毕业设计论文转辙机测力仪控制器.docx
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毕业设计论文转辙机测力仪控制器
毕业论文设计
转辙机测力仪控制器
——硬件设计
摘要
转辙机是铁路系统中常用的一种重要电气信号设备,是铁路上用来改变轨道在铁路道岔处的走向,控制列车的运行路线的重要设备。
转辙机测力仪控制器是一种专门用来在现场对转辙机进行检测的测试设备,其测量对象为转辙机动作过程中的输出力和输出电流。
本论文首先对转辙机测力仪控制器的各种设计要求进行了分析,包括了仪器的各种使用功能要求。
然后提出了测力仪控制器的总体设计方案,主要是两方面的设计:
硬件电路的设计和接口的设计。
关键词:
转辙机测力仪,转辙机,转换力,指示灯
TheElectricPointSwitchTester
——Hardware
Abstract
Theelectricpointswitchisanimportantelectricalsigalequipmentthatisofenusedintrainsystem,whichisusedtochangetheorbittobranchattherailroadway,andchangemovementrouteoftherailroad.Theportableelectricpointswitchtesterisonetestequipmentthatisspeciallyusedtotesttheelectricpointswitchonthespot,themeasuringobjectsaretheoutputpowerandelectricmachinecurrentintheworkingprocessoftheelectricpointswitch.interfacelevelandapplicationlevel.
Thisthesisfirstlyanalyzesthedesignspecificationoftheelectricpointswitch,includingthevariousapplicationfunctionalpurposepurpose.Andthenputsforwardtheoveralldesignplanofthetester:
theequipmentisdividedintotwoarrangements,includinghardwarecircuitlevel.
KeyWords:
electricpointswitchtester,electricpointswitch,theoutputpower,indicatorlight
1绪论
1.1课题的研究背景
转辙机是铁路系统中常用的一种重要电气信号设备,是铁路上用来改变轨道在铁路道岔处的走向,控制列车的运行路线的重要设备。
它具有转换,锁闭和表示岔道位置的三种功能。
转辙机对提高铁路运输效率、保证行车安全起着至关重要的作用。
转辙机的各项指标,其中包括主副机定、反向的拉力、转换时间、工作电流、摩擦电流等是否正常是其安全工作的重要保证。
我国铁路系统目前使用的多为电动转辙机。
电动转辙机主要由电动机、减速器、自动开闭器、主轴、动作杆锁闭齿轮等部件构成。
其中,自动开闭器是跟随转辙机一起工作的电器节点,它与岔道控制电路和表示电路直接发生联系,能够直接或间接的反映出道岔定位密贴和反位密贴。
根据电动转辙机中的电动机类型可将电动转辙机分为直流电动转辙机和交流电动转辙机两类。
直流电动转辙机主要有ZD6,ZD7系列,交流电动转辙机主要由:
S700系列。
