毕业设计（论文）-轨道压力测量系统设计（全套图纸）.pdf

本科毕业设计(论文) 题目：轨道压力测试系统的设计 院 系： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 2016 年 3 月 I 摘摘 要要 轨道电路是信号联锁的室外重要设备， 起着保证行车和调车作业安全的 作用。它能监督检车某一固定区段内的线路是否有列车运行、调车作业或车 辆占用的情况，并能显示该区段内的钢轨是否完整。它是以钢轨为导线，轨 缝简用接续线连续起来，一端接电源，另一端连接受电器，通过轨道电流来 工作。 本文将以单片机为核心设计了轨道压力测试系统的结构图、程序指令、 流程图等等， 在保留了原始轨道压力测试系统的基本功能的同时又增加了一 系列的实用功能并简化其电路结构，其将以控制方便，灵活，只要改变输入 单片机的控制程序，便可以控制轨道压力测试系统，方便，简洁。 关键词关键词 单片机控制系统 可靠性 系统 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 III Abstract The track circuit is an important equipment of outdoor signal interlocking system, and plays to ensure traffic safety of shunting operation function. It can within the supervision and inspection of a fixed section line whether occupied by the train operation and shunting operation or vehicle, and can display the section of the rail is complete. The rail is a conducting wire, and the rail joint is continuously connected with a continuous line, one end is connected with a power supply, and the other end is connected with the electric appliance. The single- chip microcomputer as the core design of rail pressure test system structure diagram, program instructions, flow charts, and so on, while retaining the original rail pressure test system the basic function and added a series of practical function and simplify the circuit structure, it will to facilitate the control, flexible, as long as the change in the input of the MCU control procedures, they can control rail pressure testing system is convenient. Keywords Singlechip microcomputer Forging machine IV 目目 录录 摘要. I Abstract. II 1 绪论 . 1 1.1 课题的研究背景和历史意义 . 1 1.2 轨道压力测试系统的功能 . 2 1.3 应用单片控制系统优点. 3 2 系统的组成及其工作原理. 4 2.1 单片机的作用和功能 . 6 2.2 单片机的应用场合 . 8 3 硬件系统的设计. 10 3.1 电源电路设计 . 12 3.2 采样电路设计 . 13 3.3 显示与报警电路设计 . 14 3.4 传感器的工作原理 . 14 3.5 故障检测及显示系统的构成 . 14 4 系统软件的设计. 16 4.1 采样与数据处理 . 17 4.2 数据处理算法设计 . 19 4.3 程序流程图 . 21 4.4 程序源代码的生成 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 结论. 23 致谢. 24 参考文献. 25 1 1 绪绪 论论 1.1 课题的研究背景和历史意义课题的研究背景和历史意义 单片机作为控制系统的核心部分，由于单片机体积小，使用方便的特点， 被应用在智能仪器上，再结合其他的传感器之类的，可以实现对温度、湿度等精 密量的测量，功能十分的强大。同样由于单片机的体积小、环境适应能力强和使 用方便等方面的优点，单片机也被普遍应用于工业控制上，比如多种多样的通讯 系统以及机器人等方面。此外，由于单片机的适应能力很强，所以在我们常用的 手机、电脑等物品上应用十分广泛。还有，医院的医疗设备如呼吸机等也有单片 机的广泛应用。还有就是汽车系统、物流系统、电力系统、通讯系统等都广泛应 用单片机。 由于机械工程的知识总量已经远远超越个人掌握所有， 一些专业知识是必不 可少的。但是过度的专业知识分割，使视野狭隘，可以多多参加技术交流，和参 加科研项目，缩小范围，提升新技术的进步和整个块的技术，提高外部条件变化 的适应能力。 封闭的专业知识的太狭隘， 考虑的问题太特殊， 在工作中协调困难， 不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越 来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。机械工程可以增加产量，提 高劳动生产率，提高生产的经济效益为目标，并研制和发展新的机械产品。在未 来，新产品的开发，降低资源消耗，清洁的可再生能源，成本的控制，减少或消 除环境污染作为一个超级经济目标和任务。机器能完成人的手和脚，耳朵和眼睛 等等器官完全不能直接完成的任务。现代机械工程机械和机械设备创造出更多、 更精美的越来越复杂，很多幻想成为过去的现实。人类现在能成为天空的上游和 宇宙， 潜入海洋， 数十亿光年的密切观察， 细胞和分子。 