，工程人员可以根据物体的实际载荷与约束情况下，对该物体进行多种工况下的分析，这样大大提高了工程项目的效率，还可以从中发现载荷与约束之间的相互关系。有限元的各种单元用来模拟计算时，这些单元各自的运算公式是一样的，这样在计算时，使模拟计算更加快速，也方便在计算机上统一编程，易于将程序编成模块式结构。有限元分析方法最终的目的是，让工程项目快速的解决，因些有限元分析不能在计算机中模拟计算的太慢。有限元分析软件主要是在50前发展起来的，它们的由来也是因为有限元方法的发展而来的。这些软件可以通过有限元分析，可以很容易计算出结构应力应变值，碰撞值等。这样致使软件公司开发了很多软件，比如：ABAQUS、MARC、SAP、ASKA、ANSYS、NASTRAN、HYPERWORKS等。本设计采用的是ANSYS软件对车架进行有限元分析。2.2.2ANSYS简介ANSYS公司是由美国着名力学专家美国匹兹堡大学力学系教授JohnSwanson博士于1970年创建并发展起来的，是目前世界CAE行业中最大的公司。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。ANSYS的前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。分析计算模块析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理模块后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。在汽车行业中，ANSYS广泛应用于各大汽车总成，包括车架、车身、车桥、离合器、轮胎、壳体等零部件以及整车的通过性和平顺性的分析，大大提高了汽车的设计水平，正在成为设计计算的强有力工具之一。2.2.3汽车车架受力处理将三位立体模型导入ANSYS软件中，将ANSYS的工作环境设置在国际标准单位制下。根据实际情况，我们选择SOLID92单元作为车架装配体所有零件分网时的单元赋予类型。定义材料属性，车架的材料为16Mn，其弹性模型为2.06X1011Pa，泊松比为0.29,密度为7.85X103Kg/m3，定义材料模型的对话框分别为图2.3和2.4。图2.3定义材料弹性模量和泊松比图2.4定义材料密度使用Overlap命令将车架各零件连接成一个相互联系的整体，使用压缩编号命令选择将所有元素编号压缩。划分网格，车架被离散成一个个连续的单元。求解，选择分析类型，如图2.5所示：图2.5选择的分析类型对车架各处进行位移约束。左侧前钢板弹簧滑板端支架全部约束，右侧前钢板弹簧滑板端支架、前钢板弹簧固定端支架处和后钢板弹簧固定端支架处的节点均为Y方向约束，约束施加后如图2.6所示：图2.6约束后的车架有限元模型施加重力。汽车静止时，车架只承受钢板弹簧以上部分的载荷，它由于车身和车架的自身质量、车架上各总称与附件质量及有效载荷组成，其总和称之为静载荷。施加载荷后求解，绘制位移和应力的节点解，图2.7为节点位移场分布等值线图，图2.8为节点等效应力场分布等值线图。图2.7节点位移场分布等值线图图2.8为节点等效应力场分布等值线图欢迎共阅2.2.4车架受力结果分析由车架的位移场分布等值线图可知车架后部和左侧前钢板弹簧滑板端变形量比较大，最大节点位移仍然出现在车架后部。从应力场分布等值线图可以看出，应力主要集中在发动机后悬置横梁与纵梁的连接处和第七横梁与纵梁的连接处，在发动机后悬置横梁与纵梁的连接处的应力值最大。3传感器的选择及性能分析3.1传感器的基本概念传感器是那些能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知获取与检测信息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。因此，传感器的地位与作用特别重要。传感器的作用是人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。传感器动态特性是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。在本论文中，根据第二章的车架受力分析可知，需要一种测量压力的传感器来检测出车架所受到的载荷。同时根据设计方案，需要在汽车启动时是报警系统不能工作，以防止在行驶中出现错误报警，因此可安放汽车轮速传感器以检测车轮的转动。3.2测力传感器由于传感器位于减振钢板处设计的钢片，将超载引起的钢板变形信号转换成电压信号，是整个硬件系统的起始部分，是构成系统信息输入的主要来源，是系统预警的必要基础，因此所选传感器性能的好坏直接影响整个预警系统的实现。