铁路货车制动压力采集与记录系统Word下载.docx
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列车，
制动，精简指令集（RISC），GPRS无线数据传输，模块电源
0引言
•系统背景
•系统方案框图
•传感器的选择
•单片机的选择和技术参数
•数据处理的选择
•电池的选择
•系统报价
•总结
1系统背景
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。
建国50多年来，随着国民经济的增长，我国铁路制动技术发展迅速。
特别是改革开放以来，为适应铁路快速、重载运输的需求，整个制动系统采用了大量的新技术，并且取得了显著的成效。
发展快速、重载货物列车是提高铁路运输能力的主要措施，其关键取决于转向架和制动系统的性能。
我国货车转向架经过近几年来的大力发展和持续改进，已经基本定型，故制动技术成为货物列车今后发展的关键。
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。
系统功能要求
以内燃机车为对象，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是误差不大于1%，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。
2系统方框图
列车管
制动缸
副风缸
压力传感
压力传感器
隔离整形滤波
单片机Atmega128L
GPRS模块
MC55
地面终端PC机等其他设备
RS232
第一节车厢
12V电源、电压转换器
第二节车厢
第三节车厢
第四节车厢
……
第二十节车厢
3传感器选择
3.1选择依据：
•1.压力数据范围:
0——600KPa
•2.精度要求：
2.5‰
•3.响应速度
•4.适当的过载能力等
3.2选择传感器EPCOS（爱普科斯）C28系列压力传感器
工作原理：
利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成，单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。
当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。
这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。
硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。
piezoresistors：
压阻
silicon：
单晶硅
Diaphragm:
薄膜
传感器结构：
这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。
压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。
硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。
硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。
在圆形硅膜片（N型）定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。
硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。
传感器尺寸图：
Checkedbondarea：
安装区域；
Note1：
电阻集成的单晶硅膜片
电路图：
X1:
Vout-;
X2:
Vdd-;
X3:
X4:
Vout+;
X5:
Vdd+;
X8:
二极管P极
X9:
二极管N极
相关技术指标
测量方式
表压
量程系列
0---0.16MP---1MP---2.5MP
总精度
0.2、0.5、1.0级
过载能力
300%
破坏压力
4倍满量程
工作温度
-40----140℃
稳定性
无故障连续工作时间大于5000小时
年稳定性
0.2%FS℃
防护等级
IP165
被测介质
液体、气体
供电
5VDC
输出
1~5V
温度漂移
小于0.01%PS℃
灵敏度
-2.5——-1.9〖10〗^（-3）/K
迟滞
-0.1——0.1%FS
3.3具体选择：
量程选择：
0——1MPa
总精度：
0.2级（<
2.5‰,满足要求）
过载能力：
供电电压：
5V
输出：
1——5V
3.4选择理由：
EPCOS传感器具有体积小，便于安装，采用单晶硅薄膜片，测量精度高，同时价格适中，在同类产品中具有较高的性价比！
3.5输出电压与测量压力之间的关系
V_out=G*V_b*P=G*R_s*I*P
G为压力灵敏度，mV/（Pa.V）。
V_b为电桥电压，V。
P为输入压力，Pa。
I为供电电流，mA。
