客车用盘式制动闸制动性能检测系统设计.doc

1 绪论 1.1 论文研究的背景 目前，随着人们对安全意识的提高，交通事故被世人所关注的程度在日益 加深。据有关部门统计，全世界每年因车祸导致 70 多万人死亡，1200 多万人 伤残，造成直接经济损失 5 亿多美元；汽车总拥有量只占世界 2左右的我国 交通事故死亡人数却占世界的 15，由此可以看出我国在汽车安全方面则更为 严重。作为主要交通运输工具的车辆，其性能的好坏是影响交通安全的重要因 素之一；在车辆因素中，由于汽车制动方面的原因造成的交通事故占总交通事 故的 1l。 汽车行驶时能在短时间内停车且方向稳定和在下长坡时能维持一定车速的 能力，称为汽车的制动性。其能直接关系到行车安全，是汽车的主要性能之一。 汽车的制动性取决于其制动系统，而制动器是制动系统的关键部件，其直接影响 汽车制动系统性能的发挥，故而制动器是汽车安全行驶的重要保障，没有制动器 汽车就不能安全行驶。 客车用盘式制动器是一种应用十分广泛且成熟的制动方式，但是其制动性能无 法实现在线动态监测，因而给客车的安全行驶带来了一定隐患。随着自动化技术的 发展，可以借助于单片机构建在线动态检测系统，实现对盘式制动器制动性能的动 态在线检测，从而为制动性能的评估提供基础数据。该课题的研究内容十分丰富， 几乎囊括了机制专业、机电专业学生所学的全部专业课程知识，主要包括机械系统 功能原理方案设计，以及机电一体化系统和测控单元的设计。 1.2 论文研究的目的和意义 盘式制动闸的制动性主要取决于摩擦副的摩擦性能，这里摩擦副主要是由摩擦 材料、对偶盘组成，其中摩擦材料和对偶盘之间的摩擦状况直接影响着制动器的性 能。而现实中人们对盘式制动闸的制动性能在线检测的研究却比较少，根据目前制 动闸使用的实际工作状况，利用微电子新技术，研制一种具有检测功能的制动闸装 置，对制动闸进行监测，可以提高设备的安全可靠性，对实际工程应用有很重要的 意义。特别是随着科学和社会的不断进步，对设备的要求也逐渐向自动化和人性化 方向发展，要求使用的设备安全可靠、环保、节能，这样对制动系统也提出更高的 要求。 该选题将机制专业学生所学的专业课程，如机械系统运动模型设计、传感检测 电路设计、机电一体化、单片机测控系统等课程知识有机的融合在一起，同时动手 实践要求较高，对于提高本科生的理论应用于实践的能力有帮助，因而适合本科生 作为毕业设计的选题。 1.3 论文在国内外研究的现状 该课题在国内外都取得了相当部分的研究成果。部分研究成果如下： 1王永臣 陈刚 王磊 崔秀 在单片机制动器自动调节系统中给出单片机 制动器自动调节系统的结构，阐明了它的工作原理和特点。系统采用根据流过电机 电枢的电流控制电机启停的方法和多种抗干扰措施。其控制方案新颖，工作可靠， 抗干扰能力较强。 2庄光山 王成国 姚永强 王海庆在制动盘对盘形制动摩擦性能的影响中 研究了惯性力矩制动试验台。对多种不同石墨形态的铸铁制动盘与混杂纤维增强酚 醛基制动器片配副时的摩擦磨损性能进行了研究。结果表明：制动盘对盘形制动摩 擦性能有明显影响。 3程真启 高顶 张晓光 赵番在矿井提升机制动器间隙监测仪的设计中绍 了基于 Meal6 单片机的矿井提升机器间隙监测设备的设计方法，通过对煤矿提升机 器间隙和空动时间的测量，能够实现对盘形器的监测，解决了煤矿提升的安全隐患 问题，满足了煤矿安全生产的需要。 4贾福音 李志佳 王一宾 孙晋响 在摩擦提升机滑绳安全可靠制动分析 中析了摩擦提升中绳滑动与绳静、动张力的关系。通过理论分析、参数分配提出了 满足系统安全可靠制动的外力制动方式，此方式不仅可以解除滑绳事故，也可以保 证制动器失灵状态下，对系统可靠制动。这套设备的研发成功，可有效控制滑绳事 故的发生，为摩擦提升矿井安全高效生产提供保证。 5陈磊 任中全 熊双辉在矿井提升机盘式制动器空动时间测试装置设计 中针对矿井提升机盘式制动器空动时间偏长对矿井提升机事故的影响,依据煤矿 安全规程对盘式器空动时间测试方法进行了研究,采用了继电器的工作原理设计 了测试盘式器空动时间的测试装置,并使用虚拟仪器测试系统,通过 Lab VIEW 编程 语言程序对本测试装置进行了验证。 6王宏德在盘式制动器制动力矩下降原因分析与对策中通过对盘式制动 器制动力矩下降原因的分析, 提出了相应的防范对策, 取得了较好的效果。系统操 作简单快捷, 能够实现真正的自动排料。可靠性进一步提高, 维护量大大减少, 整 个系统控制完全数字化, 通过操作面板上的数码管显示及几个触摸按钮, 即可完成 全部操作。 7和田雄一等(日)在新开发的制动器片和制动盘中阐述新开发的耐磨耗 制动器片和耐热裂纹制动盘的优良性能, 两者组合使用时, 经济效益颇佳。新开发 的制动器片, 与各国采用的器片相比, 其耐磨性较佳, 对制动盘也没有破坏作用。 NCM 制动盘耐热裂纹性好, 也有减低摩擦副器片磨耗的效果。新开发的制动器片与 制动盘组合使用时, 对降低车辆维修成本具有很大的意义。 8. XAVER WIRTH德国在制动器片提高了盘形制动器的性能中介绍德国 铁路公司的高速列车与早期列车的四个制动盘相比, 它在每根轴上只装两个制动盘, 使用一种改善了接触模式的先进制动片, 可以降低嗓声并使能全吸收能力提高了。 9. 