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汽车超载的控制研究

摘要：针对当前由于超载而不断引起的重大交通事故，为减少因交通事故而造成人员伤亡和财产损失。本论文设计了一种汽车超载控制装置。装置要保证能够判断机动车是否超载，并且在超载时能够报警和显示超载的重量，保证可以实现对发动机打火系统的控制。本设计采用80C51单片机作为系统处理的核心，利用电阻应变式压力传感器将机动车载重量转换成电压信号；然后通过放大电路将电压信号放大后送到A/D转换转换成数字信号并计算出载重量；所得的结果会送到单片机，单片机与设定的载重量相互比较并且判断汽车是否超载，如果超载LED便会显示超载的重量, 蜂鸣器开始报警；同时利用可控电流开关对汽车的打火系统进行控制，从而最终实现对超载情况进行控制。车辆启动后单片机会对载重量进行关中断，速度传感器发挥作用，这样便可以避免行驶过程中因路面不平，颠簸而造成不必要的熄火。
关键词：80C51单片机,超载控制,传感器,A/D转换器,LED

Study on the control of vehicle overload

Abstract:In view of the current caused by overload and major traffic accidents, in order to reduce the casualties and property losses caused by traffic accident. This paper designs a kind of motor overload control device. Required to determine whether a motor vehicle overloading, when overload can provide alarm and show the weight of the overload, and can realize the control of the engine ignition system. This design USES 80C51 is the core of the system processes, using resistance strain type pressure sensor converts the vehicle load voltage signal; And then through the voltage signal amplification circuit to enlarge A/D conversion converts the digital signal and calculate the load; The load will be sent to the microcontroller, single-chip microcomputer and setting capacity comparison and determine if overload, if the weight of the LED display overload overload, buzzer alarm beginning; At the same time with controllable current switch to control the car's ignition system, so as to ultimately achieve to control the overload situations. Vehicle starts microcontroller to off load interruption, speed sensor, to avoid driving in the process of road uneven, turbulence and cause unnecessary stall.
Keywords: 80C51, overload control, sensor, A/D converter, LED

目 录

摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
目录 Ⅲ
1 绪论 1
1.1 课题的提出及意义 1
1.2 国内外汽车超载研究现状 2
1.3 研究内容和需解决的问题 3
2 汽车车架的受力分析 4
2.1 整车对车架的要求 4
2.2 车架的受力情况分析 4
2.3 车架的结构分析 4
3 传感器的选择及性能分析 8
3.1 传感器的基本概念 8
3.2 测力传感器 8
3.2.1 测力传感器的选择 8
3.2.2 电阻应变式传感器工作原理及测量电路 9
3.2.3 电阻应变式传感器的安装 13
3.2.4 选用传感器的型号 13
3.3 汽车轮速传感器 14
3.3.1 轮速传感器的选择 14
3.3.2 霍尔效应式轮速传感器的工作原理 15
3.3.3 霍尔轮速传感器的测量电路 17
3.3.4 霍尔效应式轮速传感器的安装部位 17
4 超载控制系统设计 19
4.1 放大电路设计 19
4.2 A/D转换 20
4.2.1 A/D转换原理 20
4.2.2 A/D转换器选用的原则 21
4.3 单片机设计 22
4.3.1 80C51单片机的结构 23
4.3.2 80C51单片机引脚及其功能 23
4.4 报警器控制电路 25
4.5 汽车点火控制系统 26
4.5.1 点火系统的功用 26
4.5.2 点火系统的工作原理 26
4.6 控制系统的总电路图及工作原理 27
5 程序设计 32
5.1 系统主程序设计 32
5.2 A/D转换模块设计 33
5 .3 报警模块设计 34
6 总结 35
参考文献 36
致谢 38