为了确保铁路交通的安全,需要对铁路上的转辙机进行定期的性能检测,但是由于受实际环境条件的限制,我们不可能亲临现场进行测试;同时,由于转辙机深出和缩回的速度很快,普通仪表难以计量;所以需要设计一种安全,可靠方便,快捷的智能测试仪表来实现转换力的测量;并且,对于检修人员来说,一种测量准确、可靠耐用的转辙机专用测力仪将会是他们的好帮手,将会极大的帮助他们提高工作效率。
1.2转辙机测力仪的简介
目前,对转辙机的测试设备主要有两种:
一种是电动转辙机综合参数测试台,另一种是便携式的电动转辙机测试仪。
其中,电动转辙机综合参数测试台多用与对电动转辙机大修之后,用以对检修结果进行检测;而便携式电动转辙机测试仪多用于现场对转辙机的各种性能进行检测。
转辙机测力仪主要由两部分组成:
用于对转辙机性能指标参数进行测量的传感器(力传感器,电流传感器)和用于对测量结果进行显示、保存的二次仪表。
转辙机测力仪具有体积小,重量轻,携带方便等优点,但其所能测量的参数类型有限。
而且在安装传感器时,人为的影响因素较多,因此测量时的得到的结果会存在偏差。
1.3本论文的主要工作
本论文的主要工作内容包括以下两个方面:
(1)提出测力仪的使用功能方面的要求,包括仪器的一些必要辅助功能等。
并提出了仪器的设计方案。
(2)根据测力仪的各项技术要求和设计方案,完成对仪表的各个功能模块的设计。
2仪器的设计要求与设计方案
测量仪器的基本功能是完成对被测物理量参数进行实时测量,通过信号变换将采样信号变换成标准信号,再将这一信号进行显示与记录。
通常,一台测量仪器可分为三个部分:
参数测量部分,信号调整部分,显示和记录部分。
其中,测量部分由传感器来完成,它在测量仪器中被称为一次仪表;而信号调整部分,显示和记录部分被统称为测量仪器的二次仪表。
对测量仪器的设计主要是对仪器的机械结构,电路结构进行设计或选配。
图2.1测量仪器的组成框图
2.1仪表的设计要求
仪表的设计要求是指根据一起的使用环境和使用方式的不同而提出的仪器所必须要满足的条件。
仪器的设计要求通常是指仪器的测量精度,仪器的功能要求和仪器的操作方法等。
测量仪器完成的基本功能是对被测物理参数进行测量,以及对测量结果的显示和保存。
测量结果显示,保存应该方便,快捷和直观。
在满足基本功能的基础上,测试仪器还应满足操作人员对其操作的具体要求,也就是对测试仪器的使用功能的要求。
对仪器的使用功能要求包括:
对测量仪器操作的使用功能要求和对仪器显示,保存测量结果方式的要求。
本论文中所讨论的转辙机测力仪的使用功能要求:
可以启动和停止转辙机的正转和反转测试;
可以显示测试结果,并可识别正转和反转;
可以手动复位,以防止测试中的死机现象;
可根据不同的主机号来切换测试的对象;
可以在测试结束后将测试结果固定显示。
2.2仪表的设计方案
2.2.1仪表的功能框图
图2.2仪表的功能框图
2.2.2仪表的结构分析
a.输入部分
本部分主要由力传感器,调整电路,A/D转换以及电源稳压这四大部分组成。
力传感器:
将输入力信号转换为电压信号,输入的力大小范围是0~±10.24KN,输出电压范围是0~±5V。
调整电路:
调整电路在整个测力仪中起到从传感器到A/D转换器之间的桥梁作用。
传感器信号调整电路用来对传感器的输出信号进行滤波,放大,将从传感器上的到模拟信号的值的范围转换到A/D转换器的输入范围之内,以供对数据进行模数转换。
A/D转换:
将传感器输出的电压信号转换为数字量,并通过数据总线与单片机相连。
这部分采用MAXIM公司的MAX197芯片,它具有12位的分辨率,输入电压范围为0~±5V,输出的数字量范围为0~±2048。
电源稳压部分:
由于A/D转换芯片对输入的模拟电压信号精度要求很高,故在力传感器上加入一个电源稳压部分,以滤除脉冲信号和高频分量。
b.继电器控制部分
本部分由光电耦合和锁存器这两块组成。
光电耦合:
输入端接继电器的两个输出触点,输出端接上拉电阻与锁存器相连。
由继电器输出触点的断开与闭合来控制仪表的正转/反转测试的启动与停止。