庄光山 王成国 王海庆 姚永强在混杂纤维增强制动器片的制动性能研究 中采用改性酚醛树脂为基体, 炭纤维与钢纤维、矿物纤维等混杂材料作为增强材料, 研制了适用于提速列车盘形制动的少金属制动器片。在惯性力矩试验台上对其制动 性能进行了测试。试验结果表明, 该制动器片在各种规定试验条件下的摩擦性能均 能满足最高运行速度为 120 km/ h 160 km/ h 的提速列车的使用要求。 10. 赵建明 吴鹏在半金属基提速客车盘形制动器片摩擦特性的研究中介 绍了一种适用于制造提速客车盘形制动器片的半金属基摩擦材料的摩擦磨损特性方 法。试验表明研制的配方半金属摩擦材料具有稳定的摩擦系数和较好的耐磨性及其 抗热衰退性。实物惯性台架试验结果表明, 研制的配方器片具有较高的摩擦系数, 制动距离较短, 制动性能稳定, 完全能满足提速客车运行的制动要求。 综上所述： 以上文献中作者从多个思路对盘式制动器的工作原理及条件有详细描述，多有 从材料的角度来阐述车用盘式制动器的摩擦性能，但在检测动态性能方面少有阐述 尤其未曾涉及传感器，A/D 数模转换的内容，所以众论文只是提供了盘式制动器的 感性认识和制动状态描述。 1.4 论文课题主要工作内容和本研究要解决的问题 本课题主要解决以下问题： (1) 传感器的选型设计与计算 (2) 盘式制动器制动性能模型研究 (3) 基于单片机的数据采集单元的设计，主要包括检测传感器的选型设计、 A/D 转换设计、控制单元设计、通信设计等 (4) 制动系统软件程序设计 本研究能达到的预期效果如下： 1.制动性能模型研究 主要有施闸及松闸过程中闸瓦运动学分析和制动力矩分析，此分析建立了制动 器的制动动力学模型，得到了制动性能参数之间的相互影响关系，为检测系统的设 计提供基础性理论指导，可为传感器和检测系统的设计提供基础性数据。 2.检测系统总体设计 （硬件）主要有传感检测部分、数据采集部分和系统监控部分，传感器可以选 用速度传感器，压力传感器、位移传感器，数据采集器主要采集模拟量，分为信号 调理模块、A/D 转换模块、单片机、串行通讯模块和电源。A/D 转换主要考虑转换 速度和精度；本系统选用的单片机要能够控制选择 A/D 转换芯片并读取 A/D 转换数 据，同时还应有与上位工控机进行串行通信的功能。数据采集器采用 12V 供电，为 了提高系统的可靠性，在系统的硬件、软件设计上都必须采取相应的抗干扰措施。 （软件）单片机系统软件：采集速度、压力，位移传感器输出的模拟信号，并 实现单片机和工控机的串行通信；组成：主程序+中断程序 主程序是完成单片机 系统初始化并采集传感器输出的信号；串行中断程序是完成单片机系统与工控机的 串行通信。 2 盘式制动闸制动模型分析 2.1 制动系统的基本性能要求 盘式制动闸是车辆系统中的一个重要部件，它的主要作用是使车辆在出现故障 或者在需要停止时，使车能在人们要求的时间内停止运动，也就是说需要把车的动 能尽快转化为其他形式的能量，达到消耗动能的目的。它的工作机理是靠两个相对 运动的表面相互摩擦时所产生的摩擦阻力来转化车动能的，将车的动能转化为热能， 从而达到停车制动的目的。盘式制动器相对于鼓式制动器具有制动性能稳定(制动 因数与摩擦系数成线性关系)，力矩容量大、只承受轴向力、结构紧凑、散热性好 等突出的优点，所以在实际中被广泛应用。 近年来，随着人们对车辆的安全意识的提高、制动闸的安全可靠性能倍受重视， 对制动闸的性能提出以下几点基本要求: (1)要有足够的制动力矩，这是保证安全制动可靠的基本条件。 (2)摩擦副所产生的摩擦力矩要稳定，在受到外界条件的变化(速度、温度、湿 度、驱动力等)的条件下，它的变化也要尽量小。 (3)散热性好，避免摩擦表面温度过高。 (4)工作中噪音低、对环境的污染小。 (5)具有一定的耐磨性，要有一定的安全使用寿命。 (6)操作、维修简单方便。 2.2 制动系统工作原理分析 盘式制动器又称为碟式制动器，其摩擦副中的旋转元件是以端面工作的金属圆 盘，称为制动盘，用螺钉固定在车轮的轮毅上。盘式制动器分为钳盘式与全盘式， 其中钳盘式分为固定钳式和浮动钳式，而浮动钳式又分为滑动钳式与摆动钳式。 通常制动器都是通过其固定元件对旋转元件施加逆向力矩，通过制动器摩擦副 之间的相对滑动，把动能转化为热能由此达到摩擦减速制动的作用。盘式制动器摩 擦副中的旋转元件是一个被安装在车轴的轮毅上，以端面为工作表面的金属圆盘， 称作为制动盘。制动器的固定元件称作制动块，由两到四个工作面积大概为制动盘 包角 20左右的的摩擦片镶嵌在一个质地较硬的金属背板上组成。内外制动块及其 的助动装置都装在横跨制动盘两侧的一个安装在悬架上夹钳型支架中，总称为制动 钳。当驾驶人员踩下制动踏板，与之相连的推杆于是会推动制动主油缸中的活塞前 进，使得油缸中的液压升高，液压油在压力的作用下经过油管进入制动器油缸中， 再把力传递到制动器油缸中的活塞上推动其法向移动，最后活塞接触到制动盘而产 生制动力，并牢牢把制动盘加紧。 制动器结构如图 图 2-1 盘式制动器结构图 钳盘式制动器的制动钳既可以固定在车桥上，也可以浮动在悬架上，因此又可 分为定钳盘式制动器和浮钳盘式制动器两类。如图所示为定钳和浮钳两类盘式制动 器示意图。 图 2-2 定钳盘式制动器 在定钳盘式制动器中，跨置在制动盘 1 上的制动钳体 5 固定安装在车桥 6 上， 它不能旋转也不能沿制动盘轴线方向移动，其内的两个活塞 2 分别位于制动盘 1 的 两侧。 