智能车辙测试仪控制系统设计毕业设计论文Word格式.docx
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目前已突破3万公里，高速公路总里程位居世界第二。
据统计，我国的高速公路95%以上的路面均为沥青混凝土或改性沥青混凝土路面。
但随着交通量的不断增长，很多高速公路沥青路面均呈现出一定的早期破坏，如开裂、泛油、剥落、车辙等现象，有的高速公路甚至当年通车即发生了病害，正常维修期大大提前，直接影响了车辆的运行，也增大了养护管理资金的投入。
如果我们在施工前对沥青的质量通过实验进行检测，那么将减少很多意想不到的问题。
影响我国高速公路沥青路面质量的因素非常多，如浸水时间过长路面面层松散、剥落、坑槽；
由于沥青混合料级配设计不合理、稳定性差或由于基层及面层施工时压实度不足，使轮迹带处的面层和基层材料在行车荷载反复作用下出现固结变形和侧向剪切位移引起车辙等。
特别在夏季交通高峰期，车辆多对路面的破坏非常的明显，所以对路面沥青材料在高温情况下的软化度、稳定度有着非常高的要求。
智能车辙测试仪就是针对沥青稳定度测定的最新产品。
智能车辙测试仪是根据交通部《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）中的T0719-1993沥青混合料车辙试验设计。
智能车辙测试仪是采用机械精加工技术，数据采集，实时控制技术的新一代的机电一体化的产品。
目前车辙测试仪试验系统实时控制比较差，自动化水平也不高，价格比较高。
我们设计的智能车辙测试仪是由单片微机控制的自动化程度较高的精密测控系统。
而且添加单片机与普通PC机之间的通讯，这样实现了实验者对数据、设备的实时的观察，以便遇到各种情况可以实施相应的措施。
在实验过程中PC机将自动生成试样变形量的图表、曲线。
整个系统的操作也非常的简单，只要按动运行键，便能自动实现试样压力和位移的采样及保持实验仪内的温度为恒温。
车辙测试仪的软件是基于Windows9X操作系统的专用测试与数据处理软件，专门配合车辙测试试验仪使用，具有实时采集试验数据显示、显示试验曲线，存储和处理试验数据等功能。
该软件采用了最新且最流行的Windows软件开发平台VisualBasic6.0开发完成。
软件界面友好，操作简便并且采用了最优的数据处理和程序算法以及快速接口数据采集，软件运行稳定，适用与WINDOWS98，WINDOWS2000，WINDOWSXP系统，使用方便，便于掌握和操作。
整套全自动车辙测试仪具有操作简便，测量精度高，显示直观明了的优点，适合于交通土建工程的院校、科研、施工、监理等部门使用。
车辙测试仪的出现很好的解决了在飞速的道路建设中对路面沥青材料质量的检测问题，使路面质量得以很好的保证。
目前沥青材料的运用非常广泛，因此沥青测试技术必将继续得到发展。
在将来的测试技术中，会运用到越来越多的高新技术。
2005年6月13号
第一章全自动车辙测试仪控制系统总体方案的设计
1.1车辙测试仪试验系统的设计要求
根据国家部委对路面沥青材料的质量要求，和其测试的标准，需要在车辙测试仪的试验箱中模拟出一个车轮在高温天气的环境里对路面沥青材料进行往返碾压的真实环境，以用测试路面沥青材料在高温环境里的软化度，从而确定路面材料的质量。
由交通部沥青混合料车辙试验规程（T0719－2000）可知，车辙试样须放在恒温室内进行，恒温室保持温度60±
1℃，标定温度以标准水银温度计（最小分度值0.1℃）上温度为准；
主要技术指标：
车辙橡胶轮轮尺寸：
Φ200×
50mm
硬度：
20°
C时为84±
4IRHD；
60°
C时为78±
2IRHD
橡胶厚度：
15mm
试验轮纵向运行速度：
42±
1次／min（21个往复运动/分钟）
试验轮接触压力：
0.7±
0.05Mpa
试模内尺寸：
长300mm×
宽300mm×
深50mm
变形量测量范围与精度：
0～30mm；
分辨率：
0.01mm
温度控制范围：
恒温箱：
60±
1℃，试件：
0.1℃
主机电源：
380V;
数采仪电源：
220V
1.2实验测试的前期工作
（1）试验轮接触压强测定：
测定在60℃时进行，在试验台上放置一块50mm厚的钢板，其上铺一张毫米方格纸，上铺一张新的复写纸，以规定的700N加载后，试验轮静压复写纸，可在方格纸上得出轮压面积，并由此求得接触压强。
当压强不符合0.7±
0.05MPa，荷载应予适当调整。
（2）按上面技术指标要求用轮碾成型法制作车辙试样试块。
在实验室或工地制备成型的车辙试件，其标准尺寸为
300×
50mm。
也可从路面切割300×
150×
50mm的试件。
（3）将试件脱模按规定的方法测定密度及空隙率等各项物理指标。
如经水浸，应用电扇将其吹干，然后再装回原试模中。
注：
为使试件与试模紧密接触应记住四边的方向位置不变。
（4）将试件连同试模一起，置于试验温度达到60±
1℃的恒温室中，保温不少于5h，也不得多于24h。
在试件的试验轮不行走的部位上，用温度传感器测试温度，试件温度应稳定在60±
1℃。
1.3测控系统的要求
