机车轴温装置使用中出现的问题的改进.docx
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机车轴温装置使用中出现的问题的改进
毕业设计（论文）
题目：
机车轴温装置使用中出现的问题的改进
系部：
机车车辆系
专业：
铁道机车车辆
学生姓名：
张凯
学号：
23号
指导教师：
陈友伟、杨翠青
2013年4月30日
题目：
_机车轴温装置使用中出现的问题的改进______
系部：
机车车辆系专业：
__铁道机车车辆____
学生姓名：
张凯学号：
_____23号________
指导教师建议成绩：
评阅教师建议成绩：
答辩小组建议成绩：
答辩委员会意见：
最终成绩：
答辩委员会主席签字：
年月日
题目：
_机车轴温装置使用中出现的问题的改进_
适合专业：
_____铁道机车车辆______
指导教师（签名）：
提交日期：
2012年12月13日
系部：
机车车辆系专业：
铁道机车车辆______
姓名：
_____张凯_______学号：
______23号_____
毕业设计（论文）基本内容和要求：
针对目前列车轴温探测存在的不足，借助于现代无线传感器网络技术，设计了系统简洁、布局小巧、灵敏度高、收发信息能力快速的高速列车轴温集中监测系统，摆脱了传统有线的传输方式，可实时监测运行中的列车轴承情况，如超过轴温监测预设定值，就发出报警信号，便于及时采取有效措施，有效地降低事故发生率，避免因事故而产生的巨大经济损失。
经过实验得到两种载重情况运行列车的轴温数据，分析了提速列车的轴温变化规律，给改进热轴预报提供了数据基础，对维护铁路运输的正常运行和高速铁路的发展具有重要意义。
毕业设计（论文）重点研究的问题：
借助于现代无线传感器网络技术，设计出系统简洁、布局小巧、灵敏度高、收发信息能力快速的高速列车轴温集中监测系统，摆脱了传统有线的传输方式，可实时监测运行中的列车轴承情况，
毕业设计（论文）应完成的工作：
1、本次毕业设计（论文）应有参考文献10篇以上。
2、图表要求：
所有图表、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。
参考资料推荐：
[1]何立民主编.单片机高级教程.北京航空航天大学出版社，2000
[2]陈书开等.单片计算机的硬件软件及应用.中南工业大学出版社，1994
[3]朱定华、刘玉.单片机原理及接口技术学习辅导.电子工业出版社，2001
[4]何立民.单片机应用技术选编.北京航空航天大学出版社，1997
其他要说明的问题：
题目：
___机车轴温装置使用中出现的问题的改进_______
系部：
铁道机车系专业：
____铁道机车车辆______
学生姓名：
张凯学号：
23号_____________
文献综述：
轴温报警装置简介轴温报警（以下简称轴报）装置的作用是预防机车重大事故的发生,当机车走行部位出现急剧温升时能及时提醒司机采取相应的措施,并为机修技术分析提供实时记录资料，而且机车走行部是机车的重要部件，它的状态好坏直接影响铁路运输的安全。
其中的轴箱轴承，牵引电机和抱轴瓦（提速车的轮对空心轴轴承）由于故障会不正常发热，如不能及时机车乘务员发现，则会热轴，甚至造成机破，影响机车交路的正常运转，重则造成切轴，车毁人亡，严重影响铁路运输的安全，给国家造成巨大的经济损失。
特别是从1997.4.1日期列车全面提速后交路延长，停点减少，主要干线从始发站到终点站钟荐不保留停点，单靠乘务员停站检查已不能适应要求。
因此，作为保证铁路运输安全的一项重要措施，对机车轴承温度进行在线实时检测显得十分迫切和必要。
JK00430型机车走行部车载监测装置在我段使用以来，成功地预报了多起机车走行部轴承、齿轮、抱轴瓦（抱轴承）及踏面故障，对我段客运机车的安全运用做出了重要贡献。
本文介绍了JK00430型机车走行部车载监测装置在我段成功应用的典型案例，并总结了使用经验，使“装置”的使用发挥到新的水平。