R_s为电桥总电阻，Ω。
4单片机的选择和技术参数
4.1
本课题选用的单片机是ATMEGE128L,该单片机是由ATMEGE公司研发的增强型内置的Flash程序存储器的精简指令集CPU（即RISC）高速8位AVR单片机。
选用AVR（稳压）单片机的原因是：
8位的ATMEGE128L完全能满足系统功能要求，相对其他的单片机速度快，主要体现在废除机器周期和复杂的指令集CPU（CISC），而是采用精简指令集（RISC），程序ROM空间和数据RAM空间分离，取程序代码和操作数采用分离的数据总线和地址总线，取指周期短，还可以预取指令，实现流水作业，其机器周期等于时钟周期，绝大部分指令位单周期指令。
因此指令的执行速度可以达到20MHz。
AVR单片机内置可擦写1000次的Flash程序存储器，且有4K的可擦写100000次的EEPROM。
编译好的目标程序可以通过系统编程（ISP）直接写入Flash程序存储器，而不需使用专用编程器来写入程序，利于方便的修改和烧写程序。
ATMEGE128自带高精度的8通道10位的A/D转换器，有USART、API、TWI，以及IEEE1149.1标准的JTAG接口。
所带的A/D转换器能满足要求，所以不用另外寻找A/D转换器，从而减少了A/D转换器和单片机之间接口连接的麻烦以及硬件设备数量，尽可能的减少出故障的概率。
ATMEGE128L单片机的工作电压范围宽，在2.7~5.5V之间，电源抗干扰能力强。
同时功耗低，具有6种休眠功能，能够从低功耗模式迅速唤醒，并且采用可编程的频率选择和CMOS集成工艺。
具有高代码效率，能在C语言编译环境下编译，有32个通用工作寄存器，线性寻址，从而没有MCS51单片机的单累加器的瓶颈限制。
除了可以重新设置启动复位，AVR单片机还内置电源上电复位（POR）和电源掉电检测（BOD），提高了单片机的可靠性，不用外加复位延时电路。
有8位和16位定时器/计数器，可以作比较器、计数器、外部中断和PWM（脉宽调变也可作D/A转换器）用于控制输出。
AVR单片机完全免费的开发环境，包括汇编器、支持汇编和高级语言源代码的模拟和仿真环境。
基于以上突出的优点，因此选用ATMEGE128L作为中央处理器CPU，以下是
ATMEGE128L管脚图：
微处理器的接口电路：
4.2A/D转换器（ATmega128L）
分辨率:
2.56/1024=0.25%符合要求
一、基本参数:
•10位精度
•0.5LSB的非线性度
•±
2LSB的绝对精度
•13-260μs的转换时间
•最高分辨率时采样率高达15kSPS
•8路复用的单端输入通道
•7路差分输入通道
•2路可选增益为10x与200x的差分输入通道
•可选的左对齐ADC读数
•2.7-5.5VCC的ADC输入电压范围
•连续转换或单次转换模式
•ADC转换结束中断
•基于睡眠模式的噪声抑制器
4.3工作原理
ATmega128有一个10位的逐次逼近型ADC。
ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样。
单端电压输入以0V（GND）为基准。
器件还支持16路差分电压输入组合。
两路差分输入（ADC1、ADC0与ADC3、ADC2）有可编程增益级，在A/D转换前给差分输入电压提供0dB（1x）、20dB（10x）或46dB（200x）的放大级。
七路差分模拟输入通道共享一个通用负端（ADC1），而其他任何ADC输入可做为正输入端。
如果使用1x或10x增益，可得到8位分辨率。
如果使用200x增益，可得到7位分辨率。
ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。
ADC由AVCC引脚单独提供电源。
AVCC与VCC之间的偏差不能超过±
0.3V。
标称值为2.56V的基准电压，以及AVCC，都位于器件之内。
基准电压可以通过在AREF引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。
4.4操作
ADC通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换成一个10位的数字量。
最小值代表GND，最大值代表AREF引脚上的电压再减去1LSB。
通过写ADMUX寄存器的REFSn位可以把AVCC或内部2.56V的参考电压连接到AREF引脚。
在AREF上外加电容可以对片内参考电压进行解耦以提高噪声抑制性能。
模拟输入通道与差分增益可以通过写ADMUX寄存器的MUX位来选择。
任何ADC输入引脚，像GND及固定能隙参考电压，都可以作为ADC的单端输入。
ADC输入引脚可选做差分增益放大器的正或负输入。
如果选择差分通道，通过选择被选输入信号对的增益因子得到电压差分放大级。
然后放大值成为ADC的模
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