电力机车弯道速度遥控单片机接收控制系统的研究.docx
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电力机车弯道速度遥控单片机接收控制系统的研究
河南科技学院
2009届本科毕业论文(设计)
论文题目:
电力机车弯道速度遥控——单片机接收控制系统的研究
学生姓名:
魏广巍
所在院系:
机电学院
所学专业:
应用电子技术教育
导师姓名:
杨天明
完成时间:
2009年5月28日
摘要
本课题以最新推出的电力机车弯道速度遥控系统的核心——单片机接收控制系统为中心,以信号的发送和接收以及提示报警系统为辅助,设计了电力机车弯道速度遥控的信号发射系统、信号接收系统、单片机接收控制系统和接收报警系统。
本课题着重对其中的接收报警系统进行了详细的介绍。
单片机接收控制系统装置是以优质的单片89C51电路作为整个系统的中心,根据单片机接收到的不同位置的编码信号,使系统发出相应的信号进行响应控制。
关键词:
电力机车,弯道速度,无线遥控,单片机
ElectricLocomotivesCurveSpeedControling
——ReceivingAndAlarmSystem
Abstract
Thistopictakessingle-chipreceivercontrolingsystem,whichisacoreofthelastestcurvespeedremotecontrolingsystemofelectriclocomotives,asacenter.Ittakessignalsending,receiving,promptingandalarmsystemsasasecondary.Thistopicisadesignofthesignallaunchingsystem,signalreceptionsystem,single-chipreceivercontrolingsystemandreceiving-alarmsystemofthecurvespeedremotecontrolingtechnologyofelectriclocomotives.Thistopicfocusesonthereceiving-alarmsystemindetailedintroduction.Themonolithicintegratedcircuitreceivecontrolsysteminstallmentistakesoverallsystem'scenterbythehighqualitymonolithic89C51electriccircuit,receivesthedifferentpositioncodedsignalaccordingtothemonolithicintegratedcircuit,causesthesystemtosendoutthecorrespondingsignaltocarryontheresponsecontrol.
Keywords:
Electriclocomotives,Curvespeed,Wirelessremotecontrol,Microcontroller
目录
摘要…………………………………………………………………………………Abstract………………………………………………………………………………
毕业论文(设计)任务书………………………………………………………………
绪论………………………………………………………………………………1
1概述……………………………………………………………………………1
1.1国内外研究综述……………………………………………………………1
1.2设计理论基础………………………………………………………………2
1.3SS3B型电力机车简介………………………………………………………3
2系统设计……………………………………………………………………4
2.1总体设计……………………………………………………………………4
2.1.1电力机车铁路接触网模式选择………………………………………4
2.1.289C51单片机…………………………………………………………5
2.1.3单片机最小系统………………………………………………………5
2.1.4单片机控制系统的安装位置………………………………………6
2.1.5位置传感器的选择……………………………………………………6
2.2单片机接收电路方案…………………………………………………7
2.3单片机装置的工作过程………………………………………………7
2.4 单片机射频收发器件和微处理器特性………………………………8
