传感器专题(铁路货车制动压力系统设计)

1、铁路货车制动压力采集与记录系统设计 学院：机械与电子控制工程学院专业：测控技术与仪器班级：测控1003班组长：聂长万组员：孙嘉庆 魏凌超 李晓峥 葛迎彬日期：2012年9月28日2012年10月5日目录摘要，关键词，引言21.铁路货车制动系统简介22.系统设计要求33.系统方案框图34.传感器选型45.调理电路设计66.数据记录及转存储方式77.A/D芯片选择 98.系统电源选择12总结14参考文献15铁路货车制动压力采集与记录系统设计摘要：本文介绍了基于HM30微差压/风压变送器的铁路货车制动压力采集与记录系统的设计方案；该方案利用采集频率为100Hz的传感器采集并记录20节货车车辆的制动缸

2、压力、列车管压力、副风缸压力，运行20h后将记录的数据转到地面的PC机进行分析；详细介绍系统的设计方案，系统方案框图，传感器选型，调理电路设计、A/D芯片选择，数据记录及转存储方式，以及系统电源的选择。关键词：铁路货车制动压力数据采集数据记录压力传感器引言：铁路货车是完成铁路货物运输任务的运载工具，而制动装置是铁路货车的重要组成部分之一，是机车车辆实施减速和停车作用的执行机构，是确保列车运行安全的必备装置。对现代铁路而言，制动的重要性不仅仅是安全问题，制动已经成为制约列车速度和牵引质量进一步提高的重要因素。铁路货车紧急制动系统对于货车的安全来说是很重要的一部分，紧急制动系统的失灵很可能导致整辆

3、货车的失控，最后导致无法预见的后果。为了能够了解货车紧急制动系统的状态并针对其进行制动系统的调整，我们提出了铁路货车制动压力采集与记录系统设计的实验方案，利用传感器技术对20节货车车辆的制动缸压力、列车管压力、副风缸压力进行采集记录，以保证货车紧急制动系统的安全。对于此系统的设计，我们需要考虑制动系统电源的解决、数据容量的大小以及数据存储方式以及数据转存储方式等问题。1.铁路货车制动系统简介机车是靠两个制动阀来完成制动的,一个是单阀,俗称小闸,是机车单机制动的,另一个是自阀,用于整个列车制动.平日里车厢里的制动阀都保持锁闭定位,只由司机在机车内对列车进行制动和缓解.所以说火车在刹车的时候是整列

4、都在刹车。火车的制动靠风。火车的风是靠装在机车内的空气压缩机来产生的,贮存在机车的总风缸内,然后由均衡风缸均压,一般为600KPa,这些风由总风管传递到各个车厢,总风管就在每两节车厢连接处,在车钩的旁边。当火车刹车的时候,司机打开制动阀,风就从这根管子里压到各车厢的制动缸里,推动活塞运动,活塞是和制动的闸瓦连在一起的,所以闸瓦就紧紧地抱住车轮,从而使火车停下来。先用压缩空气将所有制动闸瓦顶起，火车就能开动。需要制动时，司机只要开启阀门泄气，全列车的制动立即同步进行。 而且这样的反向方式还有一个优点，车厢在离开机车的时候，自然处于制动状态，不会溜车。可见机车刹车过程中检测车辆的制动缸压力、列车管

5、压力、副风缸压力成为列车制动控制的关键。货车的制动系统采用的是空气制动。空气制动机的部件，一部分装在机车上，另一部分装在车辆上。机车上的设备：空气压缩机、总风缸、制动阀等。空气压缩机产生的压缩空气贮存在总风缸内。列车中的车辆的制动与缓解作用，由机车司机操纵制动阀来实现。车辆上的设备：（以GK型制动机为列）制动主管、折角塞门、制动支管、截断塞门、远心集尘器、三通法、副风缸、降压风缸、空重车调整装置、制动缸、闸瓦。制动主管：安装在车底架下面，它贯通全车，是传递压缩空气的管路。截断塞门：安装在制动支管上，用以开通或截断制动支管的空气通路。它平时总在开放位置。当车辆上所装的货物按规定应停止制动机的使用

