机车冲动检测仪设计.docx
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机车冲动检测仪设计.docx
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机车冲动检测仪设计
密级:
NANCHANGUNIVERSITY
学士学位论文
THESISOFBACHELOR
(2011—2015年)
题目:
机车冲动检测仪设计
学院:
信息工程学院系自动化系
专业班级:
测仪111
学生姓名:
方正宇学号:
5801211050
指导教师:
张宇职称:
讲师
起讫日期:
2015-3——2015-6
南昌大学
学士学位论文原创性申明
本人郑重申明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式表明。
本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。
作者签名:
方正宇日期:
2015.6.1
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□,在年解密后适用本授权书。
本学位论文属于
不保密□。
(请在以上相应方框内打“√”)
作者签名:
董艳洁日期:
2015.6.1
导师签名:
日期:
机车冲动检测仪设计
专业:
测控技术与仪器学号:
5801211050
学生姓名:
方正宇指导老师:
张宇
摘要
在机车的行驶过程中,旅客的舒适度与列车司机操作是否平稳有很大的关系。
如果机车在行驶过程中纵向加速度过大,轻则乘客感到不适,重则酿成严重事故。
故而一套考核司机驾驶水平的仪器至关重要,可以确保铁路交通的服务质量和旅客安全性。
本文基于STC89C52单片机设计了一套关于加速度的采集,检测,显示于一体的解决方案。
本设计采用的是ADXL345加速度传感器,基于嵌入式单片机开发平台,在进行AD转换后,将数据传送到PC机上,可以实时显示机车运行时的加速度数值。
并在PC机上对数值进行分析与监测,同时也可以在PC机进行联机工作,进行离线在线的分析,打印报表等。
本文首先介绍了课题的研究背景与意义,机车冲动的危害。
然后设计系统的机构及其原理。
最后是关于硬件电路的设计和软件的代码编写,并进行总结。
本系统具有高可靠性,非常高的性价比,功能齐全,方便携带,人机交互良好并且方便外围扩展。
关键词:
机车冲动;通信;ADXL345加速度传感器;STC89C52;LCD显示器
第1章绪论
1.1课题研究的背景与意义
在最近的几年时间里面,我国铁路发展速度飞快,尤其是在高速铁路建设上面,获得了令人瞩目的成就。
在铁道部的制动改革以后,高速铁路建设发展进入了另一个阶段,就是从国内市场走向国外市场。
《2013-2017年中国铁路行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》研究显示:
中国电气化铁路总里程在54年突破5.1万公里,超越了原电气化铁路世界第一的俄罗斯,跃升为世界第一位。
初步统计,2012年新开工电气化铁路约为1450公里,较上年上升了近80%[1]。
由此可知,高速铁路是未来发展的趋势,故而舒适安全的高速铁路运输至关重要。
人们在满足廉价的交通消费情况下也对舒适度的要求很高,这个时候一套安全便捷的冲动检测仪器就显得十分重要了。
机车在运行的过程中机车的平稳性就是度量舒适度的一个重要指标,机车冲动不仅仅是影响旅客在乘车期间的舒适性而且剧烈的冲击甚至会给旅客、行车及机车设施造成不同程度的损伤,有些冲动事件还涉及到经济赔偿和国家声誉[2]。
如何改善机车在行驶过程中产生的冲动问题就变成了头等大事了,为了进一步提高乘客旅客列车的舒适度,针对机车提速后纵向冲动家居问题国家铁道部也专门成立了小组对其进行专题研究,以研究产生的原因和解决的方案。
引起机车纵向冲动的原因有很多,根据纵向动力学理论分析与实际的实验结果可知,引起机车纵向冲动非稳态运行过程主要可以概括为四种:
1、机车启动时,牵引力传输引起纵向冲动的启动工况。
2、调车作业时机车车辆间相互冲撞引起纵向冲动的调车作业工况。
3、机车制动或制动缓解过程汇总,制动力传输引起纵向冲动的制动工况。
4、列车运行时,线路断面变化引起纵向冲动的线路断面变化工况等。
旅客列车的纵向冲动受多方面因素的影响,按其变化情况,可以分为在运行过程中保持不变的因素(列车编组情况及有关的初始条件,钩缓类型和车钩间隙,风挡型式,机车车辆制动机的类型,基础制动型式等)和在运行过程中随时间变化的因素(空气制动系统各部分的压力分布情况,闸瓦或闸片摩擦系数,温度,基础制动装置的效率,机车的动力制动力,列车的运行阻力,线路纵断面的坡度和曲线情况等)两大类[3]。