2.5单片机控制报警部分……………………………………………………10
3其他部分电路……………………………………………………………………13
3.1发射电路……………………………………………………………………13
3.2接收电路……………………………………………………………………13
3.3报警电路……………………………………………………………………14
3.4报警发射电路………………………………………………………………15
4程序………………………………………………………………………………17
5结束语…………………………………………………………………………20
参考文献……………………………………………………………………………20
绪论
1概述
电力机车弯道速度遥控技术是铁道部门发展的重要技术之一,它的发展直接制约着电力机车速度和运行效率的提高。
近年来,随着电力、电子技术的发展以及人们对铁道部门的要求也是越来越高,电力机车的发展也取得了巨大的技术进步。
在铁道部门,注重于速度的同时,电力机车运行的安全问题一直被置于首要位置。
脱轨问题,一直是弯道处的机车行驶的常见问题,更是安全问题的重中只重。
因此,在现今注重安全与速度的方面,电力机车的弯道速度遥控又被提上了研究日程。
在电力机车弯道速度遥控系统中,单片机接收控制系统是整个系统的中心环节,它的好坏直接关系到了电力机车弯道运行时效率的高低。
为了乘客的生命安全着想,我们必须考虑到一切有可能发生的问题。
在电力机车将要进入弯道时,单片机接收信号后提醒司机减速,即便是司机没有察觉,我们也可以通过单片机接受控制系统,对电动机车进行制动控制,强行对电动机车进行减速。
从而避免一切即可发生的人为故障问题。
从而在提高速率的同时,把乘客的生命财产损失降到最低程度。
1.1国内外研究综述
电力机车的普及和推广促进了该系统各项技术的突破。
根据网络资源以及相关资料调查,类似本课题的项目在国内外有一定的研究成果。
各种具有类似单片机接收控制系统功能的装置也就应运而生。
单片机控制系统是以MCS-51系列单片机芯片为核心,运用电子技术和脉宽调制以及解调技术,根据接收发送信号以及当前电力机车弯道速度遥控的新要求,设计了电力机车弯道速度遥控的单片机控制系统,以便于电力机车能够顺利通过弯道,并且更能准确的确定电力机车现时的行程情况。
这样不仅能人性化的显示出司机的超作能力,而且在司机超作失误的条件下,单片机接收控制系统更能够采用制动程序,从而更加完整的确定乘客的安全问题。
1866年,德国工程师西门子与技师哈卢施卡联营创立电机公司,发明强力发电机,制成世界上第一列电力机车。
第二年在巴黎博览会上展出,震惊了许多人。
1879年,在柏林的工商业博览会上,这辆世界最早的电力火车公开试运行。
列车用电动机牵引,由带电铁轨输送电流,功率为3马力,一次可运旅客18人,时速7公里。
两年之后1881年,柏林郊外铺设了规模虽小,但为世界最初营业用的电车路线。
同时德国又试验成功驾空接触导线供电系统,使电力机车的供电线路由地面转向空中,机车的电压和功率都大大提高。
1895年,在美国的巴尔的摩一俄亥铁路线上首次出现了长途电力机车。
机车重96吨,1080马力,采用550V直流供电。
1901年,西门子、哈卢施卡电机公司制造的电力机车在柏林附近创造了时速160公里的记录。
与此同时,在1880年,美国爱迪生也进行了电车的实验。
中国第一台电力机车于1958年诞生于湖南株洲,命名为“韶山”,为中国铁路步入电气化立下了汗马功劳。
电力机车由于速度快、爬坡能力强、牵引力大、不污染空气,因此发展很快。
地下铁路也随着电车的出现而得以发展
1.2设计理论基础
该中心单片机控制装置是以MCS-51系列单片机为核心,采用无线遥控发射一接收元件作为机车到达弯、岔道的检测元件,以单片机接受的信号进行一系列的分析,从而使单片机中心控制部分对电力机车的行驶状况进行精确的调整,由单片机根据接收到的不同位置的编码信号,使系统发出相应的信号进行速度调整.
电力机车在即将到达弯道时,即在一定的指定地点,电力机车上的单片机将接受到即将减速的信号,此时通过报警系统提醒司机减速,让司机手动减速从而达到安全速度以内。
但是,在数以万记的弯道运行时,有时司机会疏忽减速报警,在此种情况下,单片机中心控制系统就要在报警5秒后,就自己进行另一个指令,自动控制电力机车进入制动减速,从而避免由于速度过快而使电力机车脱轨的灾难。
当然,为了避免司机再次出现这种疏忽,单片机控制系统需要将这些信号全都发送到前后车站的控制室。
系统的具体设计要求为:
1.电力机车弯道速度遥控系统电子控制线路的各个电路模块,电子器件组成及参数设置;