测量压力的传感器有很多种，如压电式，压感式，应变片式，电容式等，本文在论述时，选择传感器主要考虑以下几点：（1） 量程的选择被测压力的大小通常是传感器量程的主要决定因素。依据经验，在传感器50%左右的量程内工作比较理想，这样就避免了如果遇到有较大冲击力而不至于传感器因为超出其测量的范围而被损坏，所以遇到有较大冲击力的称重系统，一般要扩大传感器量程进行选择，一般都会扩大传感器量程来选择合适的设计所需的传感器，根据经验一般使得传感器在20%到30%的量程的之内工作，这样就使得传感器储存量得到了很好的保证，最后的结果是不仅延长了传感器的使用时间，而且还能在使用的过程中保证其安全和可靠。（2） 准确度的选择传感器准确度等级的选择，主要依据系统的准确度要求为准，而不能片面追求高的准确度等级。（3） 使用环境和介质性能对于传感器使用环境和介质性能主要取决于被测介质的性能和传感器安装环境。（4） 传感器型号汽车超载预警系统设计传感器型号的选择要考虑不同类别传感器的适用范围。主要考虑传感器称量的可靠性，安装的合适稳定性。总之，既要满足各方面检测的要求，又要考虑经济预算。基于上述考虑，选用常用的电阻应变式传感器，该传感器不仅结构简单、使用寿命长、性能稳定可靠，而且精度高、成本低、测量范围广；同时可在高低温、高压、强烈振动、恶劣环境中正常工作，所以应用非常普遍。当然电阻应变式传感器也存在一些缺点，如大应变状态下具有较大的非线性，输出信号较薄弱，故其抗干扰能力较差等。3.2.2电阻应变式传感器工作原理及测量电路电阻应变片式传感器包括两个主要部分：一个是将被测的力转换为弹性体的应变值的敏感弹性元件。另一个是同步地转换传感器的一个弹性体的应变为电阻值变化的电阻应变计。其结构如图3.1所示：图3.1电阻应变式传感器结构电阻应变片式传感器工作原理为：在纵向和横向贴上四个应变片于一个弹性体，当弹性体受力F作用时，应变片变电阻值，而应变计是连接成平衡电桥式的，所以电桥平衡因应变计电阻的变化而被破坏，进而输出信号。在弹性范围内，弹性体的变形的与受到的力F成正比，即式中：£为弹性体的相对变形；L、△L为弹性体的长度及其变化量；F为受到的力，E为弹性体的弹性模量S为弹性体的横截面积。而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：M一材料的泊松系数；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AR时，可得到应变值£，根据应力与应变关系，得到应力值为：式中：b-应力，e-应变（为轴向应变）E-材料的弹性模量又重力G与应力b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=16300kg/mm2；S=100；r0=34。；桥路部分原理：电阻应变计把机械应变转换成AR/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。对于单臂电桥，如图3.1所示：图3.2直流电桥当电桥平衡时，相对的两臂电阻乘积相等，即:欢迎共阅设桥臂比n=R由于AR〈〈R,分母中AR/R可忽略，于是：R 11 111电桥电压灵敏度定义为：从上式分析发现：金桥电压灵敏度正比于电桥供电电压。金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S,的最大值，由此得求得n=1时，S最大。也就是供电电压确定后，当R=R,R=R时，电桥得电压灵敏度最高，V 12 3 4可得：由于上面的分析中忽略了AR/R，所以存在非线性误差，解决的办法有：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。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°为：若AR=AR,R=R,R=R，则有：1 2 12 3 4由此可知，U°和AR1/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AR1=AR2=AR3=AR4，则输出电压为：由此可知，差动桥路的输出电压U°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。3.2.3电阻应变式传感器的安装根据对车架的受力分析，电阻应变片安放在车架的所受最大应力处，即发动机后悬置横梁与纵梁的连接处。随着大梁的弹性变形的改变，电阻应变片输出信号的强度也随之变化，超载控制系统接收此信号，并进行相应的检测分析，判定车辆是否超载。其安装示意图见图3.2：图3.2电阻应变片的安装示意图

