測控儀器課程設計報告---鐵路貨車超偏載檢測裝置的設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　《測控系統(tǒng)設計》課程設計任務書1</p><p><b>　　一、序言3</b></p><p>　　二、方案設計與論證4</p><p>　　2.1 硬件設計4</p><p>　　（一）傳感器選擇4

2、</p><p>　?。ǘ┓糯箅娐返倪x擇5</p><p>　?。ㄈ〢/D電路的設計6</p><p>　　（四）總體電路設計6</p><p>　　2.2 軟件設計7</p><p><b>　　三、系統(tǒng)調試7</b></p><p>　　3.1 信號放大電

3、路調試8</p><p>　　3.2 A/D轉換比較電路調試8</p><p>　　3.3 LED報警電路調試8</p><p>　　3.4 軟件調試8</p><p>　　3.5 總體調試8</p><p><b>　　四、心得體會9</b></p><p>

4、<b>　　參考文獻10</b></p><p>　　附錄一：總體電路圖12</p><p>　　附錄二：軟件程序13</p><p>　　《測控系統(tǒng)設計》課程設計任務書</p><p><b>　　一、總要求</b></p><p>　　能夠獨立進行系統(tǒng)方案的設計及論

5、證，設計合理的接口電路、控制電路、主機電路等，以及合理選擇有關元器件及正確使用相關工具與儀器設備，設計接口程序、控制算法程序以及主程序等，并且能結合實際調試與實驗進行有關精度分析與討論。</p><p><b>　　二、總任務</b></p><p>　　針對總要求進行原理及方案論證、系統(tǒng)設計、接口電路設計、焊接或插接與調試、控制與系統(tǒng)程序設計、精度分析以及撰寫報告等

6、工作。</p><p><b>　　三、設計題目</b></p><p>　　鐵路貨車超偏載檢測裝置的設計</p><p><b>　　四、設計內容</b></p><p>　　1、檢測貨車的超載和偏載</p><p>　　2、進行數(shù)據(jù)采集和處理分析等功能</p>

7、<p><b>　　五、設計進度或計劃</b></p><p>　　1、準備及查閱資料 一天</p><p>　　2、方案設計及論證（總體方案、硬件及軟件方案） 二天</p><p>　　3、硬件電路設計、畫圖（

8、PROTEL）及實驗室調試 四天</p><p>　　4、軟件設計、編程及調試 三天</p><p>　　5、系統(tǒng)聯(lián)調及結果分析 二天</p><p>　　6、整理報告及準備答辯

9、 二天</p><p>　　六、設計說明書包括的主要內容</p><p><b>　　1、目錄</b></p><p><b>　　2、設計任務書</b></p><p><b>　　3、設計題目</b&g

10、t;</p><p>　　4、序言（可包括系統(tǒng)工作原理的介紹等）</p><p>　　5、方案設計及論證 </p><p>　　可先分模塊進行方案設計與論證；</p><p>　　再進行總體方案設計與論證；</p><p>　　各模塊設計中應包括適當?shù)木确治黾斑x型等。</p><p><

11、;b>　　6、實驗或系統(tǒng)調試</b></p><p>　　可包括實驗調試工具儀器、實驗結果及適當?shù)姆治龅取?lt;/p><p><b>　　7、心得體會</b></p><p><b>　　8、主要參考文獻</b></p><p>　　另：說明書的撰寫格式應符合一定的要求，可參照華東交

12、通大學本科生畢業(yè)論文撰寫規(guī)范進行。</p><p><b>　　七、考核方法</b></p><p>　　考核可根據(jù)學生平時學習態(tài)度（含出勤率）20%、設計完成情況（樣機）50%、圖紙及說明書質量（含答辯）30%等確定。</p><p>　　《測控儀器課程設計》正文</p><p><b>　　一、序言<

