（机械电子工程专业论文）基于c8051f020的轨道车辆动态称重系统研究.pdf

摘要 摘要 随着我国国民经济的迅速发展，铁路运输的需求越来越高，对铁路运输货物的重量 计量提出了高精度、高效率的要求。轨道衡是安置在铁轨上的轨道车辆重量计量装置， 轨道衡按称量方式来分可以分为静态轨道衡和动态轨道衡，静态轨道衡计量静态停于秤 体上的列车重量，计量精度较高，但计量速度受到限制；动态轨道衡可在一定车速限制 条件下称量列车重量，计量速度较高，因此动态轨道衡技术得到了快速发展，但是动态 轨道衡成本较高，一般需要对原有的轨道面进行施工，应用场合受到限制。因此研究一 种便捷的轨道车辆动态称重设备具有重要的应用价值。本文设计了一种新型动态轨道车 辆称重传感器，它无需改动原有的轨道，通过支撑装置固定于两钢轨内侧，即可进行动 态称重；采用c 8 0 5 i f 0 2 0 单片机进行动念称重系统的设计，实现轮重信号的采集与处理、 显示打印、存储查询等功能；研究了基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机的动态称重软、硬件开发技 术；并对轨道车辆动态称重数据处理及精度进行了分析。本系统具有重量轻、成本低、 安装方便、适用范围广等优点，可用于轨道车辆的设计及运营部门。 本文在对轨道车辆称重设备综述的基础上，论述了基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机的动态称 重系统总体方案，详细阐述了系统软、硬件的开发过程及设计。主要内容包括以下几部 分：( 1 ) 轨道车辆动态称重传感器的设计；( 2 ) 传感器信号调理电路及系统供电电路 的设计；( 3 ) c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机系统及外围接口电路的设计；( 4 ) 系统软件设计；( 5 ) 动态称重数据处理方法及精度分析。 关键词：动态称重；轨道车辆；c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机；称重传感器 大连交通大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee c o n o m yr a p i d l ye x p a n d i n gi n c h i n a , t h ed e m a n do ft h er a i l w a y t r a n s p o r t a t i o ni sg e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r , t h e r e f o r et h eh i g ha c c u r a c y ，e f f i c i e n c yo fr a i l w a y v e h i c l e sw e i g h tm e a s u r e m e n ti sr e q u e s t e d r a i l w a ys c a l ei sar a i l w a yv c h i c l e sw e i g h i n g i n s t a l l a t i o n sp l a c e db e t w e e nt w or a i l s ，w h i c hc a nb ed i v i d e di n t os t a t i ca n dd y n a m i cr a i l w a y s c a l ea c c o r d i n gt ot h ew a yo fm e a s u r e m e n t t h es t a t i cr a i l w a ys c a l ei su s e dt om e a s u r e r a i l w a yv e h i c l es t o p p e do nt h es c a l e ，w h i c hh a sh i g hp r e c i s i o nw h i l et h em e a s u r i n gs p e e di s l o w e r ；d y n a m i cr a i l w a ys c a l ec a nw e i g hr a i l w a yv e h i c l em o v i n gu n d e rc e r t a i ns p e e dl i m i t ， w i t hh i g h e rm e a s u r i n gs p e e d ，t h e r e f o r ei th a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y ，b u tt h ed y n a m i cs c a l e h a sh i g h e rc o s t ，g e n e r a l l yn e e d st or e c o n s t r u c tt h eo r i g i n a lr a i lt r a c k ，s ot h ea p p l i c a t i o