2.主要设计报警控制系统的电子线路,分析其控制原理;
3.要求报警信号发射辐射100公里;
4.设计的报警系统要与整个弯道速度遥控系统相配合,共同完成控制功能;
5.完成整个系统线路的调试工作。
1.3SS3B型电力机车简介
韶山3B(SS3B)型电力机车是大功率半导体整流、客货运两用干线电力机车。
其电流制为工频单相交流。
牵引及制动功率大,起动平衡,加速快,工作可靠,司机室工作条件良好,污染少,维修简便。
SS3B型电力机车为大功率硅半导体桥式全波整流,采用调压开关与晶闸管相控结合的平滑调压,牵引特性为恒流控制特性。
具备加馈电阻制动特性,比SS3型机车具有更优越的制动特性。
机车采用脉流串激式4极牵引电动机,大面积立式百叶窗车体通风方式。
车内设备按斜对称空间布置,采用成套组装,有双边走廊。
SS3B型电力机车由两节完全相同的六轴机车通过机械、电气和制动空气管路采用固定重联方式,组成一个完整的十二轴重载货运机车,可在其中任意一节机车的司机室内对全车进行统一控制。
两节机车亦可分开,作为一台六轴机车独立应用。
每节机车均是在SS3型机车基础上,取消一个司机室。
机车增加了列车控制网络(TCN)系统,不但减少了大量的硬联线,而且机车各主要部件的工作状态和故障信息均可在彩色液晶显示屏上显示,因此,提高了机车的先进性、可靠性以及使用与维修的方便性。
机车设备布置与通风系统以单节车为单元。
每节车划分为如下七大区域,即司机室、1号辅助室、1号高压室、变压器室、2号高压室、2号辅助室、3号辅助室、车顶设备和车下设备等。
司机室设在每台机车的两端,重联端未设司机室。
司机室主体结构和司机室内设备布置与SS4改机车规范司机室基本一样。
最前端布置有操纵台,操纵台上设有司控器、制动机、各种仪表、开关和指示灯以及彩色液晶显示屏。
操纵台右柜内布置有重联控制器。
司机室顶部还装有空调装置。
SS3B型机车主电路与SS3机车相比,增加了高压连接器、高压隔离开关、网压表、降压变压器、高压变压器、高压互感器用自动开关。
受电弓、真空断路器均采用进口产品。
辅助电路则每节机车压缩机采用一台螺杆式压缩机。
采用三极自动开关代替辅保装置,保护辅机过流。
机车控制电路与SS3型机车相比,机车控制采用了LCU、微机柜和网络控制技术。
2系统设计
2.1总体设计
2.1.1电力机车铁路接触网模式选择
电力机车铁路接触网良好的选择,是整个电力机车运行是重要环节,因此我们应慎重的选择接触网。
随着电气化铁路快速发展和客运专线不断的提速,对接触网安全提出了更高的要求,其涉及多学科,多专业的综合性先进新技术领域,集中反映了客运运输组织等多方面的技术进步。
作为牵引供电系统的主体接触网,其性能的优劣直接决定着电力机车受电弓的受流质量,最终影响列车的运行速度与安全。
悬挂类型是高速电气化铁路接触网设计,施工和运营维护的最主要技术参数。
高速电气化铁路接触网对悬挂类型的要求是:
受流质量能够满足运营要求,安全可靠,少维修,故障率低以及工程造价低。
目前国外高速铁路接触网主要有三种悬挂类型:
以日本为代表的复链型悬挂;以德国为代表的弹性链型悬挂;以法国为代表的简单链型悬挂。
不同悬挂类型的性能的比较如下表:
表一:
特性
复链型悬挂
弹性链型悬挂
简单链型悬挂
受流性
好
好
稍差
维修性
差
较差
好
经济性
差
较好
好
故障率
少
较多
较少
寿命
长
长
长
从上表可以看出来,从受流质量来看,复链型悬挂最好,弹性链型悬挂次之,简单链型悬挂稍差。
接触网悬挂的一个重要指针就是弹性均匀。
简单链型悬挂弓网之间的定位点处动态接触分散性较大,弹性不均匀度较大,该点处容易造成一种有害的物理现象——“硬点”,为缓和硬点造成的影响,应该减轻定位器的重量。
受电弓通过该点时,加大了导线和受电弓滑板的异常磨耗,当“硬点”大于60G时,受电弓瞬间脱离接触线,使受电弓不能正常受流,在硬点下形成火花和拉弧现象。
但是,如果适合加大简单链型悬挂接触线的张力,采用缓冲阻尼装置,以改善受点弓的共振特性,提高接触网波动传播速度(加大接触线的补偿张力),并对接触导线跨中预留适当的弛度F,施工偏差不应大于5mm,在高速状态下,接触线的预留弛度的跨距值的0.05%,则可以降低接触网弹性不均匀,从而使受电弓运行轨迹趋于水平状态,消除受电弓与接触线间的拉弧现象,改善受流质量。
由于简单链型悬挂具有结构简单,安全可靠,工程造价低,安装调整维修费少等优点,我国的高速电气化铁路接触线网宜选用简单链型悬挂。
2.1.289C51单片机