13、/b></p><p>　　鐵路貨車超偏載檢測裝置是一種無人職守的安全檢測設備。當貨車車輛以５公里/小時～80公里/小時通過該裝置的測量點時，可以準確動態(tài)測量貨車每節(jié)車廂的重量、速度、各項偏移量及該節(jié)車廂的車型、車號，并提供各測試點通過貨車的超載和偏載的報警。各測試點的測試結果可以自動上傳到服務器；服務器自動將測試結果存入數(shù)據(jù)庫中，可以隨時查詢及打印歷史數(shù)據(jù)，同時將各點的數(shù)據(jù)上傳到上一層的服務器中。<

14、/p><p>　　該超偏載裝置機械部分采用特制的鋼結構軌枕，各軌枕通過高強度螺栓組成一整體，使整個測量區(qū)成為鋼性結構，選用進口的軌座式壓力傳感器和柱塞式剪力傳感器保證數(shù)據(jù)采集的準確性和長期可靠性。</p><p>　　嵌入式鐵路貨車超偏載檢測裝置是在現(xiàn)有超偏載裝置機械部分基礎上，采用基于PC/104體系的嵌入式系統(tǒng)，把信號實時采集、處理部分與數(shù)據(jù)庫管理部分分開，提高檢測裝置系統(tǒng)的穩(wěn)定性和軟件各

15、部分設計的優(yōu)化性。</p><p>　　使用嵌入式系統(tǒng)具有以下幾個優(yōu)勢：嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)A/D轉換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析三部分功能，在測試現(xiàn)場取代工控機（工業(yè)控制計算機），可保證采樣的實時性，數(shù)據(jù)處理的可靠性，同時降低對上位機的實時性要求。可以在嵌入式系統(tǒng)內實現(xiàn)功能更強的數(shù)據(jù)處理算法，使鐵路稱重系統(tǒng)能夠適應更多車型，并實現(xiàn)更高的精度與更強的適應性。上位機僅做數(shù)據(jù)管理，沒有實時響應的要求，容易提供良好的人機界面。數(shù)據(jù)處

16、理結果根據(jù)空間距離遠近可以靈活采用不同通訊方式進行上傳。嵌入式系統(tǒng)具有低功耗、功能專一、體系結構簡單等特點，在復雜的測試環(huán)境下更容易保證可靠性，改善了原來由于現(xiàn)場電源質量差和現(xiàn)場工作溫度過高引起的工控機工作不穩(wěn)定的問題。</p><p>　　本超偏載檢測設備是在現(xiàn)有設備機械結構的基礎上進行了改進，整個測量控制系統(tǒng)由壓力傳感器、剪力傳感器、信號通道箱、信號調理板、低輻射噪聲兵裝電源、PC104體系的嵌入式系統(tǒng)，檢測

17、軟件構成。此外，配合車號自動識別系統(tǒng)以及通訊線路構成了自動檢測貨車超偏載信息的無人職守安全檢測設備。</p><p>　　當車輛通過無人職守超偏載檢測設備時，被測車輛的輪重（轉向架）信息，通過傳感器轉換成成比例的模擬電壓信號，傳送到信號調理板的對應通道，對信號進行放大、濾波。由嵌入式系統(tǒng)完成A/D轉換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)上傳，上傳數(shù)據(jù)的接收、校驗和文件保存、打印及數(shù)據(jù)庫的管理功能由上位機（服務器）完成。

18、嵌入式操作系統(tǒng)功能組成框圖如圖1：</p><p><b>　　二、方案設計與論證</b></p><p><b>　　2.1 硬件設計</b></p><p><b>　?。ㄒ唬﹤鞲衅鬟x擇</b></p><p>　　傳感器是一種能把特定的被測量信息按一定規(guī)律轉換成某種可用信

19、號輸出的器件或裝置，以滿足信息的傳輸，處理，記錄，顯示和控制的要求。傳感器按被測量，能源種類，作用原理，使用要求，技術水平等進行分類。按被測量主要有位移，壓力，速度，溫度等傳感器；按能量種類分為機，電，熱，光，聲，磁等傳感器；按工作原理可分為結構型和物質型等傳感器。而本課設需要的傳感器是將車輛的重量信息轉換為電壓信號，在超偏載計量裝置中具有重要的意義。故應該在應變式力傳感器和壓阻式力傳感器中選擇。由彈性元件，電阻應變片等組成的傳感器叫做