n s i t u a t i o ni sr e s t r i c t e d t h u ss t u d y i n go nc o n v e n i e n tr a i l w a yv e h i c l e sd y n a m i cw e i g h t i n g e q u i p m e n th a si m p o r t a n tv a l u e ak i n do f n e wd y n a m i cr a i l w a yv e h i c l ew e i g h t i n gs e n s o rh a s b e e nd e s i g n e di nt h i sa r t i c l e ，i tn e e d n tt om o d i f yt h er a i l s ，p l a c e db e t w e e nt h et w or a i l sb yt h e f i x e di n s t a l l a t i o n ，t h e ni tc a np r o c e s sd y n a m i cw e i g h i n g t h em c uc 8 0 5 1f 0 2 0i su s e df o r t h e d y n a m i cw e i g h i n gs y s t e m ，r e a l i z e st h ef u n c t i o n ss u c ha ss i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ， d i s p l a ya n dp r i n t ，m e m o r ya n di n q u i r ya n ds oo n t h ed y n a m i cw e i g h t i n gs y s t e m ss o f t w a r e a n dh a r d w a r eb a s e do nc 8 0 51f 0 2 0a r es t u d i e d t h ed a t ap r o c e s s i n ga n dp r e c i s i o no ft h e d y n a m i cw e i g h i n gs y s t e ma l ea n a l y z e d w i t ht h ea d v a n t a g e so fl i g h tw e i g h t ，l o w e rc o s t ， e a s i l yt oi n s t a l l ，b r o a da p p l i c a b l es c o p e ，t h ep o r t a b l ew e i g h t i n gs y s t e mc a n b eu s e di nr a i l w a y v e h i c l em a n u f a c t u r i n gf a c t o r ya n dt r a n s p o r t a t i o nd e p a r t m e n t o nt h eb a s i so ft h es u m m a r i z a t i o nt ot h er a i l w a yw e i g h i n ge q u i p m e n t ，t h i sa r t i c l e i l l u s t r a t e st h ed y n a m i cw e i g h i n gs y s t e mo v e r a l lc o n c e p tb a s e do nc 8 0 5 1f 0 2 0a n dt h es y s t e m s o f t w a r ea n dh a r d w a r ei nd e t a i l p r i m a r yc o n t e n t sc o n s i s to ft h ef o l l o w i n gp a r t s ：( 1 ) d e s i g no f r a i l w a yd y n a m i cw e i g h t i n gs e n s o r ；( 2 ) d e s i g n o fs e n s o rs i g n a l t u n i n g a n ds y s t e m s s u p p l y ；( 3 ) d e s i g no fc 8 0 5 1f 0 2 0m c us y s t e ma n dp e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i t s ；( 4 ) s y s t e m s o f t w a r ed e v e l o p m e n t ；( 5 ) a n a l y s i so fd y n a m i cd a t ap r o c e s s i n ga n dp r e c i s i o n k e yw o r d s ：d y n a m i cw e i g h i n g ；r a i l w a yv