武昌南机务段自2005起，相继在客运机车上安装北京唐智公司的JK00430型机车走行部车载监测装置（以下简称“装置”）共108台。
该装置在保留对轴承温度监测功能的基础上集成了先进的共振解调技术，可对走行部的轴承、齿轮和踏面的故障（损伤）进行诊断，能够比单一的温度监测更早地发现故障。
该装置在运行过程中针对检测到的温度、故障信息进行分析处理，现场报警并向乘务员报告，且对运行过程中的检测数据进行自动记录，机车回段后走行部车载监测装置数据下载分析人员持专用数据下载盘将记录的数据转储到电脑中进行地面软件分析。
根据所采集的丰富信息，对轴承、齿轮和轮对踏面等走行部部件作出科学的维修决策，指导维修工作进步到状态维修，降低维修成本、延长设备使用寿命、提高经济效益，为机车修制改革提供科学依据。
机车轴温报警装置故障检测仪由检测单元、判断单元和手持单元等构成。
待测的轴温报警装置检测信号由检测单元接收，而判断单元根据所述检测信号输出故障判断结果，手持单元则根据上述结果对待测轴温报警装置的故障点输出修复信号。
该检测仪能够快速定位发生故障的元件和总线，目的性明确的对故障元件进行修复。
不仅解决了机车轴温报警装置一直故障率居高不下的难题，也显著了降低了成本。
因为以往轴温报警装置出现故障，由于无法精确对故障的元件和总线定位，只能大面积更换元件。
显著利用检测仪针对性的修复故障元件，降低了成本。
从当前的应用情况来看，我们按照路局机务处的指导意见（《机车走行部车载监测装置管理办法（试行）》），结合我段段情制订了相应的管理办法，完善了分析考核制度，并把日常分析内容纳入考核。
在该装置的日常使用与维护中，我们基本能够满足实际需要，能够对质量问题提出相应的技术措施，并对使用中的软件提出其完善的建议，唐智公司能够比较迅速的做出技术反应及时解决，使该装置的应用达到新的水平。
应当说，随着走行部车载监测装置重要性的不断体现，对该装置的正确理解和使用以及专业化集中修是今后完善装置管理的必由之路。
在使用过程中，我们总结得出以下经验：
1．应按售方提出的安装规范制定安装方案和相应的安装工艺，并严格执行安装工艺。
这样不仅能准确地采集到数据，减少其它干扰信息对传感器的影响，而且可避免在行车过程中因振动和其它因素影响系统的可靠性，特别传感器网络的可靠性，从而产生不必要的维护工作量。
2．加强对乘务人员在机车运用中的培训，按照装置的运用决策进行操作，做到信息的及时交流，并能够对出现的报警问题提出初步的判断。
3．在技术判断方面，注意总结经验，特别是下载后的数据分析处理经验，根据装置的维修决策，发生一级报警或预警，我们就对机车进行顶轮检测，根据检测结果采用视情维修的决策或进行跟踪处理，着重注意其发展趋势，在必要的时候就要采用落轮维修，以避免机车带重大故障运行。
主要参考文献：
[1]何立民主编.单片机高级教程.北京航空航天大学出版社，2000
[2]陈书开等.单片计算机的硬件软件及应用.中南工业大学出版社，1994
[3]罗万均、冯子纲.汇编语言程序设计.电子科技大学出版社，1994
[4]王幸之.8051/8098单片机原理及接口设计.兵器工业出版社，1998
[5]王福瑞.单片微机测控系统设计大全.北京航空航天大学出版社，1997
[6]朱定华、刘玉.单片机原理及接口技术学习辅导.电子工业出版社，2001
[7]王改名、赫苏敏、王忠杰.HD7279A的原理与应用.北京航空航天大学出版社，2001
[8]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计（系统配置与接口技术）.北京航空航天大学出版社，1990
[9]徐惠民等.单片微型计算机原理、接口、应用.北京邮电学院出版社，1990
[10]李朝清编著《PC机及单片机数据通信技术.北京航空航天大学出版社，2000
[11]李华主编《MCS-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社，1993