图 2-3 浮钳盘式制动器 在浮钳盘式制动器中，制动钳体 2 通过导向销 6 与车桥 7 相连，可以相对 于制动盘 1 轴向移动。制动钳体只在制动盘的内测设置油缸，而外测的制动块 则附装在钳体上。 盘式制动闸的工作原理是：施闸时，减小从控制油口输入的控制油压，当控制 油压在活塞上的作用力小于碟型弹簧弹性恢复力时，碟形弹簧推动筒体向前运动， 安装在筒体上的闸瓦压向制动盘进行制动。松闸时，增大从控制油口输入的控制油 压，当控制油压在活塞上的作用力大于碟形弹簧弹性恢复力时，活塞通过连接轴带 动筒体压缩碟形弹簧，闸瓦远离制动盘实现松闸。 盘式制动闸的制动力矩是靠闸瓦从两侧压向制动盘，使闸瓦与制动盘之间产生 摩擦力而产生的。为了使制动盘不产生附加变形，滚筒主轴不承受附加轴向力，制 动闸都是成对使用，每一对叫做一副盘式制动闸。根据制动力矩的大小，每辆客车 可布置多副制动闸。 2.3 制动系统的结构分析 目前盘式制动闸包括老式的碟形弹簧后置式和新式的碟形弹簧前置式两种。图 2-4（a）为碟形弹簧后置式制动闸结构图，图2-4（b）为碟形弹簧前置式制动闸结 构图。 1、制动盘 2、衬板 3、活塞 4、制动器体 5、液压缸 6、碟形簧后盖 7、碟簧 8、后盖 9、连接螺栓 10、控制油口 11、筒体 12、闸瓦 (a) 碟形弹簧后置式制动闸结构图 1、筒体(带衬板) 2、碟型弹簧 3、弹簧座 4、挡圈 5、油缸 6、泄漏油口 7、活塞 8、连接栓 9、后盖 10、液压缸盖 11、控制油口 12、制动器体 13、连接轴 14、压板 15、闸瓦 16、制 动盘 (b) 碟形弹簧前置式制动闸结构图 图2-4 盘式制动闸结构图 盘式制动器摩擦副中的旋转元件是以端面工作的金属圆盘，轮缸的压力作用在 制动钳上，使其压靠在制动盘的端面产生制动力矩。由于结构的关系，盘式制动器 一般无摩擦助势作用，因此制动器效能受摩擦因素的影响较小，效能比较稳定。 制动器是制动系中用以产生阻碍车辆的运动或运动趋势的力的部件。除了竞赛 汽车上才装设的、通过张开活动翼板以增加空气阻力的空气动力缓速装置以外，一 般制动器都是通过其中的固定元件对旋转元件施加制动力矩，使后者的旋转角速度 降低，同时依靠车轮与路面的附着作用，产生路面对车轮的制动力以使汽车减速。 凡利用固定元件与旋转元件工作表面的摩擦而产生制动力矩的制动器，都称为摩擦 制动器。盘式制动器的旋转元件为圆盘状的制动盘，以端面为工作表面。盘式制动 器的摩擦副中的旋转元件是以端面工作的金属圆盘，此圆盘为制动盘。 2.4 制动过程模型分析 制动闸的制动过程，从能量的观点讲，可以把制动闸看成是一种能量转换装置， 它在规定的时间内将运动物体的动能转化为热能或其它形式的能量，以实现减速、 停车的目的。制动闸制动的可靠程度决定了车辆的安全可靠性。 2.4.12.4.1 制动过程分析制动过程分析 制动装置的作用在于使行驶中的车辆减速或者停车。一般的制动装置是以车辆 的动能转化成热能来确保上述的制动力。车用的制动系统一般广泛的采用液压制动。 驾驶员加在制动踏板上的力，通过踏板杠杆按一定的比例传给增力装置，增力装置 由其它的能量将力增大后，传给制动主缸。制动主缸压力转换为液压，通过制动硬 管、制动软管，传至车轮制动器的轮缸。车轮制动器由轮缸液压推动盘式制动器摩 擦块或鼓式制动器的制动蹄压紧制动盘或制动鼓，使其之间产生摩擦力，即为制动 器制动力。 如图2-4所示的盘式液压制动闸从结构上讲，这种制动器的制动是靠摩擦片和摩 擦盘之间的摩擦力矩产生，摩擦片在工作中很容易磨损，而其中的摩擦片磨损程度 检测现在是靠人工来完成，通过后盖上的测量孔对制动器进行定期检查。由于这种 制动器制动力矩大，这些设备的工作环境恶劣，使人工检测不容易进行或容易产生 误差，无法真实反映出摩擦材料的磨损情况，更不能反映出由于摩擦热而引起的破 坏程度或潜在的热疲劳程度。 现在是凭借经验数据，规定摩擦片的使用时间，使用期限达到，不论实际的摩 擦材料的磨损情况，一律更换以保证机器设备的安全性。这样的操作有两个缺陷: (1)会出现在摩擦材料仍然可以安全使用的情况下提前换掉，造成摩擦材料的浪费 (2)还会出现由于某种原因没有及时更换、或者测量失误等，使摩擦片没有及时更 换会出现不安全的潜在危险，所以对制动器的在线检测动态监测是很必要的。 2.4.22.4.2 制动过程建模制动过程建模 2.4.2.1 施闸及松闸过程中闸瓦运动学分析 x P 0 D 1 D 1234 o x o F N fm 1、碟形弹簧 2、活塞 3、闸瓦 4、制动盘 图2-5 盘式制动闸制动力学模型 以活塞为研究对象，活塞在运动过程中，根据质心运动定理得到： 为活塞有效作用面积； P A 为第 个制动闸内碟形弹簧的正压力； i N i 将式(2-6)、(2-7)代入式(2-5)得到制动力矩： 以轴心为质点的力矩方程为: (2-13)rFxMfMbdtdJ/ 式中: 车轮总成的转动惯量(kgm );J 车轮的旋转角速度(rad/s); 制动器对车轮的制动力矩(Nm);Mb 车轮受到的滚动阻力矩(Nm)。Mf 汽车制动时，由于路面对车轮的滚动阻力矩和汽车回转质量的惯性力矩都很小， 可以忽略其影响。因此上式可简化为力矩平衡方程， (2-14) rFxMb 同时制动器的制动力矩必须满足 (2-15)rFxrFxMbmax 2.4.2.5 动力学模拟参数的计算 1.