e h i c l e ；c 8 0 5 1 f 0 2 0m c u ；w e i g h r i n g s e n s o r n 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位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、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：枞孕- 酞、导师签名：丁多同 日期：猢年6 月 弓 e 1 日期： 明年月牛 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 电话： 邮编： 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文储签名形，尘p 日期：础年( 月j 日 绪论 绪论 在铁路上用来对通过列车的装载货物进行计量的设备称为轨道衡。轨道衡计量原理 是利用车辆及荷载的重力通过承台作用在传感器上，传感器产生变形，通过电桥输出电 压信号，利用计算机、电子仪表对这个电压信号进行识别、分析和计算，最终得到重量 数值。 目前，轨道衡按称量方式来分可以分为静态轨道衡和动态轨道衡。静态轨道衡计量 静态停于秤体上的列车重量，计量精度较高，但计量速度受到限制；动态轨道衡可在一 定车速限制条件下称量列车重量，计量速度较高，因此动态轨道衡技术得到了快速发展。 我国轨道衡计量技术出现于1 9 5 4 年，当时的轨道衡主要为机械静态轨道衡；到上世纪 7 0 年代末期我国开始出现动态电子轨道衡，但受当时国产传感器和电子元器件质量的 制约，计量性能和稳定性并不理想；到上世纪8 0 年代末期，随着计算机技术的广泛应 用，我国轨道衡计量技术取得了突破性的进展，推出的产品有单台、双台、深基坑、浅 基坑、无基坑等微机动态电子轨道衡。 国外的轨道衡产品研制和开发主要集中在德国、日本和美国，竞争实力在全球具有 绝对优势，这得益于他们具有多年来电子基础产品的开发优势，拥有雄厚的技术力量和 高超的工艺生产能力，从轨道衡的传感器、信号采集系统到信号处理，硬件测量精度和 软件功能等一系列高精尖产品都是国内无法比拟的i 。 国内的轨道衡技术从引进消化吸收国外的产品到独立开发，技术许多科技人员付出 了极大的努力，从道床到秤体，从传感器到仪表，从力学模型的建立到数学模型的研究， 从总体结构的演变到电子轨道衡软件技术的发展，均经过了几代人的不懈努力，使我国 轨道衡称重技术有了巨大的发展。根据轨道衡称量时列车是否行进，可分为静态轨道衡和 动态轨道衡根据动态称量的不同方式，可分为轴称量，转向架称量和整车称量。根据称 重轨的结构形式，可分为断轨轨道衡和不断轨轨道衡。根据传感器结构和放置方法，可 分为传统压力传感器、轴销式传感器和板式传感器。根据秤台的结构可分为单台面、双 台面和三台面轨道衡。根据判别车辆方向的不同方式，分为光电接触式，重量开关式及 无丌关软件识别方式。 我国的动态轨道衡经过近三十年的探求摸索，从以分立元件组成的二次仪表为特征 的轨道开关模式，到中小规模集成电路，再到全模拟判别为主的微机动态轨道衡，直 至现在广泛应用于专用线及铁路站线的不断轨动态轨道衡，我国的动态轨道衡从无到有， 从幼稚到壮大，在借鉴发达国家先进经验的基础上，走出了一条具有中国特色的发展之 路。 上世纪八十年代初期，我国已经建立的计量基准、计量标准和测试装置，主要以静 态为主但现已不能适应快速发展的现代化建设、国防和科技发展的需求。因为许多生 大连交通大学t 学硕士学位论文 产流程的监测和控制都需要在不间断的生产过程中进行动态检测，现代工业中的大宗低 值散装货物也需要在运输过程中完成称量程序。我国早期的动态称量轨道衡便是在这种 大形势下应运而生的。 我国动态电子轨道衡发展初期，虽然受当时国产传感器和电子元器件质量的制约， 其计量性能及稳定性等技术指标均不够理想，却对我国动态电子轨道衡技术发展起到了 启蒙和推动作用。 早期用于动态轨道衡的轨道接触开关质量不稳定，物料过衡的受检率难以提升，严 重影响了动态轨道衡的使用；随后发展起来的二次仪表中由分立元件构成的电子线路 体积庞大，设计制作繁琐，相关参数变化不稳定，导致动态轨道衡生产厂家调试过程漫 长，检定工作效率较低，使用中的称量准确度难以保证；八十年代中期，以集成电路为 代表的电子线路技术得到了广泛的应用，计算机控制及应用技术在工业过程控制领域迅 速普及。这些因素从客观上使国产动态轨道衡技术得以摆脱传统技术的束缚，以高速 a d 转换器件为核心的通道电路取代了通用型数字电压表，计算机软件识别车辆的方法 取代了光电、机械、电磁等轨道开关识别方法；进入九十年代，轨道衡在结构上进一步 朝着轻便化的方向发展，逐渐形成以轻薄台面、浅基坑的轨道衡为主流。同时微机全模 拟判别和非线性分段修正技术基本覆盖了所有的国产动态轨道衡设计领域【2 】。 动态称重轨道衡的动态称量是铁路车辆以一定速度经过轨道衡台面时，动态地测量 出车辆的重量。在力学平衡的角度来看，动态称量时在称量系统受力未达到平衡之前就 进行称量，由于测量是在列车行驶过程中完成，因而计量的要求较高，必须考虑过渡误 差。在传感器的设计过程中，一般都加一段缓冲引导槽，以减小接触时的冲击误差。 