IV

1绪论
1.1选题的背景
车辆超载有以下主要危害：
1.车辆超载会增加车辆对路面的损害，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，汽车核载确定是有科学依据的，在核载范围内载货汽车的安全性包括良好的制动性和操作的稳定性是有保障的，超限车辆大多是采取了更换高压轮胎，加厚钢板弹簧，加高车辆栏板的改装车辆，而其操作、制动和传动系统仍保持出厂的配置。据调查表明，如果一辆车的超载量超过规定值的50%以上，那么这辆车的协调性、制动性就会变得特别差，特别容易引发交通安全事故。
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【1】。
3.扰乱了国家养路费以及路桥收费政策，制造出新的不公平
由于我国目前所有公路收费基本都是按车辆核定吨位收费，“大吨小标”超载车辆的泛滥，导致单位运输成本降低。这样，运输者通过超载超限可以提高利润水平，降低其运输成本，这样就可获得比守法经营者更多的利润。对国家来讲，漏征了大量规费，我国每年因超限超载而偷逃的养路费、路桥通行费不计其数，据专家估算，车主通过超限超载每获利1000元，国家就损失6000元；对于遵纪守法的人来说，无疑是不公平的。
4.严重的影响了我国汽车产业的健康发展和技术进步
汽车产业是我国国民经济的支柱产业，如果任生产“大吨小标”车辆的现象发展下去，中国的载货车和世界水平的差距将会越来越大。
5.降低了公路使用效率，污染了环境
超载车辆车速一般都很低，特别是在高速公路上，严重超载车辆一般只能行驶30~40km每小时，有的更低，造成了高速公路低速行驶尴尬局面的发生。
目前，治超主要采用经济手段和一些制度法规来控制，虽然在一定程度上减少了车辆超载的现象，但某些时段超载现象还是屡禁不止，并不能从根本上解决问题。因此，在采取行政监督管理的同时，通过科学技术手段来制止超载现象也有着极其重要的意义和实用性。
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，国外所有的国家几乎都存在汽车超载运输的现象，根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，相对而言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。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。
国外卡车多采用空气弹簧，车辆超载不能行驶。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。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。
1.3 本论文主要内容
本论文研究汽车超载检测系统，通过对汽车车架进行受力分析，选择电阻应变式传感器。随后设计出合理的报警系统，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）对车架进行受力分析，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。

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。
2.1整车对车架的要求
车架是整车各总成的安装基体，对它有以下要求：
1.有足够的强度。要求受复杂的各种载荷而不破坏。要有足够的疲劳强度，在大修里程内不发生疲劳破坏。
2.要有足够的弯曲刚度。
3.要有足够的扭转刚度。
4.尽量减轻质量，按等强度要求设计。
2.2车架的受力情况分析
1.垂直静载荷：
车身、车架的自重、装在车架上个总成的载重和有效载荷（乘员和货物），该载荷使车架产生弯曲变形。
2.对称垂直动载荷：
车辆在水平道路上高速行驶时产生，其值取决于垂直静载荷和加速度，使车架产生弯曲变形。
3.斜对称动载荷
在不平道路上行驶时产生的。前后车轮不在同一平面上，车架和车身一起歪斜，使车架发生扭转变形。其大小与道路情况，车身、车架及车架的刚度有关。
4.其它载荷
4.1汽车加速和减速时，轴荷重新分配引起垂直载荷。
4.2汽车转弯时产生的侧向力。
4.3装在车架上总成（方向机、发动机、减振器）产生的作用反力。
车架CAE分析时一轮悬空这种极限工况，即解除一个车轮的约束，分析车架弯扭组合情况下的最大应力。

2.3车架的结构分析
1.车架的基本结构形式
边梁式（载货车、大客车常用结构）
框式 周边式（复杂的边梁式，越野车、轿车常用）
车架 X型式（X型横梁，抗扭性能强）
脊梁式（抗扭性能好）
综合式（前后框式、中间脊梁式）
目前公司各种车架基本都是边梁式车架。
2.车架宽度的确定
车架的宽度主要由前后轮距确定的，确定车架的宽度按以下原则进行：
①车架前部宽度主要考虑前轮的最大转角，选用成型的方向机要考虑方向机的安装，有时结合驾驶室的安装统一考虑。
②车架中部的宽度要考虑发动机及发动机附件（排气管、变速操纵杆）的安装。
③为考虑高速车的稳定性，希望增加车架后部宽度，以便能加大后簧托距。如BJ1027A和CA1026的托距都很大。
④对双胎车，车架后部宽度取决于轮胎、板簧、车架三者的间隙。
⑤从简化工艺的角度看，最好做成前后等宽，对低价位的产品，这一点很重要。
⑥考虑标准的要求，我国汽车专业标准规定中型载货车边梁式车架的宽度为864±5mm。
典型结构：
① 轿车、微型车和单胎轻型车车架做成窄后宽结构，前部窄是为了增大前轮转角。从发动机安装处开始加宽。
② 双胎载货车，做成前宽后窄结构。如1028非独立悬架的都市小卡和NPR。
1049（NKR55LL）是以上两种车架的综合，前部宽度630、中部740、后部700。
NHR单胎车型前部宽度630，中部中部740、后部800。
3.纵梁的型式、主参数的选择
3.1纵梁的型式
纵梁主要有以下五种形式：槽型薄壁断面、闭口薄闭断面、Z字型断面、工字型断面等。其中重型载货汽车和超重型载货汽车采用工字型结构截面的型材，Z字型断面不常用。在此主要讨论前面两种结构形式的纵梁断面。两种结构（相同的断面面积）的优缺点如下：