电子计算机硬件和软件， 人类的新兴科学已经开始加强，并部分代替人脑科学，这是人工智能。这一新的 发展已经显示出巨大的作用，但在未来几年还将继续创造出不可思议的奇迹。人 类智慧的增长并没有减少手的效果，而是要求越来越精致，手工制作，更复杂的 工作，从而促进手功能。又一方面实践促进人脑智力。在人类的进化过程中，以 及在每个人的成长过程中，大脑和手是互相促进和平行进化。 在第十九世纪，机械工程的知识总量仍然是有限的，大学在欧洲，它与一般 2 的土木工程是一门综合性的学科，称为土木工程，下半场的第十九个世纪成为一 门独立的学科。在第二十世纪，随着机械工程和知识增长的发展开始分解，机械 工程专业，有分支机构。在第二十世纪中期趋势分解，在时间之前和之后的第二 次世界大战结束时达到的峰值。 由于机械工程的知识总量已经远远从个人掌握所 有，一些专业是必不可少的。但是过度的专业知识使分割，视野狭隘，可以查看 和统筹大局和全球工程和技术交流，缩小范围，新技术的进步和整个块的技术， 外部条件变化的适应能力差。封闭的专业知识的专家太狭，考虑的问题太特殊， 在工作协调困难，不利于自我提高。 现在已能上游天空和宇宙， 下潜大洋深层， 远窥百亿光年， 近察细胞和分子。 新兴的电子计算机硬、软件科学使人类开始有了加强，并部分代替人脑的科技手 段，这就是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的影响，而在未来年代它还 将不断地创造出人们无法想象的奇迹。 产品的智能化与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系，其区别仅 在于人工智能的硬件还需要利用机械制造出来。过去，各种机械离不开人的操作 和控制，其反应速度和操作精度受到进化很慢的人脑和神经系统的限制，人工智 能将会消除了这个限制。计算机科学与机械工程之间的互相促进，平行前进，将 使机械工程在更高的层次上开始新的一轮大发展。 总结以往在轨道压力测试系统设计过程中的经验可知， 虽然测试的精确性可 以保证，但是方便性与精确性却很难同时达到，便捷的手持设备可以方便采集到 接近的数据，但不够精确又不耐腐蚀，使用寿命短，配合电子计算机的大型设备 又不能随身携带。 更为困难的是在路况非常负责的铁路运输干线中是不可能人工 采集方法获得数据的，我们无法安排足够的人力每天多次测量众多的铁路干线， 即使测试出来了，所测得的数据也不便于统计分析。因此基于单片机的轨道压力 测试系统的建设势在必得。 1.2 轨道压力测试系统的功能轨道压力测试系统的功能 本系统以 PIC16F876A 单片机为核心，通过软件编程实现其对数据处理、系 统实时控制。系统框图如图 1 所示，由主控 MCU 模块、A/D 采样模块、电源管理 模块、显示模块和传感器组成。轨道压力测试系统的组成结构图如下图 1 所示： 3 图 1 轨道压力测试系统的组成结构图 本系统各部分的主要功能是：电源管理主要负责对电池电压进行检测和升压 稳压，当电压低于 3V，系统停止工作，并进行欠压报警。主控 MCU 负责对采集 来的压力信号进行数学计算，将电压信号转换为压力值，在数码管上显示，并可 以进行手动调零及满量程调整。系统精度要求是0.1kN；可以进行超量程报警 和未接传感器报警。为了达到低功耗的目的，在软件中做了休眠和关机的功能。 1.3 应用单片控制系统优点应用单片控制系统优点 与传统的轨道压力测试系统相比，单片机在工业轨道压力测试系统上的优势 有以下几个方面： （1）高可靠性、强抗干扰能力的单片机控制系统作为现代大规模集成电路 技术的结果，采用了内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。 （2）完成，功能齐全，单片机控制系统开发的适用性，已形成了一个大， 中，小系列产品的所有大小。可用于各种规模的工业控制场合。 除了逻辑处理功能外，大多数现代单片机控制系统具有完善的数据运算能 力，可用于各种控制领域。 4 2 系统组成及其工作原理系统组成及其工作原理 2.1 单片机的作用和功能单片机的作用和功能 目前单片机渗透到我们生活的各个领域， 几乎很难找到哪个领域没有单片机 的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传 输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用 豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩 具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智 能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用 与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医 用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几 个范畴： 1.在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等 优点， 广泛应用于仪器仪表中， 结合不同类型的传感器， 可实现诸如电压、 功率、 频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理 量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起 采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分 析仪）。 2.在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的 智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统 等。 3.在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣 机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门， 无所不在。 4.