欢迎共阅3.2.4选用传感器的型号本论文选择的是GYJ型钢筋应变计，如图3.2所示:图3.3GYJ型钢筋应变计该型号传感器的参数如表3.1所示：表3.1GYJ型钢筋应变计参数产品名称GYJ型钢筋应变计生产厂家北京斯创建筑测试技术开发有限公司产品用途钢筋应力计主要用于测量钢筋混凝土结构中的钢筋应力，也可以串起来用于测量载重质量。规格10〜36毫米应力2800〜3000公斤/厘米分辨力0.8〜1.2公斤/厘米非线性2%满量程温度对电桥零点的影响<0.1%满量程/°。供桥电压0〜0.5伏特输入/输出阻抗120欧姆工作温度范围-5°C〜+50°C传感器长度0.5〜0.7米3.3汽车轮速传感器车速通常检测汽车传动系统的转动，换算为汽车驱动轮的转速间接获得的。轮速传感器一般是直接检测车轮的转速且所有车轮的转速均检测，并把检测结果输入ABS/ASR等用于制动或驱动控制的系统的ECU。常用的轮速传感器有电磁感应式、霍尔式两类。3.3.1轮速传感器的选择电磁感应式轮式传感器结构简单、成本低，所以应用范围广泛。但由于其输出信号的频率和幅值受转速影响较大，抗电磁波干扰能力差，且易产生误信号，只适用于15〜160km/h的速度，当速度扩大到更大时，电磁感应式轮式传感器很难适应。而霍尔效应式轮速传感器能克服电磁式轮速传感器的不足，具有输出信号不受转速影响、频率响应高、抗电磁干扰能力强等优点。霍尔器件具有结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀的优点。且霍尔线性器件的精度高、线性度好，霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达〃m级），因此霍尔效应式轮速传感器被广泛应用于轮速检测及其他控制系统的转速检测中。按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。由上述可知，根据设计要求，本论文选择的是霍尔效应式轮速传感器（开关型）。3.3.2霍尔效应式轮速传感器的工作原理及测量电路霍尔效应式轮速传感器属于霍尔式传感器，是利用霍尔效应的原理制成的，利用霍尔效应使位移带动霍尔元件在磁场中运动产生霍尔电热，即把位移信号转换成电热变化信号的传感器。（1）霍尔效应如果对位于磁场（B）中的半导体薄片（d）施加一个电压（V），该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压（UH），人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应，该半导体薄片成为霍尔元件，如图3.3所示：图3.4霍尔效应原理假设在N型半导体薄片上通一电流I，则半导体中的载流子（电子）沿着和电流相反的方向运动（电子速度为v），由于在垂直于半导体薄片平面的方向上施加磁感应强度为B的磁场，所以电子受到洛仑兹力尸的作用，向一边偏转，并使该边形成电子积累，于是形成电场。该电场组织运动电子L的继续偏转，当电子作用在运动电子上的力Fe与洛仑兹力Fl相等时，电子的积累便达到动态平衡。在薄片两横断面之间建立电场，相应的电势称为霍尔电势〃H，其大小可用下式表示：UH=RhIB/d（V）式中Rh 霍尔系数，m3/c；I——控制电流，A；B——磁感应强度，T；D——霍尔元件厚度，m。霍尔系数为式中P——载流体的电阻率日——载流体的迁移率令kh=Rh，称kh为霍尔元件的灵敏度，则如果磁感应强度B和元件平面法线成一定角度0,则作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量，即Bcos，这时当控制电流的方向或磁场的方向改变时，输出电势的方向也将改变。但当磁场与电流同时改变时，霍尔电势极性不变。综上所述，霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。（2）霍尔效应式轮速传感器的工作原理霍尔效应式轮速传感器是由传感头和齿圈组成。传感头由永磁体，霍尔元件和电子电路等组成，永磁体的磁力线穿过霍尔元件通向齿轮，如图3.3所示：1.磁体2.霍尔元件3.齿圈图3.5霍尔轮速传感器示意图当齿轮位于图中（a）所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相对较弱；而当齿轮位于图中（b）所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场相对较强。