由于外接的触点信号我们无法对其评估,为确保安全,我们在此使用光电耦合器进行光电隔离。
锁存器:
将光电耦合器输出的信号锁存。
当单片机读信号有效时,将其读入单片机。
c.手动按键部分
该部分有RESET手动复位电路和主机型选择两部分组成。
RESET复位电路:
输出端与单片机的RESET管脚相连,当有键按下时,输出高电平有效,单片机清零复位。
ZD6/ZD7选择电路:
输出端与单片机的INTO管脚相连,当有键按下时,输出一个下降沿,产生外部0中断,通过中断服务程序完成ZD6/ZD7的选择。
d.显示输出部分
该部分由显示驱动,LED显示,指示灯三部分组成。
显示驱动部分:
输入端与单片机的P1.0,P1.1,P1.2相连,输出端接四个LED和四个发光二极管。
LED显示部分:
由四个LED组成。
分别表示符号位,个位,十分位,百分位。
指示灯部分:
由四个发光二极管组成。
分别作为ZD6和ZD7的选择指示灯和测试,保持灯指示。
3仪表硬件电路的设计
上一章对仪表的模块结构进行了初步分析,本章将对仪表的各个部分的硬件电路进行详细分析。
3.1单片机部分电路的设计
3.1.1单片机的选择
本次设计的仪表以8位AT89C52单片机为核心。
由于本次设计需要编写的程序代码较长,日后还要重复编程,因此对程序区的要求较高,而AT89C52除了具有普通MCS-51系列单片机的功能外,片内的8K闪速存储器可以容许系统内部的程序存储器重复编程,故而选用它。
3.1.2AT89C52单片机简介
a.功能特性描述:
AT89C52是一个低功耗,高性能CMOS型8位单片机,它具有8k字节电擦除可编程只读存储器(PEROM)。
该装置使用高密度挥发性记忆体技术制造,是符合80C51而80C52指令集和管脚输出。
多功能8位CPU与闪存形成一个完整的芯片,对于嵌入式控制应用AT89C52微处理器提供了一个强大的,高度灵活和有效的解决方案。
AT89C52提供下列标准特性:
8k字节的闪存,256字节的内部数据存储器,32个I/O口,3个16位定时/计数器,3个16位的定时器/计数器,1个6种类型的二级中断结构,1个全双工的串行口,片内振荡器和时钟电路。
此外,AT89C52静态逻辑操作的设计降低到零频率,并且支持两种可选软件的节电模式。
当允许RAM的定时器/计数器,串口和中断系统继续运作时,闲置模式就会终止CPU,关闭电源模式保存RAM的内容,终止振荡器关闭所有其他芯片功能,直到下一个硬件复位。
b..芯片引脚图和封装图:
图3.1AT89C52芯片引脚图
图3.2AT89C52的封装图
c.管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
地上。
P0口:
P0口是一个8位的双向输入/输出口。
作为输出口每个管脚可以接8个TTL输入端。
当“1”被写到P0口管脚时,管脚可作高阻抗输入端。
当P0口与外部程序存储器和数据存储器连通时,它也可作为低位地址/数据总线复用。
在这种模式中,P0口可以在闪速编程时接受码位,而在程序编译时输出码位。
程序编译时外部上拉电阻是必需的。
P1口:
P1口是一个8位双向输入/输出口。
P1口的输出缓冲可驱动4个TTL输入端。
当“1”被写入P1口时TTL被上拉电阻拉高用作输入端。
作为输入端,由于内部上拉电阻P1口的管脚外部被拉低而产生电流。
P1口在闪速编程和程序编译时接受低位地址。
此外,P1.0和p1.1可配置成定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)及定时器/计数器2触发输入(P1.1/T2EX),见表3.1。
当闪存编程和程序编译时,P1口也可接收低位地址。
表3.1P1口的第二功能
输入管脚
第二功能
P1.0
P1.1
T2(定时器/计数器的外部计数输入)外部时钟
T2EX(定时器/计数器2锁定/重载触发和指令控制输入