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上,但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件:
CPU、内存、内部和外部总线系统,目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器,实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲:
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件
图189C51管脚图
2.1.3单片机最小系统
如图2所示,89C51的外部通过18,19脚连接一个晶振和两个电容,构成振荡电路,可以为单片机提供时钟频率。
9脚通过一个10kΩ电阻和一个10μF的电容构成了一个简单的复位电路,EA接高电平,ALE、PSEN信号不用,这样就构成了一个单片机最小系统。
这个最小系统未设复位键,系统加电时自动复位。
图2单片机最小系统
2.1.4单片机控制系统的安装位置
鉴于单片机接受控制系统主要功能是接受信号和控制电力机车的运行,在工作时,它不仅需要控制报警系统直接向司机进行报警还需要接受发送来的信号进行判断分析,所以该系统安装的最佳位置就在电力机车的司机室内,即车头出的控制室。
2.1.5位置传感器的选择
位置传感器【positionsensor】用来测量机器人自身位置的传感器。
位置传感器可分为两种,直线位移传感器和角位移传感器。
其中直线位移传感器常用的有直线位移定位器等,具有工作原理简单、测量精度高、可靠性强的特点;角位移传感器则可选旋转式电位器,具有可靠性高、成本低的优点。
角位移器还可使用光电编码器,有增量式与绝对式两种形式。
其中增量式码盘在机器人控制系统中得到了广泛的应用。
位置检测传感器的最佳选择是选用无接触传感器。
对红外传感器和无线电遥控传感器都进行了实验研究对比,最终决定选用无线电遥控传感器。
如下传感器电路图:
图3传感器电路图
2.2单片机接收电路方案
过去信号的接收主要是一些模拟系统电路或数字系统电路,这些电路中模拟系统电路接收信号大部分属于短距离发送和接收的信号,但不论怎样,这些信号几乎都是无法进行综合处理。
然而随着近代技术的发展,单片机在电路中的应用愈加频繁,而且这些以单片机为中心的控制电路,不仅简化了电路,而且更加使电路的价格更加低了。
通过一个简单的单片机,不仅使电路更加的精确化,人性化,而且使电路更加的清晰,可观。
就是由于这种情况,本课题选用了89C51单片机为整个系统的中心控制系统。
2.3单片机装置的工作过程
单片机接收装置的传感器经编码设置后安装在电力机车的车头处,而其电力机车的所需的供电电源取自电网,发射和接收传感器功率应足够大,保证发射和接收信号辐射范围100公里。
当电机车行驶到弯道10公里处时,安装于电机车车头处的接收传感器就可接收到无线电编码信息,经控制器处理后进行响应的工作,在接收到信号起初,立即接通语音报警系统,让司机进行减速处理。
如果电力机车司机疏忽未进行减速时,单片机会将处理过的信号电力机车的制动系统,从而降低速度让电力机车的行驶速度达到弯道行驶的安全速度范围内。
与此同时,有电力机车向前后车站发送电力机车的弯道运行状况,从而让铁路总控制室更精确的掌握电力机车的运行情况,从而更好的对司机工作做好判断,以此保证电机车的安全运行。
电力机车弯道速度遥控——单片机接收控制系统的总框图如下:
图4总方框图
2.4单片机射频收发器件和微处理器特性
为了保证系统能够在较低电流消耗的情况下,有较高的发射功率和接收灵敏度,系统选用了Maxim公司的MAX1473接收芯片和MAX7044发射芯片。
MAX7044发射芯片工作电压为+2.1~6.0V,7.7mA的低工作电流,250μs的启动时间。
通信速率能达到100kbps,小封装3mm×3mm,8引脚SOT23封装。
它消除了基于SAW发送器设计的问题;采用晶体结构,提供了更大的调制深度和快速的频率响应机制;降低了温度的影响,温度范围可达-40~125℃。
MAX1473接收芯片采用3.3V锂电池供电,250μs启动时间,小于2.5μA的待机模式工作电流,-114dBm的灵敏度;采用TSSOP28引脚封装设计。
MC9RS08KA2作为Freescale公司新推出的一款集成多个功能的高性价比MCU,具有键盘中断和高达20MHz的内部时钟,以及8位模计数器,2KBFlash空间,63字节RAM;同时有等待和3种停止模式,满足系统的超低功耗设计(设计中电流小于1μA),以及简易的6引脚BDM编程调试接口,便于系统的实时升级。
设计中采用6引脚DFN精密小引脚封装,满足系统的小体积要求。