齿轮转动时，使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化，因而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一个毫伏（mV）级的准正弦波电压。此信号还需由电子电路转换成标准的脉冲电压。此电压输出给电子控制装置，电子控制装置以此作为计算轮速和汽车的参考速度。3.3.3霍尔轮速传感器的测量电路霍尔传感器（开关型）的霍尔元件靠近齿圈，当汽车车轮转动时，齿圈上的齿会在一定的周期内靠近霍尔元件一次，这样霍尔传感器将输出一个高电平，当齿远离霍尔元件时，传感器输出一个低电平；利用单片机内部定时器，计算出脉冲一个周期的时间，就可以算出车轮的转速，见图3.6所示：图3.6霍尔效应式轮速传感器的测量电路3.3.4霍尔效应式轮速传感器的安装部位霍尔效应式轮速传感器的齿圈一般安装在随车轮一起转动的部件上，如半轴、轮毂、制动盘等，而感应触头则安装在车轮附近不随车轮转动的部件上，如半轴套管、转向节、制动底板等。汽车前轮和后轮均可安装，安装部位如图3.4、3.5所示：图3.图3.7前轮安装示意图8后轮安装示意图欢迎共阅4超载控制系统设计超载控制系统的总体结构如图4.1所示:电阻应变式传放大器A/D转换80C51单L_L图4.1超载控制系统的原理图感电阻应变式传放大器A/D转换80C51单L_L图4.1超载控制系统的原理图感4.1可知，本设计是在基于80C51单片机控制白勺基础上，而在超重时，报警系统点火通过对汽控统载重的检测，从该系统产生警报并通过汽车点火控制系统使汽车不能正常启动。利用电阻应变式传感压信号放大后送到A/D压信号放大后送到A/D转换芯片ADC0809转换成数字信号。当超重时，该信号通过80C51单片机使报警系统启动，产生报警，并切断点火系统，使汽车无法启动。同时，当汽车启动车轮转动时，霍尔效应式轮速传感器（开关型）将轮速转换为数字电压信号，通过80C51单片机控制报警系统，使得汽车开动后报警系统不能工作，从而避免了当不超载的汽车在行驶时，由于路面的颠簸而产生错误报警。4.1放大电路设计在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。为了实现信号的放大，其设计电路如图4.2所示：图4.2利用高精度低漂移运放设计的差动放大器（1） 前级采用运放Al和A2组成并联型差动放大器。理论上不难证明，存运算放大器为理想的情况下，并联型差动放人器的输入阻抗为无穷人，共模抑制比也为无穷人。在理论上并联型差动放人器的共模抑制比与电路的外围电阻的精度和阻值无关。（2） 阻容耦合电路放存由并联型差动放大器构成的前级放大器和由仪器放大器构成的后级放大器之间，这样可为后级仪器放大器提高增益，进而提高电路的共模抑制比提供了条件。同时，位于前置放大器的输出阻抗很低，同时又采用共模驱动技术，避免了阻容耦合电路中的阻、容元件参数不对称（匹配）导致的共模干扰转换成差模干扰的情况发生。（3） 后级电路采用廉价的仪器放大器，将双端信号转换为单端信号输出。由于阻容耦合电路的隔直作用，后级的仪器放大器可以做到很高的增益，进而得到很高的共模抑制比。4.2A/D转换A/D转换器是前向通道中的一个环节，并不是所有的前向通道中都需要A/D转换器。只有用到模拟量输入通道，显然本文的设计需要A/D转化传感器模拟信号，以便后面的信号显示与判断。欢迎共阅4.2.1A/D转换原理逐次逼近法逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为匕？，与送入比较器的待转换的模拟量匕进行比较，若匕<匕，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的V再与V比较，若V<V，该位1被保留，否则被清除。重复此o i oi过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。双积分法采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。双积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量V,匕采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间T的正向积分，时间T到后，开关再接通与匕极性相反的基准电压匕，将匕输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。V越大，积分器输出电压越大，反向积.