20、應變式傳感器，其能夠用來測量力，壓力及加速度等量。工作原理是把電阻應變片貼在傳感器的彈性表面，當彈性元件受到力的作用產(chǎn)生變形時，電阻應變片便隨之產(chǎn)生變形，從而引起其電阻阻值的變化。而當半導體材料在某一方向上受到作用時，它的電阻率會發(fā)生顯著的變化，這種現(xiàn)象就稱半導體壓阻效應。壓阻式力傳感器是根據(jù)半導體材料的壓阻效應，在半導體材料的基片上經(jīng)擴散電阻而制成的器件。壓阻式力傳感器的靈敏度比金屬應變片的靈敏度系數(shù)大50~100倍，而且分辨率高，尺

21、寸小，橫向效應小，適合于動態(tài)測量，所以選擇壓阻式力傳感器。作用</p><p>　　輸出電壓與輸入電壓之間的關系：</p><p>　?。ǘ┓糯箅娐返倪x擇</p><p>　　由于傳感器輸出的信號很微弱一般在幾十毫安到幾百毫安之間，所以必須經(jīng)過放大器進行放大才能進行A/D轉換。根據(jù)實驗室的情況采用的事單端輸入電橋放大電路，我設計電路如圖3所示為單端輸入電橋放大電路

22、。圖3是傳感器電橋接至運算放大器的反相輸入端，稱為反相輸入放大電路。</p><p>　　傳感器輸出電壓通過運算放大器進行放大。經(jīng)過放大后輸出電壓與傳感器輸入電壓之間的關系是：</p><p>　　根據(jù)圖3的輸出與輸入之間的關系可以將輸入電壓放大100倍?？梢赃M行A/D數(shù)據(jù)轉換。</p><p>　?。ㄈ〢/D電路的設計</p><p>　

23、　經(jīng)過放大電路的放大后輸出的電壓是模擬信號必須經(jīng)過A/D轉換將模擬信號轉換成數(shù)字信號。我經(jīng)過查閱資料，聯(lián)想到我們做自動循跡小車的時候進行A/D轉換，就通過選擇LM311進行電壓比較就可以輸出數(shù)字信號。其電路如圖4所示。</p><p><b>　?。ㄋ模┛傮w電路設計</b></p><p>　　我所做的題目是鐵路貨車超偏載檢測裝置的設計，由于條件限制只能通過縮小化的檢

24、測裝置的設計來進行研究。通過傳感器進行檢測，然后經(jīng)過放大電路將信號進行放大，再經(jīng)過A/D轉化電路進行轉換將模擬信號轉換成數(shù)字信號輸入單片機進行處理，最終做出報警。報警我們是通過LED亮與滅來表示結果。這就是我總體的思路，總體電路圖如圖4所示。</p><p><b>　　2.2 軟件設計</b></p><p>　　軟件是通過單片機實現(xiàn)的，根據(jù)我所做的題目要求軟件實現(xiàn)

25、報警的過程。當通過A/D轉換之后輸出高低電平然后產(chǎn)生中斷就表明已經(jīng)超載。如果超載就通過INT0口產(chǎn)生的中斷然后進入中斷程序輸出報警信號，從而使LED亮就可以產(chǎn)生報警。</p><p>　　詳細的編程思路是：當A/D轉換時，是通過LM311芯片輸出高低電平，通過下降沿產(chǎn)生中斷。當通過放大器放大后輸入的電壓小于參考電壓的時候就表明沒有超偏載；當大于參考電壓的時候就表明已經(jīng)超偏載。這時就通過下降沿產(chǎn)生中斷然后進入中斷程

26、序。中斷程序要實現(xiàn)的就是根據(jù)超偏載做出報警。當超偏載的時候通過P1_0口輸出高電平然后經(jīng)過74LS04非門然后讓LED亮來報警。</p><p>　　編程的時候主要是單片機的中斷初始化和中斷程序。當沒有進入中斷程序的時候就讓P1_0口保持低電平讓LED不亮。當進入中斷程序的時候就讓P1_0口輸出高電平讓LED亮來報警。由于實現(xiàn)的功能比較單一所以編的程序比較少，詳情見附錄一。</p><p>