1.3.1位移测量
对车辙试验分析最直接的数据是所测得的位移量，因此系统中必须要有位移测量系统，要求单片机要有相应的通道。
1.3.2温度测量和恒温
由于在整个试验过程中始终要在恒温条件下进行，所以就要有必要的温度测量和控制系统，温度控制是通过控制电热丝的通断电来实现的。
1.3.3单片机和PC机的通信
单片机需将许多数据传送给PC机处理，PC机发送数据给单片机控制设备的启动与关闭，因此需要考虑单片机与PC机的通信问题。
1.3.4PC机的控制
通过PC机的控制界面我们要控制全自动车辙测试仪的一些辅助设备，比如驱动电机，照明，风扇，鼓风机的启动等。
1.4全车辙测试仪控制原理
车辙测试仪主要原理是通过位移传感器对试验样品被车辙挤压的变形量进行实时的试验数据采集，并通过运算放大电路和信号处理电路，将采集所的模拟电流信号通过A/D转换芯片转换成单片机能够处理的数字信号。
然后由单片机将位移信号通过串行口发送给PC机。
由PC机进行数据处理与分析，并在屏幕上绘制出试验过程中试验样品变形的数据图表，然后进行综合的数据分析，做出试验分析报告，并将数据保存或者通过打印机接口打印输出。
最后发送控制信号给单片机，通过单片机P1口去控制输出设备。
由于整个试验过程需要在一个恒温的60℃环境中进行，所以需要在车辙测试仪的试验箱中制造一个温度恒定的试验环境。
因此在测试仪的试验箱中需要加装一个恒温控制系统，对试验箱中的温度进行实时采集和控制。
我们根据量程，精度，适用性和经济要求最终选择直线型位移传感器和PN结型温度传感器，再通过运算放大电路，将电流信号协调到A/D转换器模拟电流输入值的范围内（0～+5V），根据试验采集数据精度的要求和转换速度的要求，可以采用12位的A/D转换器和8位的单片机系统。
由于数据采集后需及时的由单片机发送给PC机，由PC机来进行进一步的数据处理，可以绘制出位移传感器所测到的沥青材料变形数据的图表，并通过计算机与原先温度设定的值进行比较，然后由计算机做出进行加温还是不加温的结论。
并可以采用电热丝对其加热，并通过鼓风机和试验箱中的风扇保证试验箱中的空气流通，从而使试验箱中温度均匀。
1.5整个测试仪功能划分
软件和硬件是控制系统的两大组成部分，目的是一致的为了解决问题，实现功能。
现在就我们设计的课题将软件和硬件功能划分如下：
硬件功能为：
（1）测量电路：
包括温度和位移传感器，放大器，A/D转换及接口。
（2）控制电路：
包括开关量输出和各种设备的驱动。
（3）串行口电平转换电路：
把单片机输出的TTL电平转换为PC机能接收的RS232电平，实现单片机和PC机的通信。
（4）电源电路：
为系统提供稳压电源。
（5）其他电路：
小车的定位检测，系统的急停电路。
软件功能：
（又分为单片机部分和PC机部分）
单片机部分为：
（1）温度，位移检测：
主要是实时采样。
（2）控制的实现：
通过PC机的控制返回值去控制系统中的设备。
（3）和PC机的通信：
实现数据的发送和接收并进行校验。
PC机部分为：
（1）和单片机的通信：
（2）数据的处理：
处理发送过来的数据，保存并绘制曲线图进行观察。
（3）控制界面：
由控制界面通过单片机控制系统的设备。
1.6测试系统流程图
1.7测试的步骤
1.将实件的实验轮不行走的部位上，粘贴一个热电耦温度计（也可以在实件制作时预先将热电藕导线埋入试验件一角），控制试件温度稳定在60℃±
连同实模一起，置于已达到实验温度60℃±
1℃的恒温室中，保温少于5h，也不得多于24h。
在实件
2.将试件连同试模移置于轮辙试验台，试验轮在试件的中央部位，其行动方向须与试件碾压或行车方向一致。
开动车辙变形自动记录仪，然后启动实验机。
第二章车辙实验仪机械本体部分的简介
2.1机械主体运动方案
实验轮固定在杠杆上，杠杆以一端支架为支点，另一端放置重物，由起吊装置控制起吊和停止。
实验轮在小车上部的沥青试模装置上施压并进行往复运动，达到车轮在路面上行驶的效果。
小车下部装有滑块在导轨上做直线往复运动，两条导轨安装在两具工字钢上。
2.2驱动设计
在进行测试时小车需在导轨上做往复运动。
普通电机通过减速器带动曲柄滑块，从而实现小车的往复运动。
2.3通风系统
由于试验要在一定的温度下进行，就需要对恒温室进行热风循环。
热风循环充分与否直接决定试验结果的正确性，所以通风系统的设计在系统中显得非常重要。
本设计恒温室热风循环采用鼓风机（离心风机），加风道（上下通风循环）。
为力使恒温室内各部分受热均匀，在恒温室的上方加小风扇。
应保证恒温室内单位时间内的热风流量，从而选择适当型号的离心风机。
设计离心风机放仪器下部，加热装置与离心风机的进风口相连接。
热风循环方式如下图
。
2.4水浴
本设备是具有浸水试验功能的仪器，热水加热直接在试验水箱中加上加热器完成，不另外在底部设水箱。
水箱中放有温度传感器，用单片机监控水温。
2.5试模组件
试模是在专门的配套设备中用轮碾成型法制作车辙试样试块。
在实验室或工地制备成型的车辙试件，其标准尺寸为300×
50mm的试件，试模采用紧缩结构。
2.6外观