■ ■- i分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压V所对应的数字量，实现i了A/D转换。4.2.3A/D转换器选用的原则：A/D转换器的位数。A/D转换器决定分辨率的高低。在系统中，A/D转换器的分辨率应比系统允许引用误差高一倍以上。A/D转换器的转换速率。不同类型的A/D转换器的转换速率大不相同。积分型的转换速率低，转换时间从几豪秒到几十毫秒，只能构成低速A/D转换器，一般用于压力、温度及流量等缓慢变化的参数测试。逐次逼近型属于中速A/D转换器，转换时间为纳秒级，用于个通道过程控制和声频数字转换系统。是否加采样/保持器。A/D转换器的有关量程引脚。有的A/D转换器提供两个输入引脚，不同量程范围内的模拟量可从不同引脚输入。（5） A/D转换器的启动转换和转换结束。一般A/D转换器可由外部控制信号启动转换，这一启动信号可由CPU提供。转换结束后A/D转换器内部转换结束信号触发器置位，并输出转换结束标志电平。通知微处理器读取转换结果。（6） A/D转换器的晶闸管现象。其现象是在正常使用时，A/D转换器芯片电流骤增，时间一长就会烧坏芯片。综上所述，本文基于计算机接口特征、前向通道的总误差、信号对象的变化率及转换精度要求、环境条件选择A/D转换芯片的一些环境参数要求（工作温度、功耗、可靠性等性能）以及成本等方面的综合考虑，最后结合本设计要求选择A/D转化芯片为ADC0809。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，可处理8路模拟量输入，且有三态输出功能，既可与各种微处理器相连，也可单独工作，输入输出兼容TTL。其主要特性如下：18路8位A/D转换器；1单个+5V电源供电；1模拟输入电压范围：0〜+5V，不需零点和满刻度校准。图4.3ADC0809引脚图如图4.3所示，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4.3单片机设计单片机是本检测系统的核心，它完成系统的功能设定、测量对象选择、信号处理存储、驱动LED显示等功能。本设计选用的是80C51单片机，该单片机是MCS-51系列的典型芯片。4.3.180C51单片机的结构图4.480C51结构框图在一小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分。每一个单片机包括：（1）一个8位的微处理器（CPU）。（2） 片内数据存储器RAM（128B/256B），用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。（3） 片内程序存储器ROM/EPROM（4KB/8KB），用以存放程序、一些原始数据和表格。（4） 四个8位并行I/O接口P0〜P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。（5） 两个定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。（6） 五个中断源的中断控制系统。（7） 一个全双工UART（通过异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信。（8） 片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率为12MHz。4.3.280C51单片机引脚及其功能该型号单片机亦是采用40脚双列直插封装（DIP）方式。由于80C51单片机是高性能单片机，而由于受到引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能，如图4.5所示：图4.580C51单片机引脚图各引脚功能简要介绍如下：（1）电源引脚Vcc和VssVcc（40脚）：电源端，为+5V。Vss（20脚）：接地端。（2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL2（18脚）和XTAL1（19脚）分别接外部晶体和微调电容的一端和另一端；对80C51单片机，外部脉冲信号须从XTAL1端输入，XTAL2端悬空。（3）控制信号引脚RST，ALE，PEN和EARST/VPD（9脚）：RST是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期（24个时钟振荡周期）得高电平时，就可以完成复位操作。RST引脚的第二功能是VPD，即备用电源的输入端。ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许信号端。