铁路货车制动压力采集与记录系统设计.doc

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：
参与人员：
指导教师： 邱成
目录
摘要，关键词，引言……………………………………2
系统使用背景……………………………………………3
信号处理系统流程图……………………………………4
传感器选型………………………………………………4
信号调理系统电路………………………………………7
数据记录转储装置………………………………………8
CF卡 ……………………………………………………11
电源选择…………………………………………………12
价格估计，总结…………………………………………15
致谢，参考文献…………………………………………16

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/风压变送器的货车制动压力采集与记录系统的设计方案；利用传感器采集并记录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，数据记录方式，以及系统电源的选择。

关键词：
货车 制动压力 数据采集记录系统

引言：
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储方式等问题。

1. 系统使用背景

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. 信号处理系统流程图

信号调理电路，处理信号
压力传感器感知压力
列车制动缸、列车管、副风缸

A/D转换电路，将模拟信号转换成数字信号

由pc机控制定时发送信号
车载数据存储器

3.传感器选型
3.1 选型要求及可选传感器
适于测量风压
具有一定过载能力
满足工作温度范围

查找到的可供选择的传感器有：

HM20 通用型压力变送器
PT500-500系列压力变送器
HM30微差压/风压变送器
测量范围
-100KPa~0~5KPa...100MPa
-100KPa-0.6Mpa～60 Mpa～120 Mpa间任意可选

差压/风压：0~500Pa…700KPa
负 压：0~-500Pa…-1KPa…-5KPa…-10KPa….-50KPa…-100KPa
压力类型
表压或绝压
表压 绝压 差压

过压
2倍满量程压力(其中100MPa的产品过压为1.1倍满量程压力)
150%FS
2倍满量程压力
测量介质
与316不锈钢兼容的气体或液体
气体、液体及蒸气

非腐性、无粉尘、干燥性气体
供 电
12~36VDC（一般24VDC）
24V Dc（12～36VDC）

12~36VDC（一般24VDC）
信号输出
4~20mA / 1~5VDC / 0~5VDC / 0.5~4.5VDC
通用：4～20mA（二线制）、0～5VDC、0～10VDC、0.5～4.5VDC（三线制） 特殊：0～20mA 、1～5VDC、0～2VDC、电压比例输出、RS485数字信号

4~20mA / 1~5V DC / 0~5V DC / 0.5~4.5V DC
温度性能
工作温度
-40～ 85℃
介质温度： -20～85℃、-20～150℃、-20～200℃、-20～300℃（可选）
环境温度：-20～85℃
储存温度：-40～90℃
介质温度 -20℃~85℃

补偿温度 -10℃~55℃
环境温度 -10℃~80℃
补偿温度
-10 ～ 60℃

3.2 选定的传感器
HM30微差压/风压变送器

HM30微差压/风压变送器选用德国HELM公司的高品质组件，采用归一化设计的电路和装配工艺以及独特的传感器应力 隔离技术，经温度补偿及高稳定性放大处理，将被测介质的差压信号转换成4~20mA DC 或1~5V DC标准信号。高质量的传感器、归一化设计的电路、精湛的封装技术以及完善的装配工艺确保了该产品优异质量和最佳性能。该系列产品是专门为工业和民用OEM客户设计，建立了新的性能价格比标准。

产品特点：
◇ 高性能价格比
◇ 0～0．5kpa至0—700kpa
◇ 零点、量程连接可调
◇ 反向极性保护及限流保护
◇ 防雷击、防射频干扰
◇ 结构精巧、外形美观、安装便捷
◇ 归一化设计和生产保证了产品稳定的质量和性能
◇ 可根据客户的具体使用要求设计或改进

产品性能：
测量范围
差压/风压：0~500Pa…700KPa
负 压：0~-500Pa…-1KPa…-5KPa…-10KPa….-50KPa…-100KPa
允许过压
2倍满量程压力
测量介质
非腐性、无粉尘、干燥性气体
综合精度
线性、重复型、迟滞
±0.1%FS
±0.25%FS
±0.4%FS
介质温度
-20℃~85℃
补偿温度
-10℃~55℃
环境温度
-10℃~80℃
零点温度漂移
典型：0.02%FS/℃
最大：0.05%FS/℃
灵敏度温度漂移
典型：0.02%FS/℃
最大：0.05%FS/℃
长期稳定性
典型：±0.1%FS/年
最大：±0.2%FS/年
供电范围
12~36VDC（一般24VDC）
信号输出
4~20mA / 1~5V DC / 0~5V DC / 0.5~4.5V DC
负载电阻
≤(U-12)/0.02 Ω
外壳材料
硬铝合金表面喷塑或304不锈钢
防护等级
IP65或IP67
过程连接
Φ8嘴带M10x1安装螺丝(特殊可以螺纹连接)
防爆标志
Exia II CT5(本质安全防爆型)
重量
约0.35Kg
振动误差
≤±0.01%FS(X、Y、Z轴，200Hz/g)
响应时间
≤2 ms
绝缘电阻
100MΩ,500V DC