6、；当制动机发生故障时，将它关闭，停止车辆的制动机的作用。远心集尘器：利用离心力的作用，将压缩空气中的灰尘、水分、铁锈等杂质，沉淀于集尘器的下部，以免进入三通阀等机件。三通阀：是车辆制动机中最重要的部件。它连接自动支管、副风缸和制动缸，用来控制压缩空气的通路，使制动机起制动或缓解的作用。副风缸：是贮存压缩空气的地方，制动是利用三通阀的作用将压缩空气送入制动缸起制动作用。制动缸：当压缩空气进入制动缸后，推动制动缸鞲鞴，将空气的压力变成机械推力，然后通过制动杠杆后闸瓦紧抱车轮起制动作用。2.系统设计要求我们的设计要求是，采集列车刹车中的一些参量。采集的参量包括20节机车制动缸压力、列车管压力、副风缸

7、压力。系统要求在列车高温及振动的环境下对各参数检测，采集频率100Hz,运行20小时后要将记录的数据转到地面PC机进行分析。3.系统方案框图信号调理电路压力传感器列车制动缸 列车管 副风缸PC机发送定时信号数据存储器A/D转换电路4.传感器选型根据工作环境要求耐高温，抗冲击，抗干扰性能都较好的传感器，所以我们选择的是Model 266微差压传感器。Model 266微差压传感器：量程：050kpa/0500kpa025kpa/0250kpa介质：适用于空气或非导电气体Setra的Model 266压力传感器检测差压或表压压力，并把这个压差转换为成比例的电输出。Model 266具有0-5VDC

8、，0-10VD或420MA的高电平输出，用于楼宇能源管理系统，这种传感器能够测量楼宇增压和空气流动控制所需要的精确压力和流量。Model 266系列压力传感器可提供低至050kpa高至0500kpa的量程。静态精度在常温下为1%Fs，温度补偿范围是-18+65，在温度补偿范围外的热漂移小于+0.06%FS/。Model 266采用不锈钢氩弧焊敏感元件。张力不锈钢膜片和一个固定电极构成一个可变电容。正压使膜片向电极移动电容值增大，减小压力。膜片则远离固定电极。电容的这种变化通过Setra独特的电子电路检测并转变为线性直流信号。氩弧焊张力敏感元件允许在任何方向有69kpa的过压而不损坏，另外敏感元

9、件的部分具有良好的热匹配系数。改善了传感器的温度特性玫长期稳定性。应用暖通空调（HVAC）能源管事系统VAV及风扇控制环境污染控制静态管路和洁净间压力烟雾罩控制烘箱增压及炉通风控制优点24VDC和24VAC激励05V,010V及420MA高电平模拟输出与所有的能源管理系统兼容误接线全保护内部调整电路允许使用非稳压电源1%的精度提高了VAV系统的性能阻燃外壳（UL94V-0认证）符CE标准压力范围量程表单向双向05kpa02.5kpa010kpa05kpa025kpa010kpa050kpa025kpa0100kpa050kpa0250kpa0100kpa0500kpa0250kpa性能参数Mo

10、del 266性能规范精度（恒温下）1.0%FS非线性（最佳拟合直线）0.98%FS迟滞 0.10%FS非重复性0.05%FS温度影响补偿范围-18+65（0+150F）零点/满程偏移%FS/（F）0.06（0.033）最大线性压力69kpa过载能力量程过载能力625kPa690kPa预热漂移1.0%FS安装位置影响范围零点偏移（%FS/G）0250Pa01.3kPa07.5kPa0.600.140.06为非线性、迟滞、非重复性的RSS值（方和根）产品在21进行标定，最大温度影响误差从此数据得来产品在工厂标定时将膜片垂直放置，处于0g影响温度工作温度-1865C存放温度-4085C工作温度限制

11、仅对电子器件而言，压力介质温度可以更高或更低机械参数壳体 填充防火玻璃的聚酯（UL94V-0认证）电气连接 螺丝接线柱压力连接6.2mm重量150g（5.3盎司）电气数据（电压输出型）电路3线（EXC，OUT，COM）激励/输出12-30VDC/VAC/010VDC9-30VDC/VAC/05VDC零压时的双向输出2.5VDC（50mV）输出阻抗100采用50k负载进行标定，可在负载50k时工作零点输出：厂家设定在50mV（可选25mV）满量程输出：厂家设定在50mV（可选25mV）电气数据（电流输出型）电路2线输出4-20mA零压时的双向输出12mA电气负载0800最小供电电压（VDC）9+