近年来,随着计算机技术、嵌入式技术和机电一体化技术的成熟与广泛应用,各种智能仪器[4]已经广泛渗入到各个领域。
而仪器设备的虚拟化、智能化,数据采集系统的PC化是当代计算机信息技术发展的一种趋势。
新型机车冲动检测仪就在这种背景下应运而生。
1.2国内外研究现状
未来几年,中国高铁的建设将会进入全面收获期[5]。
到时候我国高铁网络将初具规模。
邻近的省会城市将形成1至2小时的交通圈、省会与周边城市形成半小时至一小时的交通圈。
北京到全国绝大部分省会城市将形成8小时以内的交通圈。
到2015年,我国铁路营业里程将达到12万公里以上。
其中,新建高速铁路将达到1.6万公里以上;加上其他新建铁路和既有提速路线,我国铁路快速客运网将达到五万公里以上,连接所有省会城市和50万人口以上城市,覆盖全国90%以上的人口,“人便其行、货畅其流”的目标将变成现实。
高铁的发展在面向21世纪的中国可持续发展战略中,将产生深远的意义和影响。
就舒适度而言,国外那些个发达国家早在五六十年代就已经进行了了大量的实验用来来检测旅客对于机车舒适度的感受,并且根据这些实验的数据建立完善的旅客列车乘坐舒适性的标准。
我国在这些评测指标上,基本是参考国外标准,而且对于如何检测这些指标,我们也相当落后。
国内传统考核司机的办法是“木棒检测法”,选用那些密度较大的均匀杂木,将其制成5根长度相同、截面为正方形但面积不同的木棒。
长度为150mm,截面边长分别为30mm、27mm、25mm、20mm、18mm。
木棒的端面要求平整且有一定的粗糙度。
再另外做一个木盒,底面是比较光滑的玻璃,拿木板隔离成5个档位,如图1.1所示。
具体的测试方法就不细说了。
1.3论文研究的主要内容
本文的主要内容如下:
1.分析本课题研究背景、国内外发展状况及意义;
2.针对目前检测方式的落后和不确定性等问题,设计选用数字化智能仪器方案,以实现冲动的检测、记录、分析全自动化;
3.设计完成数据采集装置。
包括设计加速度采集电路、丰富的外围通信接口和显示模块,以实现传感器与处理器之间的数据传输,数据处理后的结果显示。
4.采用keil开发环境,运用C语言编程,结合硬件的设计原理,完成软件系统的设计,从而实现软硬件相结合,实现冲动智能化检测的目的;
5.对本次课题设计进行全面的总结,分析本课题的设计思路,指出本设计的不足之处并提出相应的完善措施。
第2章系统结构及方案设计
2.1系统简介
该系统的功能就是用来实时监控机车行驶过程中的加速度,使用加速度传感器采集信号然后再经过单片机分析处理后显示出来,传输到PC机或者远端供工作人员监控和分析。
为了便于在列车上使用,故该套装置体积越小越好,功能越方便越好,所以采用了嵌入式设计方案。
并直接用USB输出的5V电压进行供电。
2.2系统工作原理
本系统主要由数据采集模块(传感器装置)、数据分析处理模块、显示模块和通信模块组成。
数据采集模块任务是按一定的采样频率对机车加速度信号进行采集;处理器的应用程序负责分析、处理数据,将传感器采集到的信号转化为对应的加速度值;显示器将由处理器传送过来的加速度值显示出来,串口通信负责把单片机采集到的数据发送给PC机。
系统结构框图如下所示:
图2-1系统结构框图
2.3系统方案设计
如上所述,本系统主要由数据采集模块(传感器装置)、数据分析处理模块、显示模块和通信模块组成。
为实现各模块的功能,分别做了几种不同的方案设计并进行论证。
2.3.1微处理器的选择
方案一:
STC89C51RC[6]是采用8051核的ISP(InSystemProgramming)在系统可编程芯片,该芯片的最高工作时钟频率是80MHz,片内含8KBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,具有在系统可编程(ISP)特性,配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部,省去了购买通用编程器,而且速度更快。
STC89C52RC系列单片机是单时钟/机器周期(1T)的兼容8051内核单片机,是高速/低功耗的新一代8051单片机,全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MAX810专用复位电路。
主要特点如下:
(1)增强型1T流水线/精简指令集结构8051CPU
(2)工作频率范围:
0-35MHz,相当于普通8051的0~420MHz.
