传感器专题铁路货车制动压力系统设计.docx

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传感器专题铁路货车制动压力系统设计

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···································2

1.铁路货车制动系统简介·······························2

2.系统设计要求·······································3

3.系统方案框图·······································3

4.传感器选型·········································4

5.调理电路设计·······································6

6.数据记录及转存储方式·······························7

7.A/D芯片选择····································9

8.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；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

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Model266微差压传感器。

Model266微差压传感器：

◆量程：

0～50kpa/0～500kpa

0～±25kpa/0～±250kpa

◆介质：

适用于空气或非导电气体

Setra的Model266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。

Model266具有0-5VDC，0-10VD或4～20MA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。

Model266系列压力传感器可提供低至0～±50kpa高至0～500kpa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/℃。

Model266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

0～5V,0～10V及4～20MA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

0～5kpa

0～±2.5kpa

0～10kpa

0～±5kpa

0～25kpa

0～±10kpa

0～50kpa

0～±25kpa

0～100kpa

0～±50kpa

0～250kpa

0～±100kpa

0～500kpa

0～±250kpa

性能参数

Model266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～+150°F）

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

<25kPa

140kPa

25kPa～625kPa

350kPa

>625kPa

690kPa

预热漂移

±1.0%FS

安装位置影响

范围

零点偏移（%FS/G）

0～250Pa

0～1.3kPa

0～7.5kPa

0.60

0.14

0.06

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

-18～65°C

存放温度

-40～85°C

工作温度限制仅对电子器件而言，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/0～10VDC＊＊

9-30VDC/VAC/0～5VDC＊＊

零压时的双向输出

2.5VDC（±50mV）

输出阻抗

100Ω

采用50kΩ负载进行标定，可在负载≥50kΩ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

0～800Ω

最小供电电压（VDC）

9+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250Ω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由下式确定：

x=40mV×8V/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125的增益使传感器满量程输出摆幅32mV可放大到125×0.032=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：

1.8V至3.6V

超低功耗：

CPU活动模式（AM）：

160μA/MHz的

待机模式（LPM3RTC模式）：

2.0μA

关闭模式（RAM保持LPM4）：

1.0μA

15毫安，为250kbps，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20MHz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，SPI

USCI_B0支持I2C，SPI

12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

GPIO

44

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

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-128EN/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125ns。

这些特点保证了可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。

64MBCF卡

CF卡（CompactFlash）是1994年由SanDisk最先推出的。

CF卡具有PCMCIA-ATA功能，并与之兼容；CF卡重量只有14g，仅纸板火柴般大小（43mmx36mmx3.3mm），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Ⅲ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在它把FlashMemory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Σ-Δ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（+3V或+5V）供电，可处理以下范围的单极性输入信号：

0mV至+20mV、0mV至+80mV、0V至+1.25V和0Vto+2.5V；还可处理以下范围的双极性输入信号：

±20mV、±80mV、±1.25V和±2.5V。

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50µW（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3V电源、1MHz主时钟时，AD7715的总功耗小于450μA，因此非常适合低功耗系统应用。

待机功耗小于10μA。

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（<550nV）。

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ADC

16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：

3V（AD7715-3）或5V（AD7715-5）

∙低电源电流：

450µA（最大值、3V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4.0V至36V的输入提供2.5V或3.0V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5.0V±10%输入提供3.0V输出，从而使ADC的动态范围提升20%，其性能优于现有2.5V基准电压源。

AD780可以用来提供最高10mA的源电流或吸电流，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1µF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2.5V或3.0V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和AD780BR的额定工作温度范围为-40°C至+85°C，AD780SQ和AD780SQ/883B则为-55°C至+125°C。

特点和优势

∙引脚可编程的2.5V或3.0V输出

∙超低漂移：

3ppm/°C（最大值）

∙高精度：

2.5V或3.0V±1mV（最大值）

∙低噪声:

100nV/√Hz

∙降噪能力

∙低静态电流：

1mA（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（2.5V，±3.0V）

∙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）

FM24V1.3AH

24

1.3

193

42

52

56

1.1

FM24V2.0AH

24

2

136

51

85

90

1.5

FM24V3.5AH

24

3.5

179

73

70

70

3

FM24V4.0AH

24

4

300

67

62

66

3.2

FM24V5.0AH

24

5

140

90

103

107

3.4

FM24V6.0AH

24

6

151

98

94

99

3.8

12V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5V3AH铅酸电池

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

5V3AH

额定容量

3AH

产品认证

CE

适用范围

医疗用蓄电池

5V3AH电池介绍：

威可力电池采用独特的生产工艺和特别的结构设计，可靠稳定安全阀，保证电池的密封性，确保各方位放置均不漏液，高氧复合效率，保证电解液不会损失，在电池整个寿命过程中无须更换电解液。

使用寿命长:

采用铅钙合金极板，保证电池的浮充使用寿命，大电流放电性能好，恢复性强。

使用温度范围宽：

铅酸电池可在-20℃—50℃的温度范围内使用，公司自主研发的胶体电池可在-40℃—70℃的温度