[12]蔡美琴等.MCS—51单片机系统及其应用.高等教育出版社，1992
[13]张积东等.单片机51/98开发与应用.电子工业出版社，1994
[14]陈莉蓉编译.单片机微型计算机MCS-48MCS-51应用手册.北京：
电子工业出版社，1986
[15]余永权等.世界流行单片机手册.北京航空航天大学出版社，2002
[16]陈福生等.计算机软硬件应基础.同济大学出版社，1993
[17]刘德贵等.单片微型计算机原理与应用.科学出版社，1989
[18]何立民.单片机应用技术选编.北京航空航天大学出版社，1997
[19]MAX3232datasheet.Rev1.0.MaximIntegratedProduct
[20]何立民主编.单片机中级教程.北京航空航天大学出版社，2000
[21]胡汉才编著.单片机原理及其接口技术.清华大学出版社，1995
五、研究方案
针对目前列车轴温探测存在的不足，借助于现代无线传感器网络技术，设计了系统简洁、布局小巧、灵敏度高、收发信息能力快速的高速列车轴温集中监测系统，摆脱了传统有线的传输方式，可实时监测运行中的列车轴承情况.
毕业设计（论文）进度安排：
序号
毕业设计（论文）各阶段内容
时间安排
备注
1
准备参考资料，了解论文要求。
第1周
2
询问老师论文基本内容。
第2周
3
进行论文设计完成开题报告整体规划论文。
第3周
4
完成毕业论文，时刻与老师沟通。
第4-6周
5
论文修改、优化，完成说明书
第7-8周
6
更深层了解论文，做好论文答辩准备。
第9周
7
毕业答辩与综合成绩评定。
第10周
指导教师意见：
开题报告完成较好，文献阅读较为充分，研究方案和进度安排合理得当，毕业设计已具备可行性，同意进行毕业设计（论文）的写作。
指导教师签名：
审核日期：
2012年12月27日
题目：
机车轴温装置使用中出现的问题的改进______________
系部：
铁道机车系部专业：
铁道机车车辆__
学生姓名：
张凯学号：
23号________
毕业设计（论文）完成情况（包括设计图纸、说明书、实验报告、计算机软硬件、外文翻译及摘要、论文书写及规范化等）评价：
毕业设计（论文）成果质量评价意见：
学生工作态度和考勤情况评价：
开题报告的评定成绩：
总成绩：
____指导教师（签名）：
________日期：
_年月日
题目：
_机车轴温装置使用中出现的问题的改进__________________
系部：
铁道机车系部专业：
铁道机车车辆______
学生姓名：
张凯学号：
23号______
毕业设计（论文）完成情况评价（包括设计图纸、说明书、实验报告、计算机软硬件、摘要、论文书写及规范化等）：
毕业设计（论文）成果质量评价意见：
开题报告评价意见：
评定成绩：
评阅人：
日期：
年月日
题目：
机车轴温装置使用中出现的问题的改进_____________
系部：
铁道机车系部专业：
铁道机车车辆___
学生姓名：
张凯学号：
23号_______
毕业设计（论文）完成情况和成果质量（工作量、任务难度、专业理论的运用、综合运用能力、资料的充足与可信情况、成果水平）评价意见：
答辩表现评价意见：
评定成绩：
答辩组长：
日期：
年月日
摘要
为避免高速列车在运行中产生热切轴现象，采用2.4GHz无线通信技术设计了轴温集中监测系统，系统由安装在车轴上的监测节点和监测台组成；监测节点采用ATmega128L作为微控制器，利用温度传感器PT100实现轴温的采集，并通过无线模块nRF24L01实现数据的传输；监测台主要负责集中接收、处理、显示和存储各监测节点发送来的数据；当轴温过高时，报警提醒驾驶员采取紧急措施，避免发生事故；经试验表明，该系统能够准确测量运行列车的轴温状态，给出了实验结果并进行了分析。
关键词：
轴温集中监测；列车安全；无线传输
目录
摘要I
第1章绪论1机车轴温装置使用中出现的问题的改进………………….1
第2章总体设计……………………………………………………………3