当80C51上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率fosc的1/6。EA/vpp（31脚）：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当EA引脚接高电平时，CPU只访问片内EPROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令，但当PC（程序计数器）的值超过0FFF时，将自动专区执行片外程序存储器内的程序。当输入信号EA引脚接低电平（接地）时，CPU只访问外部EPROM/ROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。（4）输入/输出端口P0，P1，P2和P3P0口（P0.0〜P0.7，39〜32脚）：P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。当P0口作为输入口使用时，应先向P0口锁存器（地址80H）写入全1，此时P0口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。作输入口使用时要先写1，这就是准双向的含义。P1口（P1.0〜P1.7，1〜8脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。P1口的每一位能驱动（灌入或输出电流）4个LS型TTL负载。在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存器（地址90H）写入全1，此时P1口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。P2口（P2.0〜P2.7，21〜28脚）：P2口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。P3口（P3.0〜P3.7，10〜17脚）：P3口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。P3口的每一位能驱动（灌入或输出电流）4个LS型TTL负载。P3口与其他I/O端口有很大区别，它除作为一般准双向I/O口外，每一个引脚还具有第二功能。4.4报警器控制电路该超载控制报警器是由单稳态触发器电路、电子开关、声音报警器和闪光灯报警器组成。（1） 单稳态触发器电路是由时基集成电路NE555,电阻R、电容器C、C、C和电位器RP17 1 2 3 1组成。（2） 电子开关电路由电阻R18和晶体管匕组成。（3） 声音报警器电路是由音效集成电路KD-9561、电阻R、R、晶体管匕和扬声器BL组成。19 20 2（4） 闪光灯报警电路是由晶体管％、电位器RP2、电阻R21、尾灯（额定电压为5V）和发光二极管VL组成。如图4.6所示：图4.6报警电路4.5汽车点火控制系统4.5.1点火系统的功用点火系统的功用是在发动机各种工况和使用条件下，按照气缸的工作顺序定时地在火花塞两电极间产生足够能量的电火花，以点燃可燃混合气体，使汽油发动机实现做功。欢迎共阅4.5.2点火系统的工作原理如图4.6所示是传统点火系统的工作示意图。点火线圈初级绕组的一端经点火开关SW与蓄电池相连，另一端经分电器壳上接线柱接断电器的活动触点臂，固定触点通过分电器壳体接地。电容器C［并联在断电器触电之间。点火线圈次级绕组的一端在点火线圈内与初级绕组相连，另一端经高压导线接分电器盖的中心电极。接通点火开关，发动机开始运转。在发动机运转的过程中，断电器凸轮不断旋转，使断电器触点不断开闭。图4.7点火系统工作示意图当触点闭合时，电流从蓄电池的正极经点火开关、点火线圈的初级绕组、断电器触点臂、触点，搭铁流回蓄电池的负极，如图4.7左图所示，由于回路中流过的是低压电流，因此称这条电路为低压电路或一次电路。在初级绕组通电时，其周围产生磁场，并由于铁芯的作用而加强。当断电器凸轮顶开触点时，如图4.7右图所示，一次电路被切断，一次电流迅速下降到零，铁芯中的磁通随之迅速衰减以至消失，因而在匝数多，导线细的次级绕组中感应出很高的电压，是火花塞两极之间的间隙被击穿，产生电火花。初级绕组中电流下降的速度愈大，铁芯中的磁通变化就愈大，次级绕组中的感应电压也就愈高。次级绕组中感应出的电压，称为二次电压，其中通过的电流称为二次电流，二次电流流过的电路称为二次电路。在断电器触点分开的瞬间，二次电路中分火头恰好与侧电极对准，二次电流从点火线圈的次级绕组，经蓄电池正极、蓄电池、搭铁、火花塞侧电极、火花塞中心电极、高压导线、配电器流回次级绕组。