正面、左侧各开一个门，试模的放取是从左侧的门，正面的门是为了观察、打扫、和维修的方便。
2.7传动机构
小车的运动采用电机──减速器──双滑块四杆机构机构。
2.8起吊系统
配重采用减速器起吊。
起吊要平稳，起吊高度要方便试模的放取
2.9杠杆的的结构特点
杠杆应该选择合理的截面形状，使其面积最小，以达到减轻自重和节约材料的目的。
综合考虑到杠杆提升时的稳定度及工作时的稳定性，本设计采用截面形状为回形的型钢。
第三章车辙测试仪硬件的原理，选用和外围电路的设计
3.1前向通道的设计
3.1.1总论
在测控系统中，总要有一些现场信号要输入计算机，如温度、压力、开关状态等。
像这样反映外界状态的信息输入通道称为前向通道。
前向通道是微机测控系统的重要组成部分，是连接现场和微机的桥梁。
前向通道的主要作用是把各种传感器检测到的外界状态转换为单片机机能接受的数据形式送入单片机，所以前向通道也常被称为传感器接口通道。
本次毕业设计的前向通道由：
1.温度传感器；
2.位移传感器；
3.信号放大；
4.A/D转换等部分组成。
具体选择应用方案如下：
当输入通道的输入信号为较高电平时可以不必使用放大器，由于本系统采用的传感器输出电平比较低因此在系统中需采用相应的放大电路，信号电压经放大后输入到A/D转换器。
如果输入信号的变化速度比A/D转换速率慢得多，则可以省去S/H采样保持电路，我们设计的系统由于信号变化比较慢因此不需要采用采样保持电路。
由于输入通道与强电无任何联系，故没有必要设光电隔离电路。
3.1.2传感器的选择
信号将通过传感器输入单片机，因此传感器也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。
要正确选用传感器，既要明确所设计的测试系统需要什么样的传感器（系统对传感器的技术要求）；
又要了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器，把同类产品的指标和价格进行对比，从中挑选合乎要求的性价比高的传感器。
一般选用传感器的主要依据有：
具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转换范围与被测量实际变化范围相一致；
转换精度符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标（一般应优于系统精度的十倍左右），转换速度应符合整机要求；
能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温，耐高压，防腐，防震，防爆，放电磁干扰，体积小，质量轻和耗电少等；
能满足用户对可靠性和可维护性的要求。
（1）温度传感器的选择:
P-N结温度传感器的原理：
P-N结温度传感器是利用二极管的PN结正向电流和温度的关系，得到外加电压与温度的近似关系，也可以利用晶体三极管基极与发射之间的PN结的温度效应，测量温度范围为-50~200℃。
PN结的正向电压VF与温度T的关系如式（3-1）所示
式中
、K、g、V
g
、B均为常数；
J为电流密度。
当电流密度J保持不变时，PN结正向电压VF随着温度T的上升而下降，近似与线性关系。
对于硅二极管，温度升高1℃，正向电压下降约2mV。
二极管温度传感器正是利用PN结正向电压与温度关系的特性而制作的。
假设集电极电流为常数，晶体二极管的基极-发射极电压VBE与温度T近似于线性关系，可利用式（3-2）表示
式中C为常数，与PN结电流密度和工艺参数有关。
利用这种关系，可以将晶体三极管用作温度传感器。
但要求晶体三极管的V
误差在3%以内，在使用中还可以通过调节集电流以减小V
的误差。
考虑到测量范围、测量精度、价格等情况，在本设计中使用P-N结温度传感器。
感温探头采用一只硅三极管9013，把它接成二极管形式。
硅晶体管发射结电压的温度系数约为-2.5mV/℃，即温度每上升1度，发射结电压会下降2.5mV。
由P-N结的原理，我们可用P-N结作为温度传感器，精度要求能满足，价格也便宜，因此我们在这次设计中我们选用9013。
（2）位移传感器的选择:
位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。
型号
工作电压
静态功耗
输出电流
输出电压
线性距离
重复精度
VLS30-8
15-30VDC
≤0.5W
≤5mA
0-10VDC
4-40mm
1.5%
响应时间
环境温度
环境湿度
灵敏调节
输出形式
驱动形式
使用寿命
5ms
-25～75℃
95%RH（25℃时）
具备
双态通用
运放驱动
≥10000h
根据全自动车辙测试仪测量范围要求（0—30mm）和精度要求（0.1mm），我们决定选用浙江省洞头县光电开关厂生产的VLS30-8。
我们选用的VLS30-8是电感式位移传感器。
该位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。
该位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。