第3章软件设计及编程……………………………………………………..15
第4章高速列车轴温集中监测系…………………………………………..19
第5章朔黄铁路红外线轴温探测设备遭受瞬态过电压损坏情况分析...31
工作总结……………………………………………………………………40
致谢………………………………………………………………………….42
参考文献…………………………………………………………………….43
第1章绪论
机车轴温装置使用中出现的问题的改进
机车车辆在运行过程中车轴与轴承之间相互摩擦，容易使轴温升高，温度达到一定程度就会引起燃轴，轻则轴体变形、热轴、固死，造成机破，影响机车的正常运转，重则造成热切轴，车毁人亡，严重影响铁路运输安全，对国家造成巨大的经济损失。
对于机车轴承的温度控制不但可以防止火灾，而且对于延长仪器的工作寿命都有着极其重要的作用。
为此铁道部于2000年颁发了关于机车轴承温度监测报警装置技术条件（暂行）的通知，对机车轴承温度监测报警装置的研制生产提出了明确的规定和严格的技术要求，以便能及时、可靠、准确的对机车轴温进行监测报警，确保机车车辆的安全运行。
以前铁路工人采用手摸的方式对车轴进行温度检查。
在每趟列车进站停稳后，几十名列检工人钻入车下用手触摸轴箱判断温度，工人要在5—10分钟内检查完毕，劳动强度，安全保障率低。
后来使用红外线探测轴温装置，当列车通过安装在咽喉道岔处的探测装置时，红外线探头就会将车轴温度情况显示出来，值班列检人员根据显示，就能准确判断这趟列车是否有热轴发生。
红外线探测只须一个人坐在室内，仅用一分钟就能把整趟列车的情况探测清楚。
减轻了列检人员的劳动强度，提高了检查的准确性、可靠性和工作效率，更提高了经济效益。
车轴温度随火车运输速度不断变化，长途列车的轴温又是怎样控制呢？
所以又有了轴温报警装置。
当轴温超限时，显示器的报警装置便发出声响或红色信号，有关人员即可根据此采取防护措施。
不管列车跑多远，轴温报警装置都能随时发出信号，有效防止热轴、裂轴等重大事故发生，极大地保证了行车安全那么如何设计一台机车轴承温度监测报警装置呢？
DS18B20芯片可以把温度信号直接转换为数字量，而无须A/D转换器与数据调理电路，而且它采用单总线原理，易于电路扩展，只需在相应单总线上继续挂接器件即可。
我们可以利用DS18B20的这些优点，把4个DS18B20连接到轴承的上下左右，组成一个数据采集电路，对轴承的温度进行监测。
系统选用AT89C51作为微处理器。
为了能够根据不同的情况设置不同的超温报警值，系统需要有一个键盘和一个显示以及一个参数保存电路。
系统还需要一个报警电路，当温度超过温度报警
本文主要工作
（1）键盘显示电路设计。
（2）键盘显示软件设计与编程。
（3）看门狗电路及报警电路设计。
（4）看门狗及报警软件设计与编程。
第2章总体设计
本系统实时地对温度信号进行采集，并送单片机处理，处理结果送LED显示。
该系统还可以将采集到的值与报警值比较，若超出报警值，则发出声光报警。
本系统有如下特点：
1．采用数字式温度传感器，与单片机接口简单，采集到的数据准确可靠。
2．实现4路温度检测，由于采用单总线温度传感器，扩展容易，只要将器件挂接在单总线上即可。
3．有看门狗电路，系统可靠性高。
4．EEPROM保存键盘输入参数，系统掉电后保存的参数不会丢失。
该系统由数据采集电路，键盘显示电路，报警电路，看门狗电路及E2PROM组成。
主控机采用AT89C51单片机，完成对4个测温点温度信号的采集、显示、报警。
系统结构框图如图2－1所示
本系统采用数字式温度传感器DS18B20完成对4个测温点温度的数据采集。
DS18B20可以把温度信号直接转换为数字量，而无须A/D转换器与数据调理电路，既简化电路，又提高电路的可靠性。
采用单总线原理，易于电路扩展，只需在相应单总线上继续挂接器件即可，是现代集成式温度传感器的首选器件。
键盘显示系统显示系
本系统采用HD7279完成数据输入与数据显示。