单轮的等效转动惯量 制动器的制动过程是把汽车的机械能转化为热能的过程，根据能量守恒定律可 以确定制动器单轮的等效转动惯量: = (2-16) 1 2mv 1 2 I 式中:质量(kg);m 行驶速度(m/s);v 整体的等效转动惯量(kgm);I 车轮的转动角速度(rad/s)。 制动过程中，假设车轮只有纯滚动，有 = (2-17)vr 式中: 车轮滚动半径(m)。r 把公式(2-17)代入公式(2-16) = (2-18)Imr 制动过程中汽车具有惯性，使得前后车轮承受了一个法向惯性力，惯性力促使 汽车前后车轮的摩擦功、制动力矩及等效转动惯量都发生了改变。 2.车轮的角速度 根据制动开始时汽车的初始速度，可以得到 = （3.6 ） (2-19)00vr = (2-20)dtd/IfMb/ =-=- (2-21)0t0IfMb/t 其中: 车轮的初始角速度(rad/s);0 汽车的初始速度(km/h)。0v 车轮角减速度(rad/s ); 车轮的瞬态角速度(rad/s); 时间。t 2.5 本章小结 本章详细介绍了盘式制动闸的结构和工作原理，在此基础上总结了国内外在此 方面的研究现状。建立了汽车制动闸的制动动力学模型，得到了制动性能参数之间 的相互影响关系，为检测系统的设计提供基础性理论指导。阐述了制动闸需要满足 的基本性能要求，介绍了各种不同类型制动闸的发展现状和应用场合;介绍了盘式 制动闸的组成、工作原理和结构特点。分析了盘式制动闸存在的主要问题，指出研 制制动闸摩擦在线检测系统的必要性。在线检测系统是现代设备的必然要求和发展 趋势，它能有效的保障人身和设备安全、提高设备工作的可靠性和自动化程度，使 得设备管理更加合理化、科学化。 3 盘式制动闸制动性能检测系统总体方案 3.1 总体方案 3.2 系统的主要功能与技术指标 3.2.13.2.1 主要功能主要功能 1、对客车用制动系统盘形闸参数进行实时监测; 采用基于单片机开发的数据 采集器采集制动力矩、闸间隙和制动减速度传感器输出的模拟量信号； 2、盘形闸工作间隙位置校准; 通过对串口接收检测数据的分析处理与融合，得 到制动性能参数，对盘式制动闸制动性能进行评判； 3、静态数据断电后可以长期保存； 4、具有自恢复功能，可以避免干扰引起的系统“死机”现象。 根据现场的实际情况，面对所需要解决的实际问题，确定方案的原则: 1、系统适应持续工作; 2、准确实时测量; 3、可实现远距离观测和控制; 4、系统可靠性高; 5、具备较好的性价比。 基于以上原则设计出了系统方案，系统由两部分组成:上位机和下位机。上位机 由计算机和通信接口组成，计算机安装有专门的监测软件，监测软件借用计算机的 强大功能实现远程实时观测和控制，通信接口则完成通信电平的转换和数据通信。 下位机则以微控制器为核心，辅以相关外围电路完成盘形闸工作参数实时监测，进 行数据采集处理和通信。 3.2.23.2.2 主要技术指标主要技术指标 1、工作间隙测量范围:0 一 3mm 2、测量误差:士 10% 3、转换精度:10% 4、测量周期:400ms 5、电源电压:220V 或 127V 6、主机工作电压:+5V 7、环境温度:0 一 70 3.3 系统设计流程 检测技术也称测试技术，它包括测量和试验两方面。测量，就是把被测对象的 某些特征信息提取出来，并加以度量;试验，就是通过某种人为的方法，利用专门 的装置，把被测系统所存在的某种特征信息，激发出来并加以提取测量。微电子技 术的发展，推动了检测技术的进步，使得仪器仪表不断地向智能化、数字化、小型 化、多功能化方向发展。检测技术中的数据处理能力和在线检测、实时分析能力大 大增强，仪器仪表的功能得以扩大，精度和可靠性有了很大的提高。 信息的提取一般采用传感器件来完成。传输信息的载体是信号，为了便于对被 测信息进行后续处理，通常是将被测信息转换成电信号，也就是把被测信号转换成 电压、电流或其它电路参数(电阻、电感、电容)等电信号输出。一般来讲信号的转 换存储与传输需要中间转换装置来完成，通常是把信号转换成便于传输、功率足够 大，并具有一定驱动功能的电压或者电流。 总的来讲，检测技术具有如下三种功能: (1)过程中参数测量功能; (2)过程中参数监测控制功能; (3)测量数据分析判断功能。 检测系统由硬件和软件两大部分组成。首先要全面、正确、均衡地分配软、硬 件功能，应当综合考虑系统要求、开发周期、产品成本、系统可靠性等多方面因素。 增大硬件功能的比例可以提高速度，减少所需的存储容量，有利于检测和控制的实 时性，但同时会增加成本，电路变得复杂，降低了可靠性，而且开发周期较长。而 软件和硬件的合理分配既可增强仪器的功能，提高测量精度，又可使系统的结构更 加简单和紧凑，节省投资。因此遵循的原则是既能实现功能指标，同时系统成本又 最低。考虑到本系统具体情况，应尽量以软件代替硬件来实现功能，降低成本，同 时力求电路简单，工作可靠。 本系统基于上述原则分配软硬件功能：硬件主要功能是从现场获取被测信号， 完成数据的采集、处理、显示、存储以及通讯。软件由 2 部分构成：单片机系统软 件，用于完成信号采集和传输；计算机智能分析软件，完成程序界面的开发，进行 进一步分析处理并完成显示、存储、报表生成与打印等工作。 总体方案确定之后，系统软、硬件设计工作可以同时进行。硬件和软件只有紧 密配合，协调一致，才能组成高性能的智能检测系统。