(3)用户应用程序空间12K/10K/8K/6K/4K/2K字节
(4)片上集成512字节RAM
(5)ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片
(6)EEPROM功能
(7)有2个16位定时器/计数器
(8)PWM(4路)/PCA(可编程计数器阵列),也可用来再实现4个定时器或4个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可支持)
(9)STC89Cc516AD具有ADC功能。
10位精度ADC,共8路
(10)通用异步串行口(UART)
(11)SPI同步通信口,主模式/从模式
(12)工作温度范围:
0-75℃/-40-+85℃
方案二:
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核,但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能:
8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4KBEEPROM,MAX810复位电路,3个16位定时器/计数器,4个外部中断,一个7向量4级中断结构(兼容传统51的5向量2级中断结构),全双工串行口。
另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz,6T/12T可选。
主要特点如下:
(1)增强型8051单片机,6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择,指令代码完全兼容传统8051.
(2)工作频率范围:
0~40MHz,相当于普通8051的0~80MHz。
(3)用户应用程序空间为8K字节
(4)片上集成512字节RAM
(5)ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器,无需专用仿真器,可通过串口(P3.0,P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片。
(6)具有EEPROM功能
(7)共3个16位定时器/计数器。
即定时器T0、T1、T2
(8)通用异步串行口(UART),还可用定时器软件实现多个UART
(9)工作温度范围:
-40~+85℃(工业级)/0~75℃(商业级)
通过比较STC89C51和STC89C52本质上没有太大的区别,成本也差不多,选择任意一款都能实现本设计相应功能,本设计中我选择STC89C52作为本设计的主控芯片。
2.3.2传感器的选择
方案一:
ADXL330是美国模拟器件公司(ADI)推出的一款带有信号调理电路,可提供模拟电压输出的小量程、小尺寸、低功耗3轴加速度计[7]。
ADXL330将iMEMS(微机电系统)传感器结构与信号调理结合在一起,功耗电流降低至200μA(在2.0V电源电压下)。
ADXL330采用4mm×4mm×1.45mm小型封装,工作电压2.0V~3.6V,典型工作电压3.0V,集成了一个坚固的3轴传感器结构及其信号调理电路,可提供模拟电压输出,测量动态范围是±3g。
输出的模拟电压信号与加速度成正比。
它不仅可以测量静态加速度(如某个斜坡上的加速度),还可以测量动态加速度(如物体在移动、震动时产生的加速度),具有10000g额定耐冲压强度,具有良好的0g偏压稳定性和良好的灵敏度。
方案二:
ADXL345[8]是ADI(AnalogDevices,Inc.)公司发布的一款数字式三轴加速度传感器,也是该公司第一款输出数码信号的加速度传感器。
ADXL345最大量程可以达到±16g,可以进行高分辨率(13位)测量。
数字输出数据为16位二进制补码的形式,可通过SPI(3线或4线)或者I2C数字接口访问。
ADXL345可以在倾斜感测应用中测量静态重力加速度,还可以从运动或者振动中生成动态加速度。
它的高分辨率(4mg/LSB)能够分辨仅为0.25°的倾角变化。
动态和静态感测功能可以检测有无运动发生,以及在任何轴上的加速度是否超过用户设置的水平。
一个集成的32级FIFO可储存多达32个X、Y和Z数据样本集,从而最小化对主处理器的影响。
ADXL345采用14引脚塑料封装,具有3mm×5mm×1mm的小巧纤薄的外形尺寸,是符合RoHS规定的无铅产品[13]。
ADXL345的主要性能指标如下:
(1)超低功耗,测量模式电流为40μA,2.5V(典型值)供电等待模式下电流仅为0.1μA;
(2)量程可选择±2g(10bit),±4g(11bit),±8g(12bit),±16g(13bit),精度达到了4mg/LSB;
(3)供电范围2.0V-3.6V;
(4)SPI模式(3线或4线)或I2C模式通信接口;
(5)32级FIFO协调与处理器的通信;
(6)带宽达到1.6KHz;
(7)使用温度范围-40℃-85℃;