P2口:
P2口是一个8位字节的双向输入/输出口。
P2口的输出缓冲可驱动4个TTL输入端。
当“1”被写入P2口时TTL被上拉电阻拉高用作输入端。
作为输入端,由于内部上拉电阻P2口的管脚外部被拉低而产生电流。
当从外部程序存储器中取数或者连接到外部程序存储器上而用到16位地址时(MOVX@DPTR),P2口可以输出高位地址。
输出高电平时这种器件会用到很强的内部上拉电阻。
当连接到8位地址的外部数据存储器时,P2口可以运用特殊功能寄存器。
在闪速编程和程序编译时,P2口可以接受高位地址和一些控制信号。
P3口:
P3口是一个8位的上拉电阻的输入输出口。
P3口的输出缓冲可驱动4个TTL输入端。
当“1”被写入P3口时,TTL被上拉电阻拉高用作输入端。
作为输入端,由于内部上拉电阻P3口的管脚外部被拉低而产生电流。
P3口也可以为AT89C52提供特殊功能服务,见表3.2:
表3.2P3口的第二功能
管脚
第二功能
P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
RXD(串行数据接收)
TXD(串行数据发送)
INT0(外部中断0)
INT1(外部中断1)
T0(定时器/计数器0)
T1(定时器/计数器1)
WR(外部RAM写选通)
RD(外部RAM读选通
REST:
复位信号。
当输入的复位信号延续两个机器周期以上高电平时即为有效,用以完成单片机的复位操作
ALE/PROG:
地址锁存控制信号/外部程序存储器读选通信号。
当CPU访问外部程序存储器时,ALE的作用是锁存16位地址的低位字节。
在编程期间,PROG可作为编程脉冲的输入管脚。
在常规操作中,ALE产生固定的六分之一晶振频率,可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。
注意,一个ALE脉冲是每次访问外部数据存储器时输出的。
如果需要的话,ALE的操作可以通过置0来停止。
当置0后,只有在指令MOVC执行时或MOVC执行时ALE才能工作。
否则管脚点评会被拉高。
微控制器在外部执行模式下设置ALE停止位是无效的。
PSEN:
:
读选通信号。
当AT89C52向外部程序存储器取指令时,PSEN将在每个机器周期中发两次信号。
在每一次访问外部数据存储器时都会有两个PSEN信号输出。
EV/VPP:
访问程序存储器控制电平/编程电源。
为了使CPU能够在外部程序存储器0000H到FFFFH范围内读取指令,EA管脚必须接地。
注意,当EA信号为高电平时,则对ROM的读写操作是从内部程序存储器开始的。
EA可接电源,访问内部程序存储器。
在编程时这个管脚可以接12V的编程电压。
XTAL1:
输入到反向振荡放大器和内部时钟控制电路。
XATL2:
从反向振荡放大器输出。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2是倒置的放大器,可分别作为输入和输出,可作为芯片的振荡器使用,如图1.3所显示。
石英晶体或陶瓷谐振器都可以。
要驱动一个外部时钟源,当驱动XTAL1时,XTAL2应该未连接,如图3.3所显示。
对于外部时钟信号的工作周期没有要求,因为内部时钟电路会进行1/2分频,但必须观察最小电压和最大电压在各个时间的值。
图3.3振荡器连接
注:
C1,C2=30pF,作为晶体振荡器时
=40pF,作为陶瓷谐振器时
图3.4外部时钟信号驱动连接
3.2模/数转换电路的设计
将模拟信号转换为数字信号的电路称作模/数转换电路(或A/D转换电路),在此出的作用是将传感器输出的电压信号转换成数字输出至单片机中。
本A/D设计采用的是MAXIM公司的MAXIM197芯片。
3.2.1.芯片的选择