在系统的研制过程中，软硬 件的功能总是不断地调整，以便相互适应，相互配合，达到最佳的性价比。 首先，根据设计方案进行相关资料文献的检索，确定芯片选型、选择功能扩展 电路、接口电路的方案，完成硬件电路原理图。再次，在完成硬件部分设计的同时， 应进行单片机、计算机智能分析软件模块的开发和编程。在确定电路原理和硬件均 无重大问题的情况下，对已设计的系统软件分模块逐一进行调试，如有问题，及时 修改，然后完成单片机系统程序的录入。最后，集成各部分子系统，构建整个系统， 使其能够满足现场应用要求。 3.4 本章小结 本章根据盘式制动闸制动性能检测系统所要实现的功能，对系统进行整体设计： 整个系统由传感检测部分、数据采集部分和系统监控部分组成；采用两级分布式结 构，工控机作为上位机、数据采集器作为下位机；工控机和数据采集器之间采用多 机主从串行通信方式。同时，本章对系统的设计流程也进行了详细阐述。 4 检测系统硬件设计 本章根据检测系统的功能要求进行系统硬件设计。为了直接测量制动力矩和快 速可靠地检测出闸间隙，结合盘式制动闸结构特点和现场应用要求设计了制动压力 传感器和霍尔位移传感器。本章对传感器设计和选型、数据采集器的设计以及和工 控机选型作了详细介绍。 4.1 单片机的选择 单片机是整个检测系统的核心元件，负责对检测信号进行数据处理、显示、存 储和报警功能。单片机的选用原则是在满足测试系统要求的条件下，需要具有一定 的灵活性和一定的扩展功能。 单片机 AT89C52 是 ATMEL 公司生产的一种低电压，高性能 8 位单片机，片 内含有 8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储闸(EPROM)和 256 bytes 的随机数据 存储(RAM)，它采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理闸和可擦写的 Flash 存储单元， AT89C51 单片机应用于许多控制系统场合。 单片机 AT89C52 主要性能参数: 8K 字节可编程闪速程序存储闸，1000 次擦写周期，数据可以保留 10 年; 全静态工作:0MHz 24MHz;三级加密程序存储闸，256x8 位内部 RAM; 32 条可编程的 v0 口线;3 个 16 位定时闸/计数闸;8 个中断源;可编程串行 UART 通道;低功耗空闲和掉电模式; 单片机 AT89C52 优点是: 内部包含存储闸，在系统开发过程中能很容易地进行程序的修改，可大大缩 短产品开发周期。同时在外界电源损坏的情况下，仍能保存信息。 AT89C52 内部采用了 FLASH 存储闸，在编程出现错误时可以随时修改， 直到修改正确为止，方便用户编程。 用 AT89C52 设计的系统，可以反复进行系统试验、调试，每次调试可以编 入不同的程序，这样可以保证系统的设计达到最优，而且可以按照用户的需要随时 进行修改，使设计的系统能适应用户的最新要求。 AT89C52 设有静态逻辑，可以在零频率条件下工作，支持两种软件可选的省 电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作，但片内 RAM、定时闸/计数闸、串口和中 断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡闸，禁止所有其 它片内控制单元功能，直到下一次硬件复位为止。 本系统以 AT89C52 为核心，完成检测存储功能。系统上电后，AT89C52 首先 要对相关的外围器件进行初始化设置和自身功能设定，然后循环检测各路传感器信 号，储存数据传送上位机。 4.2 传感器的选择 传感器是连接被测对象和检测系统的接口，它采集的信息是系统进行处理和判 断的依据，在很大程度上影响和决定了系统功能的准确性。 传感器是作为一种把输入的非电量(物理量、化学量、生物量等)信息转换成电 量信号输出的器件或装置，其构成核心是能把非电量信息转换电信号的转换元件。 这种转换功能，对物性型传感器可一次完成，实现“被测非电量一有用电量”的直 接转换;而结构型传感器必须通过前置敏感元件预转换后才能完成，即实现“被测 非电量一有用非电量一有用电量”的间接转换。此时，传感器就由敏感元件、转换 元件和其他辅助元件组成。 对于不同的检测量，要根据被检测量的特征及其在试验过程中的变化情况来选 用符合实际情况的传感器。以单片机为信息处理核心的检测系统具有较强的功能， 能够实现检测信号的显示，具有数据处理和判断功能。 通过本检测系统的研制，可以对制动系统进行检测，通过测试的数据，可以对 系统进行分析，同时可以实现实时对系统的状态进行判断和故障诊断。总之，通过 对制动系统的实时在线检测，可以及时发现故障苗头，使问题刚开始出现时就能得 到及时解决，对事故的发生和扩大将起到有效的预防作用。 1.利用电阻测量的传感器有:电阻应变式传感器和电位器式。 1)电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的 结构型传感器。压电式位移传感器，由于压电元件的特性，它只能用于不断变化的 位移测量;应变片式传感器，用于由力或热产生的变形的测量。 2)电位器式是利用移动电位器触点改变电阻值，来测量位移。