型式
图示
抗弯性能
抗扭性能
材料利用率
固定资产投入
总布置方便性
变形方便性
车架工艺

应用情况
槽型薄壁断面

好
很差
较好
大
好
差
铆接为主，小部分焊接
批量应用于各种载货、中型和轻型载货车辆
闭口薄闭断面（成型管）

较差

较好
差
小
较差
好

焊接
部分轻型车，如BJ1022、现代小货车，部分越野车
闭口薄闭断面（焊接结构）

一般
很大
好
差

焊接
微型货车、皮卡、越野车
3.2纵梁主参数的选择
3.2.1要满足强度和刚度需要，具体从以下三个方面考虑：①根据轴距对车架刚度的初步验算；②同类车型的类比分析。③初步的强度计算。
3.2.3车架纵梁要尽量简单，减少断面急剧过度及弯曲，减少应力集中。
3.2.4通过CAE分析，最终确定车架强度和加强板的形状和结构形式。
对槽型梁结构，要注意纵梁高宽比的确定，通常范围为2.8—3.5之间，例如1029车架为170/55=3.09比较合适。1046E6为195/55=3.54，宽度偏小。
4.车架的横梁及结构形式
车架横梁将左、右纵梁连接起来，构成一个框架，使车架有足够的扭转刚度。汽车的主要总成也靠横梁支撑。具体的确定的原则如下：
4.1要确保车架前部的扭转刚度。对独立悬架车型，更要注意。
4.2板簧支架和吊耳处尽量设置横梁，以降低纵梁的应力和变形。后板簧前后支架处力和转距很大，一般设置一根抗扭刚度大，连接宽度的横梁。
4.3发动机部位，尽量设计简易的横梁,减少纵梁变形。
4.4合理设计横梁与纵梁的连接方式及结构.
4.4.1横梁和纵梁的腹板连接，工艺简单，连接刚性差，但不会使纵梁出现大的应力，车架中部采用这种连接。
4.4.2横梁与纵梁腹板及翼面（上或下）相连接。
工艺并不复杂，应用广泛。但后板簧托架的力会通过纵梁传递给横梁，因此要减少板簧托架的悬伸长度，使载荷点尽量靠近纵梁弯曲中心。
4.4.3对受力较大的结构附件，要注意其与车架纵梁的连接方式，避免因纵梁局部应力过大造成纵梁开裂。注意减振器支架、驾驶室支架、板簧支架、发动机支架的设计。
5.车架的连接方式和特点
车架的连接方式有铆接、焊接和螺栓连接三种:
5.1铆接车架：铆接成本较低,常适用于于大批量生产，其刚度与铆钉的数量分布有关,因此铆钉布置设计很重要。
5.2焊接车架：常用于小批量生产和修理。
5.3螺栓连接：
特殊使用条件和特殊用途的车架采用。但长期使用，容易产生松动，易发生严重的质量事故。一般汽车的纵梁和横梁的连接不采用这种方式。
无论是焊接车架，还是铆接车架，紧固件的数量和尺寸应和横梁的大小相适应，铆钉分布不要太近。当利用连接板的翻边紧固时，应加大连接板的宽度和厚度，紧固孔应靠近翻边处，防止连接损坏。
6.载货车辆采用铆接车架的优点
对于车速较高（≥100km/h）和总质量大于3500kg的轻型汽车，建议采用铆接车架，优点如下：
6.1车速高，为确保高速行驶的稳定性，必须提高车架精度，因此优先采用铆接车架。
皮卡、部分越野车、微型货车车架一般采用焊接工艺（纵梁是薄壁闭口断面）。是受以下几个特殊因素影响而决定的:①这部分车型使用中超载不多。②断面较小，最大断面高在130毫米以下，采用铆接时铆钳空间不够充裕。③前两类产品的批量不大，如采用铆接投入较大。
6.2矩管焊接车架的缺点
虽部分小型货车和越野车采用矩管车架，有以下缺点：
6.2.1矩形管弯曲后回弹大，影响了整车高度方向的基准。焊接后车架本身的尺寸精度不高。
6.2.2矩形管纵梁，同样抗弯模量前提下，成本高。
6.2.3不利于总布置。线路、管路、附件的固定不好处理。
6.3 焊接车架焊接变形大
1022EZC2A车架为冲压焊接车架，焊接变形大，长期以来达不到设计要求，只好办理偏差许可。
6.4焊接车架不可避免有焊接缺陷
对焊接工艺，容易出现过烧、假焊、咬边等焊接缺陷，由于焊接缺陷的存在，车架出现质量问题的机会增多。
6.5 对卡车行业，铆接车架是主流
国内轻型车行业中，除了北轻汽受工艺条件的限制以外，基本都是铆接车架。北轻汽的主导产品BJ1041和BJ1061为焊接车架，BJ1041严格说来是一种“轻抛车型”，后悬架为渐变刚度簧，无副簧，整车承载能力弱，销售区域也基本在北方。焊接车架不是轻卡车架的主流。