4.6控制系统的总电路图及工作原理（1）电路图的工作原理单稳态触发器电路接收到从传感器输出端即80C51输出的电压信号，使单稳态触发器电路通电工作，当汽车未超载时，采集到的电压信号很小，时基集成电路NE555的3脚输出低电平，七处于截止状态，四声模拟音效集成电路KD--9561和v2、七均无工作电压，BL不发声，VL和L不发光。当被测汽车装载超过额定值时，有电阻应变式传感器采集的压力信号经放大和A/D转换，将模拟信号转换为数字信号，再将转化的电压信号经80C51单片机输出给报警器电路。单稳态触发器电路通电工作，NE555手触发而翻转，有稳态进入暂态，其3脚由低电平变为高电平，使V导通，KD--95611输出的音效电信号经V放大后，驱动扬声器BL发出报警声。匕集成电极的一部分信号经V3进一步放大后，驱动VL工作，使VL与报警器同步闪光，且汽车报警尾灯亮。而当车主发现汽车超载后，对超载汽车卸载，当卸载后使载重汽车在额定载荷内时，下端与非门电路工作，使二极管电路单向导通，形成闭合回路，扬声器BL停止鸣笛，发光二极管停止闪烁，尾灯由于电流信号消失而熄灭。同时当霍尔效应式轮速传感器接收到车轮转动量时转换为电压信号，经过检测电路后进入单片机，然后输入到报警电路，同理，采集到的电压信号很小，时基集成电路NE555的3脚输出低电平，V处于截止状态，四声模拟音效集成电路KD--9561和v、v均无工作电压，BL不发声，VL和L1 2 3不发光，从而使得整个报警电路不工作，这样在车辆行驶时不会因为道路颠簸，使得大梁因所受压力突然增大而产生错误报警。图4.8电阻应变式传感器测量电路与放大电路图4.9霍尔效应式轮速传感器测量电路与单片机接口图4.1080C51单片机最小系统图4.11ADC0809与80C51接口图4.12报警电路（2）控制过程的实现在点火接通电火开关线路处接一可控电流开关，与报警电路（VL闪光电路）端相连接，当电流信号达到一定值时，扬声器报警。同时VL闪光灯电路经放大电路将电路电流放大，使闪光灯和尾灯同时工作，放大电流在蓄电池控制回路的电磁阀处，由于电流大产生电磁力是控制蓄电池点火系统电路电流开关打开，蓄电池点火系统处于无工作电流通过而处于开路状态，使载重汽车点火系统不能正常点火，从而抑制发动机工作，达到了控制汽车启动的目的。当汽车卸载到额定载荷以内时，控电电流开关活动触点由于电流小而产生的电磁力小，使得电子阀开关回到初始状态而处于闭合，使点火系统形成无控制状态的点火回路，初级绕组中有电流通过，汽车能正常启动。如图4.13所示：图4.13汽车点火系统控制电路图1-点火开关；2-点火线圈；3-电容器；4-断电器；5-配电器；6-火花塞；7-阻尼电阻；8-高压导线;9-起动机；10-电流表；11-蓄电池；12-附加电阻；13-可控电流开关5程序设计5.1系统主程序的设计5.1.1设计思想主程序分两大个模块，包括A/D转换模块、报警模块。用外部中断0实现掉电保护功能；在8通道采集结束后，查询一次键值，即8通道在同一轮采集过程中上限值是一样的。当检测到超载时，产生报警。欢迎共阅5.1.2主程序流程图当系统开始后首先对系统初始化，完毕后，调用A/D转换程序，采集数据，若超载则调用报警程序5.1.3资源分配表6.1用户寄存器说明用户寄存器符号存储单元说明OVER0031H超载重量值首址WEIGH0039H机动车实际质量首址QIAN004AH显示超载重量的千位地址表6.2主程序工作寄存器说明寄存器名说明寄存器名说明R0需要采集的通道数R2通道0实际质量的地址R1通道0超载量的地址5.2A/D转换模块设计A/D转化的功效主要是实现对放大后的传感器模拟信号转化为数字信号以便单片机的识别。当主程序调用A/D转换程序时，首先须对A/D转换模块进行必要的初始化设置，再等待传感器检测信号的输入，等待输入完成并存储以便后面的报警装置。其具体流程如图6.2所示5.3报警模块设计当电路检测到汽车承载的压力超过额定值时，将产生一个信号给报警电路。它是由80C51的P2.0口来控制的，当超过设置的重量时，程序使P2.0口值为高电平，从而使NE555的3脚导通，报警电路接通，产生报警，同时使LED灯发光。5.3.2程序流程图NNY图6.3报警程序流程图6总结本论文是80C51单片机为核心的汽车超载控制系统。通过对东风EQ1090E型中型载重汽车车架进行有限元分析，找到其应以集中处，确定其所受最大应力。通过最大应力值和截面位置确定传感器类型（电阻应变式传感器），并在车架受到最大应力处安放传感器。将传感器采集的压力信号经放大和A/D转换，由模拟信号转换为