27、;<b>　　三、系統(tǒng)調試</b></p><p>　　調試部分分為硬件調試和軟件調試。硬件調試主要是信號放大電路調試、A/D轉換比較電路調試、LED報警電路調試。軟件調試主要是接受外部的中斷和根據(jù)外部中斷進入中斷程序做出動作的調試。</p><p>　　3.1 信號放大電路調試</p><p>　　由于傳感器輸入的信號很微弱，所以在輸入A/D

28、轉換比較電路的之前必須進行放大然后再輸入。在調試的過程中遇到很多問題，比如：不能實現(xiàn)放大；用的芯片有一定的問題。再加上自己的能力有限，所以我在調試過程中沒有將信號放大功能得到實現(xiàn)。在上一次做課程設計的時候也是調試放大器的時候遇到問題一樣，輸出電壓不是放大倍數(shù)之后的電壓是跟電源電壓差不多的電壓。我自始至終都沒有搞明白。問了李奕明之后還是沒有調試出來，他們就能調試出來，為什么我不能。只有等到畢業(yè)設計的時候遇到調試放大電路的能夠調試出來。&l

29、t;/p><p>　　3.2 A/D轉換比較電路調試</p><p>　　調試實現(xiàn)的功能是將放大電路輸出的信號輸入與參考電壓進行比較從而實現(xiàn)將模擬信號轉換成數(shù)字信號，我選用的是LM311進行A/D轉換比較。當輸入電壓低于參考電壓的時候就輸出高電平，當輸入電壓高于參考電壓的時候就輸出低電平，其參考電壓是根據(jù)是否超偏載的標準計算得到的。在這部分的調試過程是受原來做小車的時候的啟發(fā)，然后就選擇了LM

30、311來實現(xiàn)著部分的功能。在這部分的調試過程中沒有遇到什么問題，只有芯片的性能比較好就可以實現(xiàn)這功能。</p><p>　　3.3 LED報警電路調試</p><p>　　我想到老師上課的時候講的非門可以提供電路的驅動能力，我為了在P1_0口輸出高低電平的時候能夠驅動LED的亮滅就選擇了74LS04非門芯片來進行驅動。最終經(jīng)過調試加了非門之后能夠很好的實現(xiàn)LED的亮與滅，從而最終實現(xiàn)報警的

31、功能。在這部分的調試過程中沒有遇到什么問題。我聯(lián)想到老師上課講的內容運用到調試中起到很好的作用。</p><p><b>　　3.4 軟件調試</b></p><p>　　軟件調試部分根據(jù)外部中斷請求然后做出相應的動作。我根據(jù)外部請求中斷然后進入中斷服務程序。程序所要做出的動作就是當超偏載的時候做出報警（LED亮），沒有超偏載的時候不做出任何動作。在調試的過程中開始的

32、時候，當發(fā)生中斷請求的時候進入中斷程序無法實現(xiàn)LED亮（用來報警）。我請教了楊訓望，他讓我改了一下程序但是還是沒有實現(xiàn)LED亮。我最后仔細的檢查了一下程序，最終發(fā)現(xiàn)最后幾條語句出現(xiàn)了錯誤。本來應該是：while(1){P1_0=1;}，當時寫成：while(1);{P1_0=1;}，改了之后就可以實現(xiàn)報警的功能。</p><p><b>　　3.5 總體調試</b></p>&

33、lt;p>　　當把各部分連在一起的時候進行最后的調試，由于調試放大電路的時候沒有調試出來，所以沒有調試出來，但是在調試過程中遇到不少的問題。電流過低如何解決？放大電路調試的時候如何消除外界信號的干擾？等等。電流過低如何解決？我想可以加大輸入電壓這樣可能會使電器元件燒毀，可以通過邏輯門進行驅動，最終我選擇通過邏輯門來進行實現(xiàn)。</p><p>　　由于這學期的重點在考研上所以就沒有花太多的時間在做課程設計上面