12、0.02（接收器附加导线电阻）最大供电电压（VDC）30+0.004（接收器附加导线电阻）压力介质用于空气或类似的非导电气体工厂标定时采用250负载，24VDC电源零点输出：厂家设定在0.16MA（可选0.08MA）满量程输出：厂家设定在0.16MA（可选0.08MA）5.调理电路设计电路图如图所示（图中只以一路传感器输出信号为例，未画出多路开关CD4051）。信号经高精度压力传感器MPX2100DP变为电信号，通过CMOS型8选1多路开关CD4051选择之后，再送入放大电路，进行调理后输出到A/D模块ICL7135进行高精度模数转换。MPX2100DP的供电电压取为8V，它的满量程输出x由下

13、式确定： x =40mV8V/10V =32mV （1）对于电压输出逻辑电平定为5V，显然32mV的电压要进行适当的放大。放大器采用MC33274四运算放大器，它组成一个仪表放大电路，具有高差模增益和高共模抑制比，输入阻抗高，可调节偏置电路。差模放大主要由U1A完成，U1B为电压跟随器，用来防止运放的反馈电流流入传感器的负端。零压力时，传感器的2和4端之间的电压差为零。设2端和4端的共模电压各为4V（传感器电源电压的一半），则U1A的端电压也是4V，该电压经U1C和U1D电路使其输出为零。输出端的零压力偏置由R4和RP1引入。R7值的选择从13端看过去的阻抗约为1kW，放大器的增益为：选择12

14、5的增益使传感器满量程输出摆幅32mV可放大到1250.032 = 4V（为电源电压的一半）。6.数据记录及转存储方式CC430F6137特点真正的系统芯片（SOC）为低功耗无线通信应用宽电源电压范围：1.8 V至3.6 V超低功耗：CPU活动模式（AM）：160A/ MHz的待机模式（LPM3 RTC模式）：2.0A关闭模式（RAM保持LPM4）：1.0A15毫安，为250 kbps，915兆赫无线电接收：MSP430系统及周边设备16位RISC架构，扩展内存，高达20 MHz的系统时钟从待机模式，在不到6微秒唤醒灵活的电源管理系统的SVS及掉电FLL的统一时钟系统16位定时器TA0，五捕捉

15、定时器A /比较寄存器的16位定时器TA1，定时器A与3路捕获/比较寄存器硬件实时时钟两个通用串行通信接口USCI_A0支持UART，红外线，SPIUSCI_B0支持I 2 C，SPI12位A / D转换器，具有内部参考，采样和保持，并自动扫描功能（只CC430F613x和CC430F513x）比较参数变化 C7CC430F6137频率（MHz）20 闪存（KB）32 SRAM（二）4096 GPIO44 定时器 - 16位2 看门狗是 实时时钟是 掉电复位是 SVS是 USCI（I2C/SPI/UART）是 DMA是 乘数32 32 比较是 温度传感器是 ADC的12位SAR ADC通道8

16、LCD段96 针/包64VQFN 其他集成外设32位硬件多，/同步串行通讯USCI，AES - 128 EN /解密，CRC16，DMA，液晶显示器，实时时钟，分1GHz的射频收发器，通用型时钟 约。价格（美元）3.10 | 1千片 具有强大的处理能力的混合信号微处理器MSP430系列单片机是一个l6位的单片机，采用了精简指令集(RISC)结构，具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器均可参加多种运算；还有高效的查表处理指令，有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下，指令周期为125 ns。这些特点保证了可