HD7279是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管的智能显示驱动芯片，该芯片同时能对多达8×8的键盘矩阵的按键情况进行监视，具有自动消除键抖动并识别按键代码的功能，从而可以提高CPU工作的效率。
HD7279和微处理器之间采用串行接口，其接口电路和外围电路简单，占用口线少，具有较高的性能价格比。
报警电路
本电路完成系统报警功能，即在温度超出报警值时，发光二极管灯亮，蜂鸣器响，显示报警状态。
看门狗电路及E2ROM
看门狗电路及E2ROM本电路采用Xicor公司的X25045芯片。
X25045是可编程看门狗监控E2ROM，它把看门狗电路、电压监控和E2ROM组合在一起，降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。
此芯片实时检测单片机，使其正常工作。
一旦单片机因干扰而程序走失，可通过复位电路使单片机复位，保证系统可靠运行。
该芯片还含有内部512字节的E2ROM，可存储键盘输入的温度报警值以及数字式温度传感器DS18B20的序列号，保证掉电时不丢失信息，因而不必每次开机时重新写入这些数据。
X25045还具有允许简单的三线总线工作的串行外设接口和软件协议
硬件电路设计
在硬件设计的过程中，为使硬件电路简单、可靠、合理，设计的基本思路如下：
（1）为简化电路,我们尽可能采用功能强的芯片。
例如本系统中采用的AT89C51，DS18B20，X25045，HD7279A等芯片。
因为功能强的芯片可以代替若干块普通芯片，便于电路设计，使其集成度更高，同时可增强整个电路的抗干扰性。
另外，随着生产工艺的提高，新型芯片的价格不断下降，并不比若干块普通芯片价格的总和高。
（2）在单片机的硬件设计中，很多场合下要考虑以软代硬。
因为硬件多了不但增加成本，而且使系统出故障的机会也增加。
单片机和数字电路本质的区别，就是它具有软件系统。
很多硬件能完成的工作，软件也可以完成。
用软件来代替硬件，其实质是以时间代替空间，因为软件执行过程需要消耗时间，所以，这种代替带来的不足就是实时性下降。
因此，当系统对某些事物的反应有严格的时间限制时，往往增加硬件电路是唯一选择；但对一些实时性要求不是很高的场合，以软件代替硬件是很合算的。
（3）监测电路的设计。
在系统运行过程中有可能出现故障，如何及时采取措施，防止事态扩大，及时向操作者提出报警，这就要求系统具有自诊断功能。
为此，必须为系统设计有关的监测电路。
如本监测仪电路中设计的“看门狗”电路。
（4）一件产品的形成必须考虑其工艺设计，它主要包括面板、配线、插接件等，必须考虑到安装、调试、维修的方便。
另外，硬件抗干扰措施也必须在硬件设计时一并考虑进去。
下面我将对所使用的3种芯片作一详细的介绍。
单片机本
系统的单片机采用AT89C51，它是一种低功耗、高性能的8位单片机，它内含4K字节的FLASH程序存储器，可在现场进行在线编程，指令与MCS-51完全兼容。
它含有4K字节的FLASHROM，128字节的RAM，32条I/O口线，两个16位的定时/计数器，5个中断源，两个优先级，一个全双工串行口，工作频率0-24MHz。
AT89C单片机的特点
AT89C51单片机对于一般用户来说，存在下列很明显的优点：
（1）内部含有Flash存储器由于内部含有F1ash存储器，因此在系统的开发过程中可以十分容易地进行程序的修改。
这就大大缩短了系统的开发周期。
同时，在系统工作过程中，能有效地保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不影响信息的保存。
（2）和AT80C51插座兼容AT89C51单片机的引脚和80C51是一样的，所以，当用AT89C51单片机取代80C51时，可以直接进行代换。
这时，不管采用40引脚还是44引脚的产品，只要用相同引脚的AT89C51单片机取代80C51的单片机即可。
