汽车超载的控制.docx

《汽车超载的控制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车超载的控制.docx（50页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、XX大学2012届毕业论文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：1.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。2.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

2、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

3、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

4、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

5、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1.2 DCS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

6、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

7、，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

8、汽车在超载情况下不能正常启动。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2.1 EQ1090E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：235758m

9、m（高宽厚）。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： （1）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。 （2）参数

10、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。（3）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。（4）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

11、 2.2 车架的ANSYS有限元分析2.2.1有限元法概述 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法。与传统分析方法相比较，有限元法具有以下特点: (l)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。 (2)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。 (3)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。 (4)有限元的各种单元用来

12、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。(5)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。2.2.2 ANSYS简介 ANS

13、YS公司是由美国著名力学专家美国匹兹堡大学力学系教授John Swanson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。 （1）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。 （2）分析计

14、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。 （3）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

15、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 （1）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。 （2）定义材料属性，车架的材料为16Mn ，其弹性模型为2.061011Pa，泊松比为0.29，密度为7.85103 Kg/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（3） 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

16、编号压缩。（4） 划分网格，车架被离散成一个个连续的单元。（5） 求解，选择分析类型，如图2.5所示：图2.5 选择的分析类型 （6）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 （7）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。 （8）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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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。3.2.1测力传感器的选择 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

22、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

23、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

24、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： 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

25、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。当测得阻值变化为时，可得到应变值，根据应力与应变关系，得到应力值为： 式中： -应力,-应变（为轴向应变） E-材料的弹性模量 又重力G与应力的关系为： 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 =2；E =16300 kg/mm2；S = 100；=34； 桥路部分原理：电阻应变计把机械应变转换成/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

26、流电桥 当电桥平衡时,相对的两臂电阻乘积相等,即： 设桥臂比 由于,分母中可忽略，于是： 电桥电压灵敏度定义为： 从上式分析发现：桥电压灵敏度正比于电桥供电电压。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： 求的最大值，由此得 求得n1时，最大。也就是供电电压确定后，当,时，电桥得电压灵敏度最高，可得： 由于上面的分析中忽略了，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

27、压为： 若,则有： 由此可知，和成线性关系，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,则输出电压为： 由此可知，差动桥路的输出电压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

28、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3.3 GYJ型钢筋应变计该型号传感器的参数如表3.1所示：表3.1 GYJ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1036毫米应力28003000公斤/厘米分辨力0.81.2公斤/厘米非线性2%满量程温度对电桥零点的影响0.

29、1%满量程/供桥电压00.5伏特输入/输出阻抗120欧姆工作温度范围-5+50传感器长度0.50.7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15160km/h的速度，当速度扩大到更大时，电磁感应式轮式传感器很

30、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）

31、。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

32、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的继续偏转，当电子作用在运动电子上的力与洛仑兹力相等时，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，其大小可用下式表示： （V）式中 霍尔系数，； 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 载流体的电阻率 载流体的迁移率 令，称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，则作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量，即，这时当

33、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

34、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

35、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3.7 前轮安装示意图图3.8 后轮安装示意图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：A/D转换放大器电阻应变式传感器报警系统80C51单片机 点火控制系统霍尔效应式轮速传感器（开关型） 图4.1 超载控制系统的原理图由图4.1可知，本设计是在基于80C51单片机控制的基础上，通过对汽车承受载重的检测，从而在超重时，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器

36、将汽车承受的压力信号转换为电压信号，然后通过放大电路将电压信号放大后送到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

37、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

38、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。4.2 A/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。4.2.1 A/D转换原理（1）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

39、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，与送入比较器的待转换的模拟量进行比较，若，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，输出的再与比较，若，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，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

40、操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。（2）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，采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间的正向积分，时间到后，开关再接通与极性相反的基准电压，将输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压所对应的数字量，实现了A/D转换。4.2.3 A/D转换器选用的原则：

41、 （1）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。 （2）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。 （3）是否加采样/保持器。 （4）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

42、。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

43、，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： 8路8位A/D转换器； 单个5V电源供电；模拟输入电压范围：05V，不需零点和满刻度校准。图4.3 ADC0809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。4.3.1 80C51单片机的结构图4.4 80C51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）