17、编制出高效率的源程序。具有先进的JTAG技术和Flash在线编程技术，在系统设计、开发调试及实际应用方面都表现出明显的优势。而且MSP430包含了像定时器、硬件乘法器、异步串口、AD、DA等多种外设，可以方便地完成多种复杂功能。l6位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加)相配合，能实现数字信号处理的一些算法 (如FFTr等)。通过串行外设协议总线来读写CF卡【根据需要选择50M以上CF存储卡足矣完成100HZ、20H的信号存储】可以达到数据记录和转储的功能。64MB CF卡CF卡（Compact Flash）是1994年由SanDisk最先推出的。CF卡具有PCM

18、CIA-ATA功能，并与之兼容；CF卡重量只有14g，仅纸板火柴般大小（43mm x 36mm x 3.3mm），是一种固态产品，也就是工作时没有运动部件。CF卡采用闪存（flash）技术，是一种稳定的存储解决方案，不需要电池来维持其中存储的数据。对所保存的数据来说，CF卡比传统的磁盘驱动器安全性和保护性都更高；比传统的磁盘驱动器及型PC卡的可靠性高5到10倍，而且CF卡的用电量仅为小型磁盘驱动器的5%。这些优异的条件使得大多数数码相机选择CF卡作为其首选存储介质。 CF卡同时支持3.3伏和5伏的电压，任何一张CF卡都可以在这两种电压下工作，这使得它具有广阔的使用范围。CF存贮卡的兼容性还表现

19、在它把Flash Memory存贮模块与控制器结合在一起，这样使用CF卡的外部设备就可以做得比较简单，而且不同的CF卡都可以用单一的机构来读写，不用担心兼容性问题，特别是CF卡升级换代时也可以保证旧设备的兼容性。7.A/D芯片选择根据A/D转换电路的要求，我们选择了AD7715和AD780两种型号的芯片。AD7715：AD7715是一款适合低频测量应用的完整模拟前端，可直接接受来自传感器的低电平输入信号，并产生串行数字输出。它采用-转换技术，可实现最高16位无失码性能。输入信号加在一个以模拟调制器为基础的专有可编程增益前端。调制器输出由片内数字滤波器处理。此数字滤波器的第一个陷波可通过片内控制

20、寄存器进行编程，以便对滤波器截止和输出更新速率进行调整。AD7715具有一个差分模拟输入和一个差分基准电压输入。它采用单电源（+3 V或+5 V）供电，可处理以下范围的单极性输入信号：0 mV至+20 mV、0 mV至+80 mV、0 V至+1.25 V和0 V to +2.5 V；还可处理以下范围的双极性输入信号：20 mV、80 mV、1.25 V和2.5 V。这些双极性范围都以差分模拟输入的负极输入作为参考电压。因此，AD7715能处理单通道系统所有的信号调节和转换。AD7715非常适合基于微控制器或DSP的智能系统应用。它有一个串行接口，可用于三线式模式。利用输入串行端口，可在软件中进

21、行增益设置、信号极性和更新速率选择。该器件包含自校准和系统校准选项，可消除器件本身或系统中的增益和失调误差。CMOS结构可确保功耗极低，掉电模式则将待机功耗降至50 W（典型值）。该器件提供三种封装：16引脚、0.3英寸宽、塑封双列直插式封装(PDIP)；16引脚、0.3英寸宽、宽体小形集成封装(SOIC_W)；以及16引脚TSSOP封装。产品特色1. 采用3 V电源、1 MHz主时钟时，AD7715的总功耗小于450A，因此非常适合低功耗系统应用。待机功耗小于10 A。2.可编程增益输入允许AD7715直接接受来自应变计或传感器的输入信号，从而省去大量信号调理电路。3. AD7715具有三线

22、式串行接口，非常适合微控制器或DSP处理器应用，可减少互连线路以及隔离系统所需光耦合器的数量。利用片内寄存器，可以通过软件对输出更新速率、输入增益、信号极性和校准模式进行控制。4. 该器件具有出色的静态性能：16位无失码、0.0015%精度以及低均方根噪声(550 nV)。片内校准选项可消除端点误差和温度漂移效应，从而消除零电平和满量程误差。特点和优势 电荷平衡ADC16位无失码0.0015%非线性度 可编程增益前端增益范围：1、2、32和128差分输入能力 三线式串行接口 SPI、QSPI、MICROWIRE和DSP兼容 提供模拟输入缓冲 工作电压：3 V （AD7715-3）或5 V （A