在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为 在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件， 现在的通信设备基本 5 上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信 呼叫系统、 列车无线通信、 再到日常工作中随处可见的移动电话， 集群移动通信， 无线电对讲机等。 5.单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监 护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 6.在各种大型电器中的模块化应用 某些专用单片机设计用于实现特定功能，从 而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集 成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就 需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类 似于 ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。 在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、 错误率，也方便于更换。 7.单片机在汽车设备领域中的应用 单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如 汽车中的发动机控制器，基于 CAN 总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS 导航 系统，abs 防抱死系统，制动系统等等。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分 广泛的用途。 2.2 单片机的应用场合单片机的应用场合 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的 智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 1.在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、 扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的 传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、 长度、 硬度、 元素、 压力等物理量的测量。 采用单片机控制使得仪器仪表数字化、 智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设 备（功率计，示波器，各种分析仪）。 2.在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、 数据采 集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计 6 算机联网构成二级控制系统等。 3.在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片 机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到 电子秤量设备，五花八门，无所不在。 4.在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口， 可以很方便地与计算机进行数据通信， 为在计算机网络和通信设备间的应用提供 了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机， 电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工 作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 5.单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当 广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等 等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分 广泛的用途。 3 硬件系统的设计硬件系统的设计 3.1 电源电路设计电源电路设计 电源管理主要是对电池电压进行升压和稳压， 同时还能够进行过压保护和低 压报警功能。采用 TPS60230 芯片组成升压电路，TPS60230 是 TI 公司生产的一 种新型电荷泵 DC/DC 转换器。其应用原理如图 2 所示。电池的电压 25.4V 接入 TPS60230 输入脚 IN，图中 C1、C2 为电荷泵电容，采用等效电阻小的电容。R1、 R2 分压来确定低电压报警门限，当低于 R1、R2 的分压值时，LBO 输出低电平， 单片机查询到有低电平后就控制模拟开关切断后续电路电源；输出 5V 接后面的 模拟开关和单片机。下图 2 即为电源管理电路图。 7 图 2 电源管理电路图 3.2 采样电路设计采样电路设计 根据精度要求，本系统采用 ADI 公司的 16 位 A/D 芯片 AD7705，AD7705 芯片 将放大、滤波和 AD 转换单元集于一体，是一种低成本、宽动态范围、高分辨 率的 AD 转换芯片。 AD7705 与单片机通过 SPI 进行数据通信， 连接如图 3 所示， 其中，CH1 和 CH2 为差模输入通道，REF 为满量程电平，通过调节 RP1 来设置满 量程电平。单片机作为主机，通过四线（CS、SCLK、DI、DO）SPI 与 AD7705 相 连，DRDY 为数据转换完成信号，低电平有效，与单片机 RC2 口相连，单片机查 询到 RC2 口有低电平时，就开始向 AD7705 发读寄存器指令来获取 AD 值。CH1+ 和 CH1-为来自压力传感器的压力信号，CH2+和 CH2-为调零电位器送来的信号。 下图 3 即为采样电路图。 