3 传感器的选择及性能分析
3.1 传感器的基本概念
根据国标（GB7665－87），传感器的定义为：“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。”
从输入与输出的关系来看：它们之间的关系具有“一定规律”，即传感器的输入与输出不仅是相关的，而且可以用确定的数学模型来描述，也就是具有确定规律的静态特性和动态特性。 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。因此，传感器的地位与作用特别重要。
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。
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。
综合上述考虑，本次研究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。
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。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：ε为弹性体的相对变形；
L、ΔL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。
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；
金属导体电阻丝的灵敏系数，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。

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；=34Ω；

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n＝1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：
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。则电桥输出电压为：

若,,,则有：
由此可知，和成线性关系，差动电桥无非线性误差。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。
因此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
对车架的受力分析，找到车架的所受最大应力处。安装电阻应变器。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
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～+50
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。
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，就是把位移信号转换成电热变化信号的传感器。
（1）霍尔效应
若对在磁场(B)中的半导体薄片(d)施加电压(V)，这个磁场的方向与所施加电压的方向互相垂直，那么则会产生另一个电压(UH)在与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上，那么这个电压就被叫做霍尔电压，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

若磁感应强度B与元件的平面法线成一定角度θ，那么作用在此元件上的有效磁场便是其法线方向的分量，即，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。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
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
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，见图所示：

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3.7 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。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，当汽车车轮转动时，霍尔效应式轮速传感器（开关型）可以将轮速转换为数字电压信号，然后通过80C51单片机进行控制报警系统，使得汽车开动后报警系统不能工作，这就避免了当不超载的汽车在行驶时，因为路面的不平颠簸产生错误报警。
4.1 放大电路设计
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
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。逐次逼近的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。
4.2.2A/D转换器选用的原则：
（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。
（3）是否加采样/保持器。
（4）A/D 转换器的有关量程引脚。
（5）A/D 转换器的启动转换和转换结束。通知微处理器读取转换结果。
（6）A/D 转换器的晶闸管现象。
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 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：0～＋5V，不需零点和满
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
4.3.2 80C51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4.5 80C51 单片机引脚图
各引脚功能简要介绍如下：
（1）电源引脚 Vcc 和 Vss
Vcc（40 脚）：电源端，为＋5V。
Vss （20 脚）：接地端。
（2）时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2
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， 和
RST/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。 （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的 1/6。
/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。
（4） 输入/输出端口 P0，P1，P2 和 P3
P0 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。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。
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