动态轨道衡是利用应力传感器将车辆重量转变为输出的电压信号，仪表经过调理放 大可以通过模数转换得到一个跟重量成比例的线性模数转换值。从而也就可以对一节车 厢分若干次测量，从而缩短了称重台面的长度。轨道计量方式又可以分以下三种计量类 型f 3 】【4 1 。 轴计量，是指对一节四轴车厢进行四次称量，每次只称量一个轴重，通过累计四个 轴的重量可以得到整车重量。 转向架计量，指对一个转向架的重量进行计量，前后两个转向架之和即为整车重量。 整车计量，整车计量一般采用双台面，前后两个台面机械结构各自独立，分别用来 称量一节四轴车厢前后两个转向架上秤台时的重量。整车计量可以减小由于多次计量的 累计误差，但是称重台的长度以及前后两个台面的间距受到车型的约束。 本设计的主要任务： 设计一种轨道车辆便携式称重仪，安装于运行轨道上，通过轮缘作用于传感器的弹 性元件，得到轮重信号。便携式轨道称重传感器的量程：2 0 t ，输出电压信号，分辨率： 2 绪论 5 0 k g 。并对动态称重技术进行分析，研究动态称重信号的处理。采用c 8 0 5 1 f 单片机实 现便携式动态称重仪的设计。 本设计选用了一种新颖的不断轨动态轨道衡，并且采用了单轴的计量方式，分别测 量出左右轮重以及偏载值。传感器的台面称重有效长度约3 3 0 m m ，具有安装方便、操 作简单等特点。在软件方面，主要采用了模拟判别的方式来进行车辆上衡的识别、通过 中断触发的方式来进行称量。具有动态显示、数据存储、键盘处理等功能，在火车限速 的情况下，保证动态称量的精度。此外，系统还提供了打印机模块、r s 2 3 2 串行通信功 能以及系统的时间实现。 论文的主要工作为： 首先介绍系统设计的总体方案及指标要求。第二章讨论分析了力传感器原理，应变 力测量方法，动态称重传感器的设计方法，并给出一种新型的轨道车辆动态称重传感器。 第三章分析了动态应变信号调理的方法，给出了应变放大电路、低通滤波以及系统供电 电路的设计。第四章首先对单片机主控系统进行了说明，详细分析了单片机外围模块的 扩展电路，主要包括键盘、液晶显示、打印机、串行通讯、时钟日历、e e p r o m 的读 写等硬件电路的原理及设计。第五章主要讲解了系统软件编制的过程，本系统采用k e i l c 进行程序设计，分析了系统功能，并给出了各功能模块的程序流程图。第六章对动态 称重系统的精度进行了分析，分析了影响铁路车辆动态称重精度的干扰因素及解决措 施，最后给出了本系统中动态称重数据的处理方法及精度分析。 大连交通大学t 学硕十学位论文 第一章系统总体方案设计 1 1 系统的总体设计 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机的轨道车辆动态称重系统采用具有自主知识产权的动态称 重传感器感测车辆重量信息，以c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机作为主控芯片，外部扩展3 2 k 的静 态r a m 、打印机接口、r s 2 3 2 串行接口、键盘以及液晶显示模块，通过动态称重软件 协调各部分工作，实现便携式、低成本轨道车辆动态称重装置。系统总体框图如图1 1 所示。 图1 1 系统硬件总体框图 f i g 1 1s y s t e mh a r d w a r eo v e r a l ld i a g r a m 系统主要性能指标： 传感器长度：5 5 0 m m 传感器重量：约5 0 k g 系统电源：交流2 2 0 v ：直流1 2 v 称重范围：轮重2 0 t ；轴重4 0 t 分辨率：0 0 5 t 工作温度范围：1 0 + 7 0 安装条件：适用于任何轨道 安装时间：1 0 1 5 分钟 通过速度：3 - 5 k m h 称量精度：2 3 4 第一章系统总体方案设计 1 2 系统各模块主要功能简介 根据便携式列车称重系统的特点以及需要设计的各种功能，选取相应的集成电路芯 片。 1 2 1 传感器及信号调理模块 传感器模块完成列车轮重的转换，把应变重量信号转换为线性的电压信号。信号调 理模块提取了列车重量信号，并且实现了重量信号的放大，低通滤波，以及比较触发中 断数据采集。 传感器采用自主设计的动态应变称重传感器，两传感器通过支撑杆安装与钢轨内 侧，通过挚片调整传感器称重面高度，列车通过时，车轮轮缘作用于传感器称重面，使 车轮踏面脱离轨道，获取轮重信号。 仪表放大器采用a n a l o g 公司的a d 6 2 3 1 5 j ，它可以采用单电源+ 5 斗1 2 v 工作，只 需外接一个电阻，即可以实现可编程控制放大增益。 1 2 2 单片机主控系统 单片机主控系统实现系统中断触发、a d 转换、数字滤波、控制外部数据r a m 的 工作、键盘扫描、控制微型打印机以及上位机的数据传输等。 m c u 选用c y g n a l 公司的高速s o c 单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 【6 】，该单片机是完全继承的混 合信号系统级芯片，它具有与8 0 5 1 兼容的微控制器结构，与m c s 5 1 单片机指令完全 兼容。