电位器式传感器 可用于中、小位移(几十毫米内的位移量)，用于精度要求不高的场合。优点是结构 简单、成本低。 2.利用电感的位移传感器有:自感式、互感式、电涡流式、感应同步器。 1)自感式的是通过改变磁路磁阻使线圈自感变化，利用线圈自感的改变来实现 非电量与电量的转换。目前常用的有三种类型:变气隙型、变面积型、螺管插铁型。 其基本结构含线圈、铁芯、活动衔铁等三个部分。电感式传感器主要用于小位移量 的测量，测量精度高，用于小偏差测量可达亚微米精度。传感器输出阻抗小，有较 强抗干扰能力。广泛用于各种测量，包括加工中的测量，它能用于几至几百赫兹变 化量的测量。 2)互感式(变压闸式)是通过改变互感来检测，互感式传感器又称变压器式传感 器，它与电感式传感器不同在于互感式传感器是先把被测量的变化转换成线圈相互 的互感的变化，再经变换成为电压信号输出。变压闸式传感器以差动形式为最常用， 差动变压闸式传感器又简称差动变压器。变压器式传感器的特点与应用范围大致与 电感式传感器相同，但高精度场合以用电感传感器为多。 3)电涡流式传感器是利用电涡流现象改变线圈自感、阻抗的原理，电涡流式传 感器的基本结构包括探头和变换器两部分。变换器由测量电路组成，探头主要是由 一个固定在框架上的扁平线圈组成，一般放在端部(线圈可绕制在框架槽内，也可 用粘合剂粘结在端部)。它主要用于尺寸和位移参数的测量，可用于不接触测量， 精度可达微米级。电涡电流式分辨率好，但易受被测物体材料、形状、加工质量影 响。 4)感应同步器是利用两个平面绕组的互感随位置不同而发生变化的原理来测量， 感应同步器主要用于大线位移的测量，可测量长达几米的线位移的测量，它的输出 阻抗低，抗干扰能力强，对环境要求不高。 3.磁电式传感器是通过磁电作用将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信 号的一种传感器。利用磁电效应的位移传感器有:霍尔式、磁栅式、磁敏式。 1)霍尔式传感器是利用半导体霍尔元件的霍尔效应; 2)磁栅式传感器的是利用磁头和磁栅相对移动，从而在磁头上感应出电信号， 此类传感器属于数字式传感器的一种，与另外一种数字式传感器一感应同步器的特 点及使用范围相似，其精度略低于感应同步器。磁栅式传感器用于大线位移与 360 度内角位移的测量。 3)磁敏式传感器是以固体中的磁电转换效应为基础，因为载流半导体在磁场中 有磁电效应(霍尔效应)而输出电势，该类传感器主要有磁阻传感器、磁敏二极管和 磁敏三极管等。 4.利用电容的传感器有:电容式、容栅式 1)电容式传感器是通过改变电容量来进行测量，电容式传感器是将被测非电量 的变化转换为电容变化的一种传感器，它具有结构简单、灵敏度高、动态响应好、 可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容式传感器主要用于小位移、尺寸偏 差等的测量，可实现不接触测量，频率响应高(可达数千赫)，灵敏度高。它输出阻 抗高，传感器电容值小，易受外界环境因素干扰，使用时需采取妥善屏蔽措施，在 采取可靠屏蔽措施条件下可达很高精度(可达微米至几十纳米)。 2)容栅式传感器是利用通过改变电容量或加以激励电压来产生感应电势的原理 来测量，利用容栅可实现大位移测量(量程达数百毫米)。容栅结构简单、尺寸小 (与栅等相比)，常用于数显量具中，精度可达几微米。 5.光电式传感器有:一般形式、光纤式、光学编码器式、光栅式 1)一般形式是先通过改变光路的光通量，再利用各种光电器件的光电效应将信 号转换成电信号的一种传感器。 2)光栅式传感器，先利用光栅形成的莫尔条纹和位移之间的关系，再利用各种 光电器件的光电效应将光信号转换成电信号的一种传感器。光栅式传感器用于大线 位移的测量。 3)光纤式传感器，利用光导纤维的传输特性或材料的效应或传光，再用各种光 电器件的光电效应将光信号转换成电信号。 4)激光干涉传感器、多普勒效应、衍射及光电器件来测量，激光干涉传感器主 要用于大量程、高精度的测量，每米可达0.1-0.2微米。 本系统通过压力传感器和位移传感器接收检测部位的信息，经过A/D模数转换 输入到单片机中，在单片机中对检测信号进行数据处理，然后传给上位机。 位移传感器，本系统采用电涡流传感器，它由探头，延伸电缆，前置器及被测 体构成基本工作系统图。 图 4-1 电涡流传感器系统图 前置器中的高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产 生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场 能量会全部损失;当有被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，电 磁学上称之为电涡流。与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的 交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位发生改变(线圈的有效 阻抗)，这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率 以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性 能是线性和各项相同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率 磁导率 尺寸因子 头部体线圈与金属导体表面距离 D，电流强度 I 及频率 参数来描述，则线圈特征阻抗可用 Z=F（，D，I，）函数来表示。