位移传感器VLS30-8的参考数据表：
图位移传感器的机械原理图：
输出特性曲线：
从上面的分析我们知道该传感器性能优良，价格适中，符合我们系统设计的要求。
3.1.3霍尔开关的选择:
当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。
两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为
U=K·
I·
B/d
其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦慈力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度。
由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。
霍尔开关属于这种有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。
霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度（如B1）时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。
输出端一般采用晶体管输出，和接近开关类似有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分。
霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。
霍尔开关可应用于接近开关，压力开关，里程表等，作为一种新型的电器配件。
图内部原理图图输入/输出的转移特性
3.1.4运算放大器的选择:
放大器是用来把传感器送来的信号从毫伏电平按比例的放大到典型的模/数转换器输入电平（如满刻度为10V），可选用一个具有适当闭环增益的放大器。
如果信号源的信号幅值相差悬殊，可采用增益可控的可编程序放大器，它的闭环增益由计算机控制。
我们在本毕业设计中选用的运放为LM358，LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合
LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
特性：
∙
内部频率补偿
∙直流电压增益高（约100dB）
∙单位增益频带宽（约1MHz）
∙电源电压范围宽：
单电源（3—30V）；
双电源（±
1.5一±
15V）
∙低功耗电流，适合于电池供电
∙低输入偏流
∙低输入失调电压和失调电流
∙共模输入电压范围宽，包括接地
∙差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
综上，可以得出车辙测试仪的测温电路与测位移电路如下图所示：
3.1.5A/D转换器的选择:
在单片机的实时控制和智能仪表等应用系统中，被控制或被测量对象的有关参量往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、速度等物理量，这些模拟量必须转换成数字量后才能输入到计算机进行处理。
计算机处理的结果，也常常需要转换为模拟信号，驱动相应的执行机构，实现对被控对象的控制。
若输入是非电的模拟信号，还需要通过传感器转换成电信号并加以放大。
实现模拟量变换成数字量的过程称为“量化”，也称为模/数转换。
实现模/数转换的设备称为模数转换器（A/D），A/D转换器是将连续变化的模拟信号转换为数值上等效的数字信号。
尽管A/D转换器的种类很多，但目前广泛应用的主要有三种类型：
逐次比较型、双积分型二种。
逐次逼近法A/D转换器，在精度、速度和价格上都适中，是最常用的A/D转换器件。
双积分A/D转换器，具有精度高、抗干扰性好、价格低廉等优点，但转换速度慢，近几年来在微机应用领域中也得到广泛应用。
选择A/D转换器件主要是从速度、精度和价格上考虑。
由速度、精度和价格等因素，在本毕业设计中使用逐次比较型常用的AD574A。
（1）A/D转换的原理
逐次比较转换的基本原理是用一个计量单位使连续量整量化（简称量化），即用计量单位与连续量比较，把连续量变为计量单位的整数倍，略去小于计量单位的连续量部分。
这样所得到的整数量即为数字量。
显然，计量单位越小，量化的误差也越小。
可见，逐次比较式的转换原理即“逐次比较”。
图3-1为一个N位逐次比较式A/D转换器的原理图。
它由N位寄存器、D/A转换器、比较器和控制逻辑等部分组成。
N位寄存器哟用来存放N位二进制数码。
当模拟量VX送入比较器后，启动信号通道控制逻辑电路启动A/D转换。
首先，置N位寄存器最高位（DN-1）为“1”，其余位清“0”，N位寄存寄存器的内容经D/A转换后得到整个量程一半的模拟电压VN与输入电压VX比较。
若VX>
VN,则保留DN-1=1;
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