主要有以下一些特征： 采用了流水结构的8 0 5 1 兼容的c i p 5 1 内核，内核指令执行速度可达到2 5 m i p s 。 全速的非侵入式的在线调试接口集成片内，支持在线编程。 真正1 2 位1 0 0 k s p s 的8 通道a d c 转换，并且自带p g a 和多路模拟开关。 两个1 2 位d a c 可编程。 内部输出模数数模带隙基准： 6 4 k 字节的可编程系统f l a s h 存储器； 4 3 5 2 ( 4 0 9 6 + 2 5 6 ) 字节的片内r a m ； 可直接寻址6 4 k 地址空间的外部数据存储器接口； 硬件实现的s p i 、s m b u s i i c 和两个u a r t 串行接口； 5 个通用1 6 位定时器： 具有5 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器阵列； 片内自带看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器： 外部引脚可以可编程设置，通过内部的优先编码器可以把各功能接口直接连接到外 部引脚上。 大连交通大学工学硕七学位论文 片内集成了a d c ，经过配置寄存器的设置，编写简单的程序可以进行模数转换。 采用程序控制进行跟踪转换方式，进行连续模数转换。 1 2 3 存储器模块 外部静态r a m 用来保存称重过程中各轮重的数据，采用1 片6 2 2 5 6 芯片，扩展外 部数据存储至3 2 k 。按- n 火车1 0 0 节车厢来计算，每节车厢有2 个转向架，每个转向 架4 个轮，每个轮用2 个字节来存储，可以连续保存2 0 列火车的轮重数据。这里主要 是利用外扩r a m 来完成一些相应的中间数据的缓存以及u 盘操作的中间数据缓存。 系统中涉及到一些固定参数的存储以及设置，采用e e p r o m 可以方便的解决这个 问题，本系统中采用了a t 2 4 c 0 2 作为一些固定参数的设置。 动态称重的数据量较大，为了适应系统设备数据的存储，采用u s b 存储器作为动 态称重数据的存储。u s b 器件采用南京沁恒电子有限公司的u s bh o s t 芯片c h 3 7 5 a 作为u s b 扩展，c h 3 7 5 a 可以方便的以串口或者并口挂到m c u d s p 等芯片上实现u s b 主机或者设备。在u s bh o s t 情况下可以对u s b 设备进行访问，利用闪存可以对u 盘 进行裸写，或者利用f a t l 6 3 2 文件系统进行数据文件格式的读写，便于在p c 机以及 本系统上进行数据文件的读写。 1 2 4 时钟日历芯片的选择 在系统中，为了对系统的时间进行管理，需要外扩展相应的时钟日历芯片。本系统 采用了美国d a l l a s 公司的d s l 3 0 2 作为时钟日历芯片来进行时间的管理，d s l 3 0 2 采 用了两组电源，芯片内部的控制电路可以进行电源选择，只需要一个纽扣电池可以实现 系统时间的连续。 1 2 5 键盘、液晶显示及打印模块 键盘实现系统参数设置及称重控制；液晶显示实现列车轮重、偏载的实时动态显示； 微型打印机实现称重数据打印输出。 键盘模块采用4 x 4 阵列式键盘，分别设置0 - 9 数字键，和一些功能设置，功能设置 主要有：打印机参数设置、串行通信波特率设置、称重数据的查询、称重数据的向前向 后查询、系统时间的设置，a d 中断触发比较电平门限设置；此外，还有称重开始、结 束按键等，除数字键之外，其他的功能按键采用组合方式来完成系统功能。 液晶显示模块选用了深圳瑞特电子有限公司的r t l 2 8 6 4 m ，r t l 2 8 6 4 m 汉字图形点 阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8 1 9 2 个中文汉字( 1 6 x 1 6 点阵) 、1 2 8 个字符 ( 8 x 1 6 点阵) 及6 4 x 2 5 6 点阵显示r a m ( g d r a m ) 。 主要技术参数和显示特性： 电源：v d d3 3 v + 5 v ( 内置升压电路，无需负压) ； 6 第一章系统总体方案设计 显示内容：1 2 8 列6 4 行 显示颜色：黄绿 显示角度：6 ：0 0 钟直视 l c d 类型：s t n 与m c u 接口：8 位或4 位并行3 位串行 配置l e d 背光 多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等 外观尺寸：9 3 x 7 0 1 2 5 m m 视域尺寸：7 3 x 3 9 m m 微型打印机选用了炜煌9 针串口的打印机，打印机型号为w h 8 打印机，兼容r s 2 3 2 协议。 1 2 6 电源模块 电源模块提供系统整体的电源，整个系统中需要用至i j + 1 0 v 的惠更斯电桥供电电压， 3 3 v 单片机电源，+ i o v 信号调理模块电源以、+ 5 v 的电源作为液晶显示模块供电以及 其它外围接口电路的电源。 采用2 4 v 直流电源经稳压电路实现各电压值。 1 3 基于0 8 0 5 1f 0 2 0 单片机的动态称重系统的特点 本系统具有便携、高精度、低成本、大容量存储、操作方便、功能齐全等优点，提 供了一种方便便捷的对列车轮重以及偏载测量的新方法。 ( 1 ) 系统采用了一种新型的便携式动态称重传感器，重量轻、体积小，便于安装， 无需改动固有的轨道。 ( 2 ) 系统前置放大器采用了高精度运算放大器a d 6 2 3 ，可以方便准确的提取重量信 号，并实现了信号的放大、低通滤波2 0 h z 。1 2 位a d 以及数字平均滤波，进一步提高 称重的精度。 ( 3 ) 采用c 8 0 5 1f 0 2 0 单片机系统实现低成本开发。 ( 4 ) 外部扩展了3 2 k b 静态r a m ，能用来作为数据处理和运算以及数据的中间存储。 通过u 盘接口实现大容量存储，便于野外称重作业。 ( 5 ) 提供了良好的人机界面，键盘采用4 x 4 矩阵键盘，可以实现数字的输入以及各 种功能设置。 ( 6 ) 提供给上位机通信的m a x 2 3 2 接口跟计算机进行通信。提供打印机接口，打印 机采用了炜煌9 针串口的打印机，打印机型号为w h 8 打印机，兼容r s 2 3 2 协议。有串 行通信波特率设置、打印机接口波特率设置、称重门限比较信号设置等功能，可以当前 车的前后查询，不同车次的查询，以及操作员输入等功能设置。 7 大连交通大学1 = 学硕十学位论文 本章小结 本章首先介绍了称重系统的总体方案以及系统框图，根据系统的需要c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机作为本次称重系统的处理芯片。然后介绍了各功能模块的器件选型以及相应的功 能简介，具体涉及到仪表放大器、控制芯片、存储器芯片、数据r a m 、时钟芯片、显 示模块以及电源模块的选择。最后简单的介绍了本系统的特点。 8 第二章动态称重传感器的设计 第二章动态称重传感器的设计 2 1 传感器的选择 传感器是感受被测量，并将被测量转换为易于测量，传输和处理的信号的装置或器 稠：1 7 1 1 8 9 i_ o 传感器作为获取信息的手段，是实现测试和自动控制的首要环节，具有重要的地位 和作用。传感器获取和转换信息的正确与否，关系到整个测试系统或控制系统的准确度。 如果传感器的误差很大，后面的测量电路，显示仪表，信息处理设备再好，也难以实现 准确地测试和控制。所以选择、设计合适的传感器至关重要。 动态称重传感器，常用的有压电式传感器、压磁式传感器、电容式力传感器、电感 式测力传感器、应变式力传感器等。 压电式传感器是一种较简单的测力传感器，输出为电荷量。压电式力传感器多与电 荷放大器相连，把电荷量转换为电压，最后通过电压量的测量，测定被测力的大小。压 电式传感器一般采用石英晶体作为压电元件。传感器的灵敏度较高，性能稳定，具有良 好的线性和重复性，迟滞小，频率响应范围宽，使用方便，寿命长。主要应用测量动态 力，如冲击力，推动力等等，但不能测量静态力。 压磁式传感器能够实现力一电转换，具有输出功率大，抗干扰性好，过载能力强， 结构简单，不均匀载荷对测量影响小，适宜在恶劣环境中长期可靠地运行等优点，因此， 常用在冶金，矿山，运输等工业部门，作为测力和称重传感器。缺点是测量精度不够高 ( 通常低于i f s ) ，频响较低( 一般不高于l l o k h z ) 。 电容式力传感器是利用弹性膜片在压力作用下变形所产生的位移来改变传感器电 容的。其结构简单，强度高。在恶劣环境下的静态及低频变化力时常采用。 电感式测力传感器主要特点是：结构简单，可靠，寿命长；灵敏度高，其分辨率最 高可达0 1um 的机械位移，能感受0 1 角秒的微小角度变化：精度高，线性特性可达到 0 0 5 0 1 ；性能稳定，重复性好；输出信号强，不经放大，也可具有0 1 v r a m 5 v r a m 的输出值。主要缺点是：频率响应低，不适于高频动态信号测量；存在交流零位误差等。 应变式力传感器是利用弹性敏感元件把被测力( 作用力、荷重) 转换为应变量的变 化而在弹性敏感元件上粘贴的应变片再将应变量转换为电阻变化。它可适应从小力到大 力范围的任何动态或静态测力需要，而且测量精度可在0 0 1 0 0 1 0 ，其量程与精度 均优于其他测力传感器。 以上传感器相比较，应变式力传感器量程大、精度高，综合性能符合要求，而且在 工业生产中使用率较高，技术较成熟，因此便携式轨道车辆称重仪传感器设计为应变式 传感器。 9 人连变通大学i ：学硕j 学仳论文 2 2 传感器弹性体设计 任应变式传蟮器中，弹性敏感兀件为首要环节。j c 性能好坏将直接影响传感器性能。 凼此要求掸性元件材料的载荷与变形特性的线性好，弹性滞后与蠕盘小。为了减小温度 及其它凼索引起的误差影响应变片粘贴处应变值应足够大，通常在额定载荷f ，应变 值心在1 0 0 0 2 0 0 0 u 左右。常用的弹性，i 件材科冉：铬钢( 4 0 c r ) ，合金结构钢( 3 0 c r m n s i ) 铬镍钼钢( 4 0 c r n i m o ) ，铬钒弹簧钢( 5 0 c r v a ) 等。 奉设计的传感器弹性元件材料采刚台金钢，其屈服极限为8 6 0 m p a 强度极限为 1 0 2 0 m p a 。列乍乍轮从上方压过去其重量引起弹性元件形变，应变片感受形变并十h j 州j i 乜j i 、值。 本课题设计的便携武轨道车辆动态称重仪，安装在铁轨之i j j 。