23、D7715-5） 低电源电流：450 A（最大值、3 V电源） 内置可编程输出更新的低通滤波器 16引脚SOIC/DIP/TSSOP AD7715 功能框图AD780:AD780是一款超高精度带隙基准电压源，可以利用4.0 V至36 V的输入提供2.5 V或3.0 V输出。它具有低初始误差、低温度漂移和低输出噪声，并能驱动任意大小的电容，因此非常适合用于增强高分辨率ADC和DAC的性能，以及任何通用精密基准电压源应用。独特的低裕量设计有助于利用5.0 V 10%输入提供3.0 V输出，从而使ADC的动态范围提升20%，其性能优于现有2.5 V基准电压源。AD780可以用来提供最高10 mA的源

24、电流或吸电流，并且可以在串联或分流模式下工作，无需外部器件便可提供正或负输出电压，因此适合几乎所有的高性能基准电压源应用。与某些竞争产品不同，AD780没有“可能不稳定区域”。当电源端使用一个1 F旁路电容时，该器件可以在所有负载条件下保持稳定。AD780提供一个温度输出引脚。该引脚提供的输出电压随温度呈线性变化，因此AD780可以配置为温度传感器，同时提供稳定的2.5 V或3.0 V输出。AD780是LT1019(A)-2.5和AD680的引脚兼容、性能升级器件。后者适合低功耗应用。AD780分为两级，提供塑封DIP、SOIC和CERDIP封装。AD780AN、AD780AR、AD780BN

25、和AD780BR的额定工作温度范围为-40C至+85C，AD780SQ和AD780SQ/883B则为-55C至+125C。特点和优势 引脚可编程的2.5 V或3.0 V输出 超低漂移：3 ppm/C（最大值） 高精度：2.5 V或3.0 V 1 mV（最大值） 低噪声: 100 nV/Hz 降噪能力 低静态电流：1 mA（最大值） 输出调整能力 现有基准电压源的直接升级产品 温度输出引脚 串联或分流工作模式（2.5 V，3.0 V） AD780功能框图A/D转换电路现对微压力的实时测量，使用 16 位的AD7715 对输出电压进行采样测量，其中AD780 提供2.5V 高精度基准电压。P3.1

26、 脚提供了AD 工作所需的时钟，P1.4 和P1.5 脚接收和发送通讯数据，P1.6 是片选信号，P1.7 接DRDY ，AT89S52 可以通过查询P1.7 的状态来判断是否可以读取AD 转换结果。A/D 接口电路如下图所示。8.系统电源选择根据电路需要我们选择的电源有24V系列铅酸蓄电池、12V蓄电池、5V铅酸电池24V系列蓄电池 品牌JIUHUA类型储能用蓄电池电池盖和排气拴结构阀控式密闭蓄电池化学类型铅酸蓄电池荷电状态免维护蓄电池电压24（V）型号FM额定容量国标外型尺寸国标（mm）产品认证CE、UL、ISO14001、ISO9001适用范围电子设备、UPS电源、门控24V系列铅酸蓄电

27、池（规格-型号）型号额定额定外形尺寸均重电压（V）容量（AH）长L宽W高H总高TH（KG)FM24V1.3AH241.31934252561.1FM24V2.0AH2421365185901.5FM24V3.5AH243.51797370703FM24V4.0AH2443006762663.2FM24V5.0AH245140901031073.4FM24V6.0AH2461519894993.812V蓄电池蓄电池M12-0.8(12V0.8AH) 类 别： 12V蓄电池 重量： 0.4KG 容量： 0.8AH 电压： 12V 规格： 12V0.8AH 产品简介： 免维护无须补液；内阻小，大电流放电性能好；适应温度广；自放电小；使用寿命长；荷电出厂，使用方便；安全防爆；独特配方，深放电恢复性能免维护铅酸蓄电池5V 3AH铅酸电池在此处键入公式。品牌威可力类型储能用蓄电池电池盖和排气拴结构阀控式密闭蓄电池化学类型铅酸蓄电池荷电状态免维护蓄电池电压5（V）型号5V 3AH额定容量3AH产品认证CE适用范围医疗用蓄电池