（3）静态时钟方式AT89C51单片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能。
这对于降低便携式产品的功耗十分有用。
（4）错误编程亦无废品产生一般的OTP产品，一旦错误编程就成了废品。
而AT89C51单片机内部采用了Flash存储器，所以，错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。
（5）可反复进行系统试验用AT89C51单片机设计的系统，可以反复进行系统试验。
每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优。
而且随用户的需要和发展，还可以进行修改，使系统能不断追随用户的最新要求。
（6）性价比相对较高现在市场上较为流行的几中品牌的单片机芯片中ATMEL公司的AT89C51单片机芯片的功能能够满足一般用户的要求，而价格较同类产品相比较低。
AT89C51单片机结构简介
AT89C51单片机的内部结构和80C51相近，主要含有如下一些部件：
①803lCPU②振荡电路③总线控制部件④中断控制部件⑤片内Flash存储器⑥片内RAM⑦并行I／O接口⑧定时器⑨串行I／O接口由于AT89C51片内带有EPROM，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即构成单片机最小系统。
由于集成度的限制,该最小应用系统具有如下特点:
（1）有可供用户使用的大量1/0口线。
因没有外部存储器扩展，这时/EA接高电平，P0、P1、P2、P3都可作用户I/0口使用。
（2）内部存储器容量有限。
（3）应用系统开发具有特殊性，应用系统程序量不大，外电路简单，便于采用模拟开发手段。
（4）AT89C5l片内有EPROM，具有64K数据存储单元，其内部资源丰富，芯片功耗较低，其成本低、体积小,可达性好、扩展容易的优点是我们选择它的主要原因。
键盘显示电路概述
键盘实质上是一组按键开关的集合。
通常按键所用开关为机械弹性开关，均利用了机械触点的断合作用。
键的闭合与否，反映在电压上就是呈高电平或低点平。
如果高电平表示断开的话，那么低电平则表示闭合。
所以通过电平的高低状态的检测，便可确定健的闭合与否。
按键按连接方式可分为独立式按键和矩阵式按键。
独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键的工作状态不会影响另一根。
因此，通过检测输入线上的电平状态就可以很容易判断哪个健按下。
独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。
但每个键都需要一根输入线相连，故这种按键一般用在按键较少而速度较高的场合。
矩阵式键盘运用于按键较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行线和列线的交叉点上。
很明显，在按键较多的场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省好多的I/O口。
LED显示器是由发光二极管显示字段组成的显示器，有共阴极和共阳极之分。
共阴极LED各发光二极管阴极连在一起，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。
LED显示器包含两种显示方式：
静态显示方式和动态显示方式。
静态显示器的亮度较高，而动态显示方显示亮度相对较低，且软件实现要比静态显示复杂。
我们采用显示与键盘操作控制芯片HD7279A与89C51单片机进行串行通讯并通过相应的程控实现了这部分的功能。
其相对于常用的Intel8279可编程键盘、显示接口芯片来讲，具有以下特点：
·数据传输采用串行方式，可以少占用CPU的I
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