注：1.如风缸内含粉尘或潮湿气体，请务必在连接管路中选用配套的防尘干燥过滤器，并按时去湿除尘或更换
2.选型附加功能代号“E”本安防爆型ExiaПCT5，须经安全栅供电

4.信号调理系统电路

信号调理电路就是信号处理电路，把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、光强等...但由于传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号等，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到MCU或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
本信号调理电路可以做到将压阻式压力传感器采集到的数据进行合理放大缓冲，最终将数据传到AD转换器。
　美国Maxim 公司推出的MAX1450 信号调理集成芯片,主要针对压阻式压力传感器的应用而设计,也可用于加速度计、应变检测和其他低电平桥式电阻性传感器。只需对芯片外接元件进行简单的设置和调整,便可对传感器的失调、满量程输出、失调温度系数、满量程输出温度系数及满量程输出非线性进行校准和补偿,使信号输出精度提高到1 %(相对于传感器的线性误差) ,简化了传感器输出信号调理电路的结构。

5. 数据记录转储装置
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：1.8 V至3.6 V
超低功耗：
CPU活动模式（AM）：160μA/ MHz的
待机模式（LPM3 RTC模式）：2.0μA
关闭模式（RAM保持LPM4）：1.0μA
15毫安，为250 kbps，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20 MHz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I 2 C，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 - 128 EN /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125 ns。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。

6. 64MB CF卡
6.
CF卡（Compact Flash）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（43mm x 36mm x 3.3mm），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Flash Memory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.电源选择

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

免维护铅酸蓄电池5V 3AH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
5V 3AH
额定容量
3AH
产品认证
CE
适用范围
医疗用蓄电池

5V 3AH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℃的温度范围内使用。
自放电低：使用耐腐蚀性好的特殊铅钙合金制成的板栅，把自放电控制在最小，室温25摄氏度下储存，半年之内不用补充电
应用范围：适合照明灯具、医疗仪器、备用电源、音响、太阳能系统、UPS电源系统，小型电子设备、电力系统、报警系统、消防设备、电子秤、应急灯、电动工具、吸尘器、电动童车、船用蓄电池、电子电器、报警器、备用电源、UPS、电动车、监控系统、灯具、通讯系统、机械设备、扫地机、电力站、音响设备等。

镍氢充电电池组/3.6V手电筒电池组

品牌
宇电通
型号
AAA
充电时间
3（h）
外型尺寸
22.5*22.5*44（mm）
充电电流
0.35（A）
标准电压
3.6（V）
额定容量
800（mah）
产品认证
CE,ROHS

8.价格估计
项目
HM30微差压/风压变送器

MAX1450
CC430F6137

CF卡
（64M)
储能用蓄电池
免维护铅酸蓄电池5V 3AH铅酸电池
镍氢充电电池组/3.6V手电筒电池组

数量(个）
60
20
20
20
20
20
20
单价(元）
100
11
20
12
70
12
7.6
小计(元）
6000
220
400
240
1400
240
152
总价（元）
8652

9.总结：
这个学期，开始接触传感器，刚刚上过了几节课，对传感器有了一点认识，老师给我们布置了这样的一个课题，感觉还是狠有难度的。不过既然交代了，当然不能马虎了。
课题发下来后，我们先简单分了一下工，我和刘创查资料，张林溪来做报告和ppt。
我和刘创泡了整整一天图书馆，以前没怎么用过图书馆，查资料有些困难，加上刚开始学，不知道哪些对我们有用处，所以收获甚微，主要还是靠互联网，电脑充了两次电，忙了一天，终于将资料收集的差不多了。
后来我们在细节方面又研究了一下。然后将所有资料发给了张林溪。经过她一个晚上的努力，报告和ppt都做了出来。然后我俩再负责定稿。终于在规定日期之前完成了任务。
我们设计的这个方案，总体上来说，可行性是蛮强的。其中所用到的各种元器件，比如说传感器，芯片等，都是我们经过对比和研究筛选过的，性能和工作稳定性能都比较好。我们在信号处理和传输方面，选择的是7CC430F6137，它是集信号转换和信号传输一体的芯片，方便，由省去了分离电路对信号准确度和强度的干扰。数据存储，选择cf卡非常便捷。本系统相对于前人的设计，还有一大优点就是：经济。
总之，这是我们第一次，也是在理解不太深的情况下作出的设计，在很多方面可能有欠缺，中可能会出现很多问题，不过，我相信，经过我们不断学习，不断试验和改进，将来，我们坑定会设计出一个完美的方案。
10.致谢：

11.参考文献
百度文库
百度知道
百度百科
邱成，万里冰，史红梅.
《传感器原理及应用研究性训练载体指导书[J].》北京交通大学出版社
罗冰洋 ，莫易敏， 余先涛.《机车制动监测系统中传感器结构的研究[J].》
马云峰. 《信号调理集成电路MAX1450及其应用[A].2001.1.51--54.》
段勇，陈真诚，宋含. 《基于MSP430单片机的SD卡读写》
16