从单片机向外发送信号,主要是向该弯道前后的电力机车总站发送信号,从而确保电力机车总站更好的了解机车在弯道处的运行情况。
发送部分射频前端电路如图5所示。
图5发送部分射频前端电路
在电力机车快要达到弯道处时,会接到弯道处发送来的信号,从而进行对信号进行精确的控制。
接收部分射频前端电路如图6所示
图6接收部分射频前端电路
接收部分微处理器控制电路如图7所示。
图7接收部分微处理器控制电路
2.5单片机控制报警部分
在本设计中选择把声音和红外线作为采集信号,所以用集成声音传感器PS-2109和红外传感器BH用作采集系统的敏感元件。
数据采集模块的电路图如图5所示,A/D转换电路采用常用的8位8通道数模转换专用芯片ADC0809.
ADC0809:
ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
主要特性:
8路8位A/D转换器,即分辨率8位;具有转换起停控制端;转换时间为100μs;单个+5V电源供电;模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准;工作温度范围为-40~+85摄氏度;低功耗,约15mW。
引脚功能:
ADC0809芯片有28条引脚,采用双列直插式封装。
各引脚功能:
IN0~IN7:
8路模拟量输入端。
21~28:
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC:
3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路;
ALE:
地址锁存允许信号,输入,高电平有效。
START:
A/D转换启动信号,输入,高电平有效。
EOC:
A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。
OE:
数据输出允许信号,输入,高电平有效。
当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。
CLK:
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF(+)、REF(-):
基准电压。
Vcc:
电源,+5V。
GND:
地。
ADC0809的工作过程是:
首先输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换,之后EOC输出信号变低,指示转换正在进行。
直到A/D转换完成,EOC变为高电平,指示A/D转换结束,结果数据已存入锁存器,这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时,输出三态门打开,转换结果的数字量输出到数据总线上。
声音、红外线传感器的输出端分别接到图8(a)ADC0809的IN0和IN1。
由图8可知ADC0809的通道选择地址A,B,C分别由89C51的P0.0~P0.2经图8(a)ADC0809内部结构图
地址锁存器74LS373输出提供。
当P2.7=0时,与写信号WR共同选通ADC0809。
图8中ALE信号与ST信号连在一起,在WR信号的前沿写入地址信号,在其后沿启动转换。
例如,当输出地址为7FF8H即可选通通道IN0,实现对声音传感器输出的模拟量进行转换;输出地址7FF9H即可选通道IN1,实现对红外线传感器输出的模拟量进行转换。
图8中ADC0809的转换结束状态信号EOC接到89C51的INT1引脚,当A/D转换完成后,EOC变为高电平,表示转换结束,产生中断。
在中断服务程序中,将转换好的数据送到指定的存储单元。
图8ADC0809引脚图
下图为单片机控制报警过程图:
图9单片机控制报警过程
3其他部分电路
3.1发射电路
早期的发射机较多使用LC振荡器,频率漂移较为严重。
声表器件的出现解决了这一问题,其频率稳定性与晶振大体相同,而其基频可达几百兆甚至上千兆赫兹。
无需倍频,与晶振相比电路极其简单。
以下两个电路为常见的发射机电路,由于使用了声表器件,电路工作非常稳定,即使手抓天线、声表或电路其他部位,发射频率均不会漂移。
和图一相比,图二的发射功率更大一些。
发射距离可达200米以上。
图10发射电路图
3.2接收电路
接收机可使用超再生电路或超外差电路,超再生电路成本低,功耗小可达100uA左右,调整良好的超再生电路灵敏度和一级高放、一级振荡、一级混频以及两级中放的超
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