(8)可以接受10000g的冲击;
(9)适用于手持设备、工业监控、医疗器械、个人导航设备等。
综上所述,ADXL345功耗更低,输出为数字信号,测量范围大,分辨率高,故选用ADXL345作为本系统的传感器。
2.3.3通信方式的选择
ADXL345传感器可通过SPI(3线或4线)或者I2C数字接口访问。
本设计在加速度传感器与单片机之间的数据传输是采用I2C通信方式,单片机与PC机之间使用MAX232进行与串口通信。
[9]
2.3.4显示器的选择
方案一:
LED灯显示
LED按显示方式可分为静态显示和动态显示。
静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能,单片机将要显示的数据送出后就不再控制LED,直到下一次显示时再传送一次新的数据。
只要当前显示的数据没有变化,就无需理睬数码管显示。
静态显示的数据稳定,占用CPU时间少[10]。
静态显示中,每一个显示器都要占用单独具有锁存功能的I/O口,该接口用于笔画段字形代码。
这样单片机只要把显示的字型数据代码发送到接口电路,该字段就可以显示要发送的字型。
要显示新的数据时,单片机再发送新的字型码。
另一种方法是动态扫描显示,是用接口电路把所有显示器的8个笔画字段(a-g和d-p)同名端连接在一起,而每一个显示器的公共极各自独立接受I/O线控制。
CPU向字段输出端口输出字型码时,所有显示器接收相同的字型码,但究竟使哪一位则由I/O线决定。
动态扫描用分时的方法轮流控制每个显示器的公共极,使每个显示器轮流点亮。
在轮流点亮的过程中,每位显示器的点亮时间极为短暂,但由于人的视觉暂留现象及发光二级管的余辉效应,给人的印象就是一组稳定的显示数据。
方案二:
LCD显示器
LCD是液晶显示器的缩写,它是一种被动式的显示器,即液晶本身并不发光,而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性,从而达到白底黑字或者黑底白字显示的目的。
液晶显示器具有功耗低、抗干扰能力强等优点,因此被广泛应用在仪器仪表和控制系统中。
综上所述,与LED相比,LCD具有很多优点,所以选择LED作为本系统的显示器。
2.3.5电源电路的选择
方案一:
采用USB接口,由PC机输出5V电压,为单片机供电;采用LM11173.3V稳压芯片将5V电压转换为3.3V,为ADXL345传感器供电。
方案二:
采用飞思卡尔7.2V充电电源,采用LM2940三端稳压芯片将7.2V转换为5V电压输出,为单片机供电;采用AMS11173.3V三端稳压芯片将5V电压转换为3.3V,为ADXL345传感器供电。
考虑到设计的简便性和模块自带的LM1117稳压芯片,所以采用方案一来实现供电功能。
2.4本章小结
通过控制芯片、传感器、显示部分的对比和分析,对本设计的主要器件进行论述,最终确定了各部分所用的元器件。
本系统数据采集模块以AD公司的数字式加速度传感器ADXL345来实时监测列车运行时的加速度或冲动信号并将其转换为数字信号输出。
数据分析处理模块以STC89C52单片机为微处理器,并通过适当的外接扩展电路采集并处理冲动数据以及实现结果数据的送显;通信模块以美信(MAXIM)公司专门RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片MAX232为电平转换芯片;显示模块以LCD1602液晶显示器实现数据结果的显示;电源模块PC机输出的5V供电。
第3章系统硬件设计
3.1电源电路模块
电源模块电路的作用主要是提供系统工作的电源LM1117稳压电路的作用将5V电压转换为3.3V输出,电路由LM1117,22uF的CT3、CT4电解电容,100nF的C3、C4电容组成。
电源模块电路图如下所示:
图3-1电源模块电路
3.2单片机主控电路模块
3.2.1单片机介绍
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程FLASH存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核,但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C21内部接口框图如下图所示:
图3-2STC89C52系列单片机的结构框图
3.2.2单片机主控电路
STC89C52单片机有40个引脚,36个引脚具有I/O功能。
40引脚接电源,提供单片机电源,20引脚接地,18、19引脚接晶振两端,这4个引脚组成最简单的单片机最小系统。
总共有5个模块,加速度采集模块电路、单片机主控模块电路、液晶显示模块电路、电源模块电路、串口通信模块电路。
P0口和P3.5、P3.6、P3.7引脚接1602液晶用于液晶显示模块;P3.0、P3.2接ADXL345传感器用于加速度采集模块;P3.0、P3.1用于与PC机进行串口通信用于串口通信模块。