传感器弹性体要塞入 铁轨钢褙内，所以弹性体尺寸受铁轨限制。6 0 k g 钢轨尺寸如图21 所示。钢轨鹰在枕木 j ：，山道钉崮定。所以传感器整体尺寸由钢轨截面及安装条件决定。本项月设计的称重 化感器弹性体如蚓22 所示。 幽2l6 0 k g 铣轨截血尺0 幽 f i g2 i6 0 k gr a i ls e c t i o nd r a w i n g 倒22 传搏器弹性体二三维儿f u j 削 f i g2 2s e n s o r s3 d g e o m e t e d r a w i n g 称重时，机车，车辆的轮对通过导向块上的斜面引导，使轮缘压在称重粱上，车轮 踏面离开轨面，机车，车辆的重力则通过称重粱、支撑块传至钢轨f 翼缘乃至地基卜。通 过测量称重粱的弹性变形得到机车车辆的蘑艟。 为了保- e 传感器过载的安牟性，住传盛器外形设计基础上，对弹性体进行了有限元 强度分析。同前铁路通用货年卒车的轮苇为3 t 打而苇乍的轮苇为1 2 t 左右，考虑到 铁路货车的电载发腱趋势，选取称嚏传感器的_ i i 榉为2 0 t ，则口r 测甘的轮醺为2 0 t ，也就 是满足轴重为4 0 t 机车车辆的测量。取传感器的1 2 0 过载，以2 0 t 、2 4 t 的载重对弹性 几件进 j ：静强度分析，静强度戊力结果如蚓23 围2 4 所示。 第：章动态称劁甚器的设计 j f i2 3 载眶z 0 吨时应力云幽 f i g2 3s t r e s sc o n t o u r l o a d i n g2 0 t 蝌24 我吐2 4 吨时成力云幽 f i g2 4s t r e s sc o n t o u r i d 崦2 4 t 载重为2 0 吨时虽太m i s e s 应力为7 6 0 m p a ，发乍在f + 表而轮缘作用处，小于弹性 体的强度极限1 0 2 0 m p a 。找垂为2 4 吨时，最大麻力为9 1 2 m p a ，小于弹性体的强度极限 1 0 2 0 m p a 。 23 传感器内部电路原理 传感器弹性体内部聚用7 5 0 q 电阿l 应变片，按伞桥枷嚣，1 0 v 桥压，灵敏度l6 m v v 。 应变片材料在受至l l # l - 界的拉升或者压力时，将产e 机械彤变，导致材料的电阻值发 生变化，这种因形变而引起电附值变化的现象称之为应变效应。金属艇变材料把弹性体 的形变1 1 0 ，l - 界力的太小感知为电阻的变化为了便于计量形变的大小，必须把电阻的形 变转换的电压或者电流的变化因此必须和t 乜桥电路一起使j h “。 在图25 中足电桥的桥压，置，马，墨，以为电桥的四个桥臂电阻，在一般 的电子测最巾，大都采用叫个电阻阻值都相等，即r = 垦= 且= 置= r ，也称之为等臂桥。 也有采用对称桥即置= 且，r ，= 置。 捌25 惠斯谨电桥电路 f i g2 5w h e a t s t o n eb r i d g ec i r c u i t 大连交通大学_ i ：学硕士学位论文 电桥测量电路中，输入的供桥电压有采用交流作为电桥的桥压也有采用直流电源作 为桥压输入。称重传感器中采用直流作为电桥工作电压。 当输出所接的负载尺，= 0 0 时，电桥的输出电压为 u o = ( 彘一去 _ 群糕筠 亿， 当r i 为应变片的电阻，初始时，应变片r i 没有受到应变，此时输出应该为0 ，电桥 处于平衡状态，即u o = 0 。由式( 2 1 ) 可以得到： 墨蜀一r 恐= 0( 2 2 ) 或者 生：一r 3 ( 2 3 ) 恐局 这就是电桥平衡条件。 当应变片曷承受的应变产生触。的变化时，其它各个桥臂的电阻值保持不变，此时 电桥处于不平衡状态下，电桥的输出电压u o 0 ，不平衡状态下电桥的输出电压为： 址圪c 高袅一志，= 圪c 等，鲁， 等+ 堕 ( 1 + i r 4 r 1r八马j ( 2 4 ) 令玎= 心r 1 = r 4 玛，略去分母中的微量皑r , ，则有 志垡r 毯等(25)j( 1 + 刀) 2 置 、7 其中e = 以v i n ( 1 + n ) 2 称为单臂工作应变片的电桥电压灵敏度。其定义的单位是单 位电阻值的相对变化量引起的电桥输出电压变化的大小。 从上式可以得出以下结论： ( 1 ) 电桥的电压灵敏度正比于供桥电压。供桥电压愈高，电压灵敏度也愈高。但是 供桥电压过高，受到两个方面的限制：一是应变片的允许功耗；二是电阻应变片的温度 误差。 ( 2 ) 电桥电压灵敏度是桥臂比比值力的函数，即和各电桥各的初始比值有关。令 等= 尚一。 亿6 ， 一= 一= i j ，n - 幽 f 1 一刀1 2 、7 求得疗= 1 ，即r i = 恐= r3 - r = r 时，k ，有最大值e 4 ，此时： u o 一e z x r ( 2 7 ) 1 2 第一二牵动态称到感器的设计 山j 二l 叮以知道，当i u 源i b 压e 和1 乜阻的朋j 对比值a r r 一定的情况下，i u 桥的输j i 电压也就足电压灵敏度足定值电桥的输 r e 与电附庸变片应变量相对变化成线形关 系，乩与备桥臂比5 i l 值的人小无关。 若在同试件i ：分别贴放4j l 应变 ，其中两片受拉力，两片受压力。