8 图 3 采样电路图 3.3 显示与报警电路设计显示与报警电路设计 显示与报警电路如图 4 所示，显示部分采用 7 段 4 位数码管显示，PORTB 口 连接数码管的段码，RC0、RC1、RC6、RC7 口经过三极管驱动放大控制数码管的 选择端。当单片机检测到 RA1 口有低电平信号后，控制模拟开关切断后续电路的 电源，与此同时，D1 和蜂鸣器 B 发出报警信号。当压力超过系统量程时，D2 和 蜂鸣器报警。为了区分低压报警和超量程报警，D1 和 D2 采用不同的颜色，蜂鸣 器在等间隔内响的次数不同。图 4 为显示与报警电路图。 图 4 显示与报警电路图 9 3.4 传感器的工作原理 本测试系统采用的是光穿透型光电传感器，这里我们采用的是基恩士的 LS-7000 系列： LS-7000 系列产品是一款高速、高精度的数字测微计，无需接触目标物即可 对其尺寸进行测量。 该系列用途广泛， 可应用于联机测量和脱机测量。 每秒 2400 次的高速采样可以确保达到两倍于普通型号的采样速度。 这样就可以对挤压制品 进行连续测量以及对运动工件进行联机测量。重复精度为 0.15 m 配备最新 的光学系统，确保两倍于普通型号的重复精度，从而为高精度产品的制造提供了 有力的支持。 连接两个测量头进行双渠道同步测量结合使用两个测量头可对两个 目标物进行同步测量。利用阈值更改功能对透明目标物进行稳定的检测 DE 处理 器支持阈值更改功能，这样就可以对透明目标物进行稳定的检测。 高亮度 GaN 绿色 LED 辐射光能够通过专用的散射模组和准直装置镜头变 成均匀的平行光，并照射到测量范围内的目标物上。然后目标物的影像即通过远 心光学系统显示在 HL-CCD (高速线性 CCD) 上。HL-CCD (高速线性) 的输出入 射信号将由控制器中的 DE (数字边缘检测) 处理器和 CPU 进行处理。因此，目 标物的尺寸规格就可以被显示和输出，其产品图片、结构图如图 3.3.1、3.3.2 所示： 图 3.3.1 10 图 3.3.2 3.5 故障检测及显示系统的构成 在故障检测电路中，配置了温度和速度传感器，用来监测电机的工作情况， 从而实现电机过热保护和门运行障碍保护，同时还设置了电压监控电路，用于检 测系统异常情况。 检测电路首先将检测到的信号转换成电压， 然后经 ADC0809 转 换器变成数字信号， 单片机定期读取数据， 一旦发现数据异常， 即马上采取相 应 的紧急措施， 向系统发出故障信号， 系统停止工作， 向故障显示电路发出指 令， 发出报警信号并显示故障类型。 4 系统软件的设计 本次轨道压力测试系统的设计主要采用了 KeilC51 汇编和 C 混合编程语言， 主程序包括：系统初始化，定时器 T0 的时间设定，接收传感器 SHT11 传出的数 据信息程序，运算处理温湿度数据处理程序，发送程序与接收程序。 4.1 采样与数据处理 AD7705 通过四线 SPI 与单片机通信，其读写时序图如图 5(a)、(b)所示，读 写过程中串行数据高位在前，低位在后。DRDY 为低电平说明 A/D 已经转换完毕， 数据已准备好，可以启动读写指令。任何时候要对 AD7705 进行读写操作都须检 查 DRDY 是否为低。 AD7705 的寄存器 第一个是通信寄存器(communication Register)，选择采集通道、下一次操 作是读还是写，以及下一次读写哪一个寄存器。 11 第二个是设置寄存器（Setup Register），决定校准模式、增益设置、极性 设置以及缓冲模式。 第三个是时钟寄存器(CLOCK Register)，设置滤波器记忆时钟控制位。 软件编程思路也是按这个顺序写的， 先设置通信寄存器， 其次写设置寄存器， 最后设置时钟寄存器。设置完之后，只要检测到 DRDY 为低电平，就可以启动时 钟来读取 AD7705 数据寄存器中已转换好的数据。 4.2 数据处理算法设计 数据处理主要是将电压信号转换成压力值，将采集来的数据进行转换。 已知：传感器的参数为 10mV 对应的是 30kN，A/D 的满量程电压为 1.5V，设采集 的 A/D 值为 K，设换算后的压力为 X，10mV 对应的 A/D 值为 D，增益为 64，则由 以上参数可求出： 以上就是转换后的压力值和采集的 A/D 值的关系。 因为单片机不支持浮 点运算，为了能精确的显示结果，用软件模拟浮点除法运算，其主要思想是：定 义一整型变量 INTD，将除的结果存入 INTD 中，因为是整型变量，所以除法的结 果只取了整数部分，例如 5/4=1，模拟除法的算法主要依据这一特性。 第一步，如果采集来的值 K 大于 932，K/932 存入整型变量中即可得到 整数部分。 第二步，用 K 对 932 取余得到 R，显然 R 小于 932，然后得到小数点后 第一位，再用 R10 对 932 取余得到 R1，小数点后第二位,以此类推，得到小数 点后第三位 dec3。 第三步，如果采集来的值 K 小于 932，直接进行第二步操作。 第四步，与逻辑零点进行比较，得到理论压力值，并进行 BCD 转换在数 码管上显示。图 6,、7 即为系统控制流程图。 12 图 6 系统控制流程图 13 图 7 系统控制流程图 4.3 程序流程图 系统软件编程采用状态机机制，上电之后进行各个模块的初始化，包括 I/O 口初始化、定时器初始化、SPI 初始化等。初始化完后进入系统循环，在循环体 中根据任务标志位进行任务处理，主要任务有：欠压处理、数据采集、睡眠、关 机等。在数据处理时，先采集通道 2 的值，然后采集通道 1，如果传感器未接， 则采集来的值为零或者近似零，系统报警等待。如果采集来的值大于零，则参与 运算。求出理论值显示。 14 4.4 程序源代码的生成 /DS1820 C51 子程序 /这里以 11.0592M 晶体为例，不同的晶体速度可能需要调整延时的时间 /sbit DQ =P21;/根据实际情况定义端口 typedef unsigned char byte; typedef unsigned int word; /延时 void delay(word useconds) for(;useconds0;useconds- - ); /复位 byte ow_reset(void) byte presence; DQ = 0; /pull DQ line low delay(29); / leave it low for 480us DQ = 1; / allow line to return high delay(3); / wait for presenc