由于转辙机轴的伸出和缩回速度十分快,而且为了测试精确需要采集多个点,这就要求A/D转辙的时间要短,MAX197的转换时间只有6微秒,符合我们的要求。
由于测试结果的精确度高,所以要求A/D转换得转换精度也要搞,MAX197具有12位的分辨率,可以满足我们的要求。
由于传感器设计的不同,输入同样的力输出的电压范围也会不同,本设计中传感器输出的电压范围是0~±5V。
MAX197可以用软件实现四种量程的选择,下面会介绍到。
衡量转辙机性能的指标除了转换力以外还有工作电流,摩擦电流,转辙机轴的伸出时间和缩回时间等,所以为了以后扩展的需要,要求A/D转换芯片具有多个模拟输入通道。
MAX197具有八个模拟通道,可以满足我们的扩展需求。
电路图如图3.5:
图3.5A/D转换电路
3.2.2.MAX197芯片介绍:
a.特点:
●十二位的分辨率,1/2LSB线性误差
●一个+5V工作电压
●软件选择输入量程:
±5V,±10V,0~5V,0~10V
●输入偏差保护(±16.5V)
●八个模拟量输入通道
●6us转换时间,100ksps采样速率
●内部/外部采样控制
●内部4.096V或外部参考电压
●两种低功耗模式
●内部和外部两种时钟
b.芯片引脚图:
图3.6MAX197芯片引脚图
c.管脚描述:
CLK:
时钟输入,在外部时钟模式下,输入与TTL/MOS相匹配额的时钟脉冲。
在内部时钟模式下,从这个引脚接一个电容CCLK至地,设置内部时钟频率;当CCLK=100pF时,CLK典型值为1.56MHz。
CS:
片选脚,低电平有效。
WR:
当CS为低电平时,在内部采用采集模式,WR的上升沿将锁住数据,并发出一个采集脉冲。
当CS为地点平时,在外部采集模式下,WR的第一个上升沿启动第一次采集,WR的第二个上升沿结束采集并开始第一次转换。
RD:
如果CS为低电平,RD的下降沿将实现数据总线上的一次读操作。
HBEN:
输入脚,控制数据总线复用,以得到12位转换结果。
当HBEN为高电平时,数据总线上输出高4位数据;当HBEN为低电平时,器件进入掉电工作状态。
SHDN:
掉电输入脚,当SHDN为低电平时,器件进入掉电工作状态。
D7~D4:
三态数据I/O口。
D3/D11-D0/D8三态数据I/O口,当HBEN=0时,输出为D3-D0的数据,当
HBEN=1时,输出为D11~D8数据。
AGND:
模拟地。
CH0~CH7:
八路模拟输入通道。
INT:
中断输入脚,当转换完毕,输出数据准备就绪,INT变为低电平。
REFADJ:
为带隙电压基准输出/ADC基准电压输入,可连接一个0.01uF电容旁路至地。
当在REF脚上采用外部基准电压时,此管脚连接到VDD上。
REF:
缓冲器基准电压输出/ADC基准电压输入,在内部基准电压模式下,基准脉冲器提供4.096V的标准输出电压,可在REFADJ脚微调,在外部基准电压模式下,通过REFADJ接至VDD使内部缓冲器无效。
VDD:
+5V电源,通过0.1uF电容旁路至地。
DGND:
数字地。
d.MAX197的控制字
MAX197的三态平行接口是输入数据(控制命令字)和输出数据复用口。
这种I/O口可以非常方便的与微处理器链接。
CS,WR和人的将控制芯片的读和写操作。
CS是标准的片选信号,它可以让微处理器把MAX197当作一个I/O来进行寻址,当它为高时,会使RD和WR的输入无效,并把接口强制置为高阻状态。
在写周期,控制命令字通过D7-D0管脚被写入芯片中。
下面的表3.3给出了控制字的格式。
表3.3控制字格式
D7(MSB)
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
PD1
PD0
ACOCMOD
RNG
BIP
A2
A1
A0
D7,D6:
这两位用来选择时钟和低功耗模式。
(见表3.5)
D5:
为0时,内部控制采样(六个时钟周期)。
为1时,外部控制采样。