单片机采用5V供电,SW1、R3和CT5构成复位电路。
时钟频率低于12MHz时,可以不用C1,R1接1K电阻到地;时钟频率高于12MHz时,建议使用第二复位功能脚。
本系统使用12M晶振,所用使用了第一复位引脚,实际证明也是可行的。
当SW1按键按下时,单片机复位一次。
图3-3单片机主控电路模块
3.3数据采集模块电路
3.3.1加速度传感器ADXL345介绍
ADXL345是一款,分辨率高(13位),测量范围达±16g小而薄的超低功耗3轴加速度计。
数字输出数据为16位二进制补码格式,可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接口访问。
正在申请专利的嵌入式存储器管理系统采用FIFO技术,可用于存储数据,从而将主机处理器负荷降至最低,并降低整体系统功耗[11]。
电源电压范围:
2.0V至3.6VI/O电压范围:
1.7V至VS。
超低功耗:
VS=2.5V时(典型值),测量模式下低至23ìA,待机模式下为0.1uA,功耗随带宽自动按比例变化.低功耗模式支持基于运动的智能电源管理,从而以极低的功耗进行阈值感测和运动加速度测量。
ADXL345非常适合移动设备应用。
它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度,还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。
其高分辨率(3.9mg/LSB),能够测量不到1.0°的倾斜角度变化[12]。
应用范围:
手机、医疗仪器、游戏和定点设备、个人导航设备、硬盘驱动器(HDD)保护、应用、单电源数据采集系统、仪器仪表、过程控制、电池供电系统、医疗仪器。
ADXL345内部接口框图如下图:
图3-4ADXL345内部接口框图
3.3.2加速度计模块电路
加速度计电路由10K的上拉电阻[13]R3、R6,10K的R4,R5,R7和ADXL345加速度传感器组成,如下图所示。
本系统采用I2C模式[[14]访问,ADXL345处于I2C模式下,CS引脚拉高至VDDI/O,支持单个或多个字节的读取/写入。
ALTADDRESS引脚(引脚12)接地,可以选择备用I2C地址0x53(随后为R/W位)。
这转化为0xA6写入,0xA7读取。
图3-5加速度计模块
3.4液晶显示模块电路
3.4.1液晶显示图形和字符的原理[14]
线段的显示:
点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成,假设LCD显示屏有64行,每行有128列,每8列对应1字节的8位,即每行由16字节,共16×8=128个点组成,屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应,每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。
例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定,当(000H)=FFH时,则屏幕的左上角显示一条短亮线,长度为8个点;当(3FFH)=FFH时,则屏幕的右下角显示一条短亮线;当(000H)=FFH,(001H)=00H,(002H)=00H,……(00EH)=00H,(00FH)=00H时,则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。
这就是LCD显示的基本原理。
用LCD显示一个字符时比较复杂,因为一个字符由6×8或8×8点阵组成,既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节,还要使每字节的不同位为“1”,其它的为“0”,为“1”的点亮,为“0”的不亮。
这样一来就组成某个字符。
但由于内带字符发生器的控制器来说,显示字符就比较简单了,可以让控制器工作在文本方式,根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址,设立光标,在此送上该字符对应的代码即可。
本系统使用长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器[15],该显示器专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD。
1602LCD分为带背光和不带背光两种,基控制器大部分为HD44780,带背光的比不带背光的厚,是否带背光在应用中并无差别。
1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形,这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A
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