通常 我们能做到控制 ，I， 这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗 Z 就成为距离 D 的单值函数，虽然其整个函数为非线性的，其函数特性为“S”型 曲线，但可以选取它近似为线性的一段，通过前置器的电子线路处理，将线圈阻抗 Z 的变化转化为电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间 距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移，震动等参数的 测量。 其工作过程是，当被测金属与探头之间的距离发生变化时。则探头中线圈的 Q 值发生变化，Q 值的变化引起振荡电压幅度的变化，这个随距离变化的振荡电压经 过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压(电流)变化。最终完成机械位 移(间隙)转换成电压(电流)。 本系统选择位移传感器的型号为:CZFBZF 系列电涡流位移传感器 它的技术参数为: 1)线性范围:0-6 (mm) 2)线性误差:0.6%-3.0% 3)探头外径:18 (mm) 4)信号输出:4-20mA. 5)工作温度:传感闸:100C，前置闸65C 6)工作电源:正负 24VDC 产品优点:非接触电涡流式位移传感器，具有非接触测量、线性范围宽、灵敏度 高、抗干扰能力强、无介质影响、稳定可靠、易于处理等优点。 压力传感器作用是检测制动压力的大小。在设计中选用 KYC01 型绝压/压力传 感器，最小量程范围:0 一 200kPa;最大量程范围:0 一 700kPa;压力传感器采用 12V 供电，满量程输出为 20mV，由于需要的制动力比较小，故在设定时的量程范围为 0 一 0.6MPa，即当压力的值为 0.6MPa 时，输出为 20mV。压力传感器的尺寸外形 如图所示。 图 4-2 压力传感器外形图 由于传感器输出的电压幅值在 0-20mv 之间，信号立即使用，需要对信号进行 放大处理。制动压力传感器的输出口有 3 个，分别是地线，直流电压和输出线。在 设计的放大电路中输入口也与压力传感器对应。由于传感器输出的信号较弱，往往 包含有工频，静电和电磁耦合等共模干扰，这就需要放大电路需要很高的共模抑制 比以及高增益，低噪声和高输入阻抗，电路结构图如下所示。 图 4-3 压力传感电路 转速传感器的选择,选用光电式传感器测转速。这种传感器把旋转轴的转速变为 相应频率的脉冲，然后用测量电路测出频率，由频率值就可以知道所测转速值。这 种测速方法具有传感器结构简单，可靠，测量精度高的特点，是目前常用的一种测 量转速的方法，如图 4-4 所示，它由测速齿盘 1，光源 2，光敏元件 3 组成。从光源 发出的光通过测速齿盘上的齿槽射到光电元件上，使光电元件感光。测速齿盘上有 30 个齿槽，当测速齿盘旋转一周，光敏元件就能感受到与开孔数相等次数的光次数， 因此产生相应数量的电脉冲信号。 图 4-4 转速测量原理 4.3 信号调理电路设计 信号调理电路的主要功能是将制动压力传感器输出的 020mv 的信号调理放大 为 05V 的标准电压信号，放大电路的增益放大倍数为 250。同时，放大电路的设 计还要考虑传感器输出的电特性。由于制动压力传感器输出的信号是从高共模电压 中检测出的微弱差分电压信号，要求放大电路具有高的输入阻抗和共模抑制比。为 此放大器采用由三个运算放大器构成的二级运放电路，放大电路原理图如图 4-5 所 示。 U1 和 U2 构成第一级差动放大电路，该电路的放大倍数为，由RwRs/21 U3 构成的第二级放大电路的放大倍数为，整个放大电路的放大倍数为1/ RRf 。以此确定的电阻元件的大小为，) 1/(*)/21 (RRfRwRsKRw20KRs240 ，放大电路的增益为 250，该电路的输入阻抗高达几十兆欧，KRf33KR3 . 31 共模抑制比高达 160dB，满足制动压力传感器的信号放大要求。 7 8 1 24 U1A 7 8 1 24 U2A VCC VCC 20K RW 240K RS 240K RS 3.3K R1 3.3K R1 33K Rf 7 8 1 24 U3A VCC 33K Rf Uo Ui2 Ui1 图 4-5 制动压力传感器信号放大电路 4.4 A/D转换器选择 由于单片机不能处理模拟信号，所以需要A/D转换器来将模拟信号转换为数字 信号后再进行处理。选择A/D转换器时主要考虑以下两个因素:转换速度，它反映 了数据的转换时间。ADC型号不同，转换速度有很大差别。转换精度，ADC的转 换精度取决于模拟误差和数字误差。模拟误差是由比较器解码网络中电阻值以及基 准电压波动等引起的误差。数字误差主要包括丢失码误差和量化误差，前者属于非 固定误差，与器件的制造质量有关系，后者与输出数字量的位数有关，位数越多， 误差越小。ADC0809是TI公司生产的12位串行模数转换器，运用开关电容逐次逼近 技术完成A/D转换过程。