将两个应变 符呼柏问的庀变片接在柑肘的桥臂j ：，忡q 成了仝差动电桥。则输出电_ l e 为： u o ：吃等 ( 28 ) 可见，采_ 【 j 全差动电桥可以使电压必敏度达到单一应变片工作电桥灵敏度的4 倍， 足* 筹动电桥的2 倍。 24 传感器固定装置设计 两弹性体通过支撑架安装在钢轨的凹槽内。传感器整体安装示意圈如罔2 6 、翻27 所示。 新型便携式轨道机乍牟辆动态称醇仪的应j f j 中要适用于各种类砸的轨道，为此设训 了系列化的称重传感器安装装胃。 i = l 前常用的钢轨有4 3 k g m 、5 0 k g m ，6 0 k g m 、7 5 k g m 四种，前2 种在厂矿食业内 部线路中使_ l j 较多，后2 种t 要在h 订铁路十线上使用。系列化的称重传感器安裟装首 嘲2 6 传堪器整体醴 r 效果圈 f i g2 6s e n 蛐r o v e r a l l d e s i g ns k e t c h 图27 传感器实际图片 f i g2 7s e n s o r p r a c t i c a lc h a n 由支撑架、锁紧轩和高度调整挚等i i | ；件组成，通过! f 三抉模块化的安鼗部件以适应在备种 类型的轨道上安牧称重传感器。 称重h t ，机村车辆的轮对通过导向块l 的斜面引导，使轮缘压在称重粱上，下轮踏 面离，r 轨面，机4 车辆的重力则通址称重架、点撑块传至钢轨f 翼缘乃至地基k 通过 大连交通大学工学硕十学位论文 测量称重梁的弹性变形得到机车车辆的重量。所以弹性体的长度应满足道钉的要求。弹 性体侧面塞进钢轨的钢槽内，剩余宽度要与轮缘宽度一致，高度要与轨面一致。 2 5 动态称重传感器的性能参数 本设计的应力传感器采用了阻值为7 5 0 q 的电阻应变片，桥臂灵敏度系数k - - 2 的全 桥电路。r 1 ，r 2 ，r 3 ，r 4 为全桥桥臂电阻( 顺时针排列) ，r 1 = r 2 = r 3 = r 4 = 7 5 0q ， 且r 1 ，r 3 感受弹性敏感元件的正应变，r 4 ，r 2 感受弹性敏感元件的负应变。 其具体参数为： 输出灵敏度为1 6 m v 满载量程为2 0 t 允许2 0 的满量程过载 输入桥压1 0v 本章小结 本章首先叙述了几种常见测力传感器，并简要的说明了它们各自的特点以及应用场 合。接着讨论了本设计中传感器的弹性梁的设计方法，对弹性梁的材料进行选取。对传 感器内部电路进行了介绍，本文采用惠更斯电桥全桥进行压力电压的转换，介绍了惠更 斯电桥的测量应变力的原理，最后给出本文中用到的传感器固定装置的设计以及传感器 的性能参数。 1 4 第三章动态称重信号调理及电源电路设计 第三章动态称重信号调理及电源电路设计 3 1 称重信号放大电路 应变式称重传感器输出的是毫伏级的微弱信号，因此必须通过信号放大才能进行 a i d 转换。如何保证放大电路的抗干扰性以及稳定性，关系着动态称重的精度。信号放 大电路一般必须满足高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移等性能要求。 3 1 1 仪表放大器原理 智能仪器仪表目前一般采用仪表放大器作为信号放大电路，它既能单端输入也可以 对差分信号进行放大。仪表放大器具有低温漂、低功耗、高共模抑制比、宽供电电源范 围以及小体积等一系列优点，在数据采集系统、电阻应变电桥、热电偶以及温度传感器 应用广泛。 典型的仪表放大器是由三个放大器组成，如图3 1 所示。放大器a 1 与放大器a 2 组成一对差分输入端，作为前置放大电路。放大器a 3 组成后级放大电路，由于选用的 放大器参数以及电阻参数的对称性，该电路具有很高的共模抑制比。 可以得出： 图3 1 仪表放大器内部结构 f i g 3 1i n t e m a ls t r u c t u r eo fi n s t r u m e n ta m p l i f i e r ( 1 + 冬一r r f ! u ：叫却：叫) 等 ( 3 1 ) 大连交通大学工学硕士学位论文 ：o + 净一- - - 笔 u l = 1 2 + 训等 2 ， 从( 3 2 ) 式可以得出： 忐铲嚣髟+ ( 3 3 ) 轳扣半：叫， d 4 ， 当r f = 尺厂l = r ，2 = 尺时，式( 3 1 ) 可以化解为： ：( 1 + - 竽- ) ( u 2 - , ) ( 3 5 ) 目前使用的仪表放大器通过激光雕刻把三个放大器和电阻网络集成n - - 起，构成单 片集成电路。它在传统的三片运放仪表放大器基础上做了一些改进，同时对内部阻值的 校准可以保证用户只须要外接一个电阻就能够得到l 至万倍的增益精确设定，从而减少 了由于增益相关误差带来的数据采集误差。这种结构还具有高输入阻抗、低输出阻抗、 低失调电压、高共模抑制比及低温度漂移等特点。只需外接一个电阻凡，依照其关系 是调整所需放大倍数即可。这类芯片有a n a l o gd e v i c e s 公司生产的a d 6 2 0 、a d 6 2 3 等。 3 1 2a d 6 2 3 放大电路 本设计采用a d 6 2 3 进行称重信号放大，图3 2 所示为a d 6 2 3 仪表用放大器引脚图。 其中1 、8 脚用来跨接一个电阻来调整放大倍数，4 、7 脚需用来提供正负相等