D4:
输入量程选择。
(见表3.4)
D3:
选择单极性还是双极性转换模式。
(见表3.4)
D2,D1,D0:
这几个位作为地址位来选择要有被使用的模拟通道。
(见表3.6
表3.4输入电压量程选择
表3.5时钟和低功耗模式选择
表3.6模拟通道选择
e.MAX197的工作时序:
图3.7MAX197的内部采样模式
图3.8MAX197的外部采样模式
3.3LED显示的设计
这一部分电路用来实现测试结果和测试状态的显示。
它通过一个显示驱动芯片来驱动4个LED和4个发光二极管。
4个LED用来显示伸出/缩回力的测试结果,4个发光二极管。
4个发光二极管作为ZD6,ZD7,测试,保持指示灯。
ZD6,ZD7的选择原理在按键电路中已做说明,这里只是将选择的结果通过指示灯来显示出来。
此外,当测试开始时测试指示灯点亮,测试结束时指示灯熄灭,同时保持指示灯点亮,最终的测试结果会定格在LED显示板上。
3.3.1芯片的选择
由于仪表有4个LED和4个发光二极管指示灯显示,这就要求所采用的显示驱动芯片有较强的驱动能力,可同时驱动多个LED或发光二极管。
本设计中使用的显示驱动芯片是MAXIM公司MAX7219,它有八条位控线,八条段控线,位控线低电平有效,段控线高电平有效,可同时驱动八个共阴极LED。
同时MAX7219还可以进行解码/不解码两种模式的选择,当选择解码模式时,只需向MAX7219输入十进制的BCD码它就可自动翻译成LED显示所需的字形代码,大大减轻了编程的工作量。
电路图如图3.9:
图3.9显示部分电路
3.3.2MAX7219芯片介绍
a.MAX7219的特点
●10MHz的串行接口
●LED数码管单个段的控制
●解码/无解码的数字选择
●150uA的低功耗(保留数据)
●数字和模拟亮度控制
●高功耗时的空白显示
●驱动共阴极
●4脚的窄DIP(300mil)和宽DIP(600mil)封装
b.芯片引脚图:
图3.10MAX7219芯片引脚图
c.管脚描述:
DIN:
串行数据输入。
在CLK的上升沿,数据被送入内部16位转移寄存器中。
DIG0-DIG7:
八条位控线,与显示的共阴极端相连,低电平有效。
当关闭显示时,MAX7219把该位的输出电压拉至+5V。
GND:
地(两个GND管脚必须相连)。
LOAD:
使数据读入。
在LOAD的上升沿,16位串行数据被读入。
CLK:
串行时钟输入。
在CLK的上升沿时,数据被送入内部转移寄存器。
在CLK的下降沿,数据从DOUT端被计时输出。
SEGA-SEGG,DP:
提供七段和小数点的驱动电流给显示设备。
当关闭某一段显示时,段控端电压被拉至GND。
ISET:
通过一个上拉电阻街道V+来设置断电流的峰值(通过改变上拉电阻的大小)。
V+:
连接+5V电压。
DOUT:
串行数据输出,在DOUT第16.5个时钟周期后,从DIN端输入的数据无效。
d.MAX7219的串行数据格式(16位)
表3.7MAX7219的串行数据格式
e.MAX7219的时序图
如图3.11所示:
图3.11MAX7219的时序图
f.典型应用电路:
如图3.12所示
图3.12MAX7219的典型应用
g.说明
由MAX7219的电气特性可知,MAX7219的最大工作电流最大电流可达330mA,但在实际应用中我们并不需要这么大的电流;显示太亮,既浪费又对设备有影响;电流达100mA即可。
因此,我们将上拉电阻设计为10K。
3.4正反转测试启动/停止控制电路
这部分电路主要用来实现仪表测试的启动和停止。
它主要由两个光电耦合器和一个573锁存器构成。
3.4.1光电耦合部分
a.光电耦合的选用
由于这里需要外接一个继电器的开关信号,而这个开关信号具体特性我们不清楚,为
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