开关电容的设计可以使它在整个温度范围内有较小的转换 误差。除了高速的转换器和通用的控制能力外，本器件还有一个片内的多路器可以 在多个输入通道内部自测试电压中任意选择一个。这种形式的通道速度较慢，但硬 件开销少，对转换速度要求不高的系统比较合适。由于是串行输结构，能够节省单 片机的I/O资源，且价格适中，分辨率较高。 ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D 转换器。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。是目前国内应用最广泛的8位通用 A/D芯片 1主要特性 1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时） 4）单个+5V电源供电 5）模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准 6）工作温度范围为-40+85摄氏度 7）低功耗，约15mW 2内部结构 ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路 模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、 逻辑控制和定时电路组成。 图4-6 ADC0809内部结构和外部特性 3外部特性（引脚功能） IN0IN7：8路模拟量输入端 2-12-8：8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转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉 冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换） 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，单一+5V GND：地 ADC0809的工作过程 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。 转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传 送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。 为此可采用下述三种方式。 （1）定时传送方式 对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例 如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可 据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换 肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。 （2）查询方式 A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以 用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。 （3）中断方式 把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据 传送。 不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。 首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单 片机接受。 图4-7 AD模块接线图 4.5 电源设计 检测装置能否稳定、可靠的工作，稳定的供电电源设计是非常重要的。数据采 集器采用 12V 供电。从前面的电路设计可知，单片机工作电压为 5V，位移、制动 压力和油压传感器工作电压为 5V，同时还要提供精密稳定电源 5V 给 A/D 转换作 为参考电压。 因此，需要设计一个稳定的电源电路供给不同的器件不同的电压值， 以满足其工作需要。 集成稳压块 7805 的作用为把非稳定的 12V 直流电压变换成稳定的 5V 直流电 压，仅有输入端、输出端和公共端，在芯片内部设有过流、过热保护以及调整管安 全保护电路，使用简便，具有保护功能好、安全可靠、输出稳定度高等特点。在使 用时需在其输入端和输出端与公共端之间各并联一个电容 C1 和 C2，C1 用以抵销 输入端较长接线的电感效应，防止产生自激振荡；C2 是防止在瞬时增减负载电流 时引起输出电压有较大的波动。为了提高电路的抗干扰性能，在 VCC 与电源地之 间安放一个去耦电容以消除来自电源的高次谐波干扰。同时在 VCC 与电源地之间 接入发光二极管，以指示电源的状态。 图4-8 电源模块 4.6 串行通讯电路 由于单片机输出为 TTL 电平，实现 RS-485 通讯时首先需要将 TTL 电平转换为 RS-485 标准电平，才能有效地进行数据传输。选用 MAX1487 电平双向转换芯片， 可实现半双工 RS-485 通讯方式。 MAX1487 的输入引脚 DI 直接与单片机 TXD 引脚相连，输出引