34、，但是我在調試的過程中遇到的問題讓我學習到不少的知識。</p><p><b>　　四、心得體會</b></p><p>　　本次課程設計在緊張的考試后開始，剛考完老師就把我們叫去開會布置本次課程設計的任務和介紹做什么等各方面事情。由于前一段時間準備考試感覺很疲倦所以想考完后好好的鍛煉一下，但是課程設計又來了，所以就沒有時間去鍛煉只有開會那天下午去踢了球。感覺時間過得

35、很快課程設計就完了，在這兩周時間內學習到不少的東西，比如：學習了單片機和火車超偏載的原理、性能和用途等知識。感覺這次課程設計沒有上次傳感器課程設計緊張，不知道是覺得有點簡單還是怎么的。由于前一段時間做校電子設計大賽動手能力得到很大的提高，比如：遇到問題不要緊張、做事情要有步驟不能慌亂和調試就是學習的過程等基本常識。</p><p>　　在調試開始前，我覺得我的調試會非常的順利，因為我認為我電路很簡單不出意外會很快

36、調試出來但往往事情出乎人們的意料。當我充滿信心的去調試時，我用了兩個小時就把電路連接好了，接著來的就是失望了。調試我輸入的信號時電流我想用電壓代替，調試的結果讓我很失望，沒有達到預期的效果，我一摸運放很燙把我手都燙住了，我后來一想運放具有“虛短、虛斷”的特點，相當于直接將電源接地所以很燙。后來我就在那想怎么能夠輸入電流這是就非常感謝xx老師給我提供了道路，用壓力電橋傳感器來提供采集信號，我下午用了不到兩個小時就把基本功能實現(xiàn)了，但根據(jù)實

37、際情況誤差很大，就要進行誤差分析和數(shù)據(jù)處理，最終實現(xiàn)信號電路處理的基本功能。</p><p>　　在課程設計前想到可以學到很多常識，經(jīng)過課程設計完后同樣學到很多知識。在調試前我認為我信號處理電路很簡單，所以比較自信但調試下來好好的給我上了一課。教育我以后不管做什么事都要認真對待，不要掉以輕心，常言道：“是騾子是馬，拉出來溜溜?！币趯嵺`中發(fā)現(xiàn)和解決問題，只有這樣才能使自己的能力得到提高和豐富自己調試的經(jīng)驗。在調試

38、過程中我發(fā)現(xiàn)自己不少的問題，是要通過以后的學習來改正，在這過程中必須保持一個良好的心態(tài)和相信自己一定行，這樣就成功一半了。</p><p>　　課程設計完了，接著而來的是準備考研。路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。走在人生的道路上是不斷學習、不斷進步。故天將降大任于是人也，必先苦其心志，勞其筋骨，餓其體膚，空乏其身，行拂亂其所為，所以動心忍性，曾益其所不能。什么事都是先可后甜，才能百味品味人生。</p>

39、<p>　　總之，努力、加油和相信自己一定行。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 孫余凱，吳鳴山，項綺明.傳感器應用電路300例[M] .北京：電子工業(yè)出版社，2008.3</p><p>　　[2] 孫寶元.傳感器及其應用手冊[M] .北京：機械工業(yè)出版社，2004.5</p>

40、<p>　　[3] 張國雄.測控電路[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.1</p><p>　　[4] 雄詩波，黃長藝.機械工程測試技術基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.5</p><p>　　[5] 張毅坤，陳善久，裘雪紅.單片微型計算機原理及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，1998.8</p><p><b>　　

41、附錄一：總體電路圖</b></p><p><b>　　附錄二：軟件程序</b></p><p>　　#include<reg51.h></p><p>　　sbit P1_0=P1^0;</p><p>　　/********************************/</p>

42、<p>　　void int0() interrupt 0</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　while(1) </b></p><p>　　{P1_0=1;//輸出高電平</p><p><b>　　}}</b></p&g

43、t;<p>　　/********************************/</p><p><b>　　main()</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　EA=1; //允許中斷</p><p>　　EX0=1; //開外部中斷0</p&