動(dòng)車組測速測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院理事會(huì).http:/ 1 動(dòng)車組測速測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)動(dòng)車組測速測距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 傳感器原理及應(yīng)用 研究性專題一 2 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院理事會(huì).http:/ 組員及分工組員及分工 符 晗：系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，傳感器的選擇。 杜天明：單片機(jī)程序設(shè)計(jì)。 高 瀟：信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)。 趙逸然：誤差修正及算法設(shè)計(jì) 3 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院理事會(huì).http:/ 前言前言 近些年來，我國的鐵路發(fā) 展迅速，列車速度越來越 快，然而，在高速度的背 后需要我們對(duì)列車進(jìn)行更 加全面的監(jiān)測，保證列車 的安全性。動(dòng)車組速度和 位置的檢測, 作為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 功能的先決條件也就顯得 越來越重要。 4 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院理事會(huì).htt

2、p:/ 1.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 測量動(dòng)車組速度和距離的方法有很多，比如利用光電式 傳感器通過測量萬向軸的轉(zhuǎn)速來間接測得動(dòng)車組的速度， 其缺點(diǎn)則是容易受空轉(zhuǎn)以及打滑的影響而產(chǎn)生較大誤差， 因此我們選擇的是激光測速測距傳感器通過不間斷地向 軌面發(fā)出激光束，由于列車和軌道的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)多 普勒頻移效應(yīng)原理，利用發(fā)射光和反射光的頻率差計(jì)算 出動(dòng)車行駛的距離和速度，可以有效的避免空轉(zhuǎn)和打滑 對(duì)測量結(jié)果的影響 5 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院理事會(huì).http:/ 流程框圖流程框圖 回波信 號(hào) 傳感器 頻率信 號(hào) 信號(hào)調(diào) 理 數(shù)據(jù)處 理 單片機(jī) 實(shí)時(shí)顯 示 6 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院理事會(huì).http:/ 1

3、.2傳感器的選型傳感器的選型 1.2.1激光測距測速傳感器激光測距測速傳感器 激光測距測速傳感器是通過激光對(duì)物體位移以及運(yùn)行速度進(jìn)行測量，它相 對(duì)于傳統(tǒng)測距測速傳感器有這很大的優(yōu)勢，同時(shí)也是一種新型的測量儀器。 市場上常用的激光測距測速傳感器是LDM301激光測距測速傳感器，它是基 于激光脈沖反射時(shí)差法原理，相對(duì)于傳統(tǒng)測距測速傳感器，它適用大量程 測量，具有很高的響應(yīng)頻率，并且測量靈活以及精度高。 優(yōu)點(diǎn)： 1.外形設(shè)計(jì)緊湊，易于安 裝，便于操作； 2.遠(yuǎn)距離測量，在無反光 板和反射率低的情況下能 測量較遠(yuǎn)的距離； 3.有同步輸入端，可多個(gè) 傳感器同步測量； 4.測量范圍廣，響應(yīng)時(shí)間 短； 5.

4、金屬外殼，結(jié)實(shí)耐用 7 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院理事會(huì).http:/ 1.2.2性能參數(shù)性能參數(shù) 8 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院理事會(huì).http:/ 1.2.3傳感器工作原理傳感器工作原理 激光傳感器工作時(shí)，先由激光發(fā)射二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射 激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。部分散射 光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩 光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功 能的光學(xué)傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號(hào)，并 將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。 雪崩光電二極管：雪崩光電二極管是一種p-n結(jié)型的光檢 測二極管，其中利用了載流子的雪崩倍增效應(yīng)（即光電 流成倍地激增）來放大光電信號(hào)以提高檢測的靈敏度。

5、 9 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院理事會(huì).http:/ 10 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院理事會(huì).http:/ 1.3傳感器安裝傳感器安裝 激光測速傳感器 軌面 11 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院理事會(huì).http:/ 2.調(diào)理電路設(shè)計(jì)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 采用兩級(jí)放大電路，每一級(jí)都采用 反響比例運(yùn)算電路，如圖，設(shè)計(jì)的電 壓放大倍數(shù)約為100倍，其中第一級(jí) 放大倍數(shù)約為10倍，第二級(jí)放大倍數(shù) 約為10倍，放大后電壓變化范圍為 04.8V 12 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院理事會(huì).http:/ 調(diào)理電路設(shè)計(jì)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 13 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院理事會(huì).http:/ 調(diào)理電路設(shè)計(jì)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 調(diào)理電路設(shè)計(jì)是一種置回電壓比較器，它具有慣性，具 有抗干擾的作用

6、，在整形電路輸入端接一個(gè)電容，起到 的作用是阻止其他電路干擾，并將放大的電信號(hào)進(jìn)行濾 波、解耦。 經(jīng)過放大后的信號(hào)基本為5V的電平脈沖信號(hào)，在脈沖 計(jì)數(shù)是常用5V的脈沖信號(hào)，如采用-5V的信號(hào)會(huì)增加電 路的復(fù)雜性故一般不使用，所以進(jìn)行二次整形。 14 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院理事會(huì).http:/ 3.單片機(jī)程序設(shè)計(jì)單片機(jī)程序設(shè)計(jì) 軟件部分由數(shù)據(jù)處理程序、安檢程序設(shè)計(jì)、中斷服務(wù)子 程序、LED顯示程序等幾個(gè)部分組成。 數(shù)據(jù)處理完成對(duì)各種測試數(shù)據(jù)的處理，如各種數(shù)據(jù)的計(jì) 算、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換等。 按鍵程序包括按鍵防抖動(dòng)處理、判鍵及修改項(xiàng)目等。定 時(shí)器1完成定時(shí)功能，定時(shí)20ms，并每隔20ms進(jìn)行一次顯示，

7、每隔1秒讀一次計(jì)數(shù)結(jié)果。單片機(jī)對(duì)在1秒內(nèi)計(jì)數(shù)的值進(jìn)行處 理，轉(zhuǎn)換成每分鐘的速度送進(jìn)顯存以便顯示。 15 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院理事會(huì).http:/ 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 16 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院理事會(huì).http:/ 動(dòng)態(tài)顯示仿真動(dòng)態(tài)顯示仿真 17 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院理事會(huì).http:/ 4.誤差誤差修正及算法修正及算法設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 4.1算法設(shè)計(jì)算法設(shè)計(jì) 傳感器采用激光脈沖反射時(shí)差法原理獲取徑向速度徑向速度 Vr= fdc/2f0 （其中f0是發(fā)射波段，選用f0=24.15GHz.） 根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算可得列車運(yùn)行速度列車運(yùn)行速度 V=a fdc/2f0 （其中常數(shù)a由角度決定，有a=1/cos ） 則由積分關(guān)系

8、得到行駛距離行駛距離 L= Vdt= fdc/2f0 cos dt 18 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院理事會(huì).http:/ 4.2誤差修正誤差修正 頻率誤差fd：在速度測量中，接受波頻率由于列車運(yùn)動(dòng) 而發(fā)生改變，產(chǎn)生誤差。由于光速c=3*(108)(m/s)遠(yuǎn)大 于動(dòng)車時(shí)速v=80m/s，則有 fd 10(-5)MHz 角度誤差：由于火車自身震動(dòng)以及環(huán)境溫度產(chǎn)生的影 響，將使傳感器發(fā)射角度產(chǎn)生誤差。傳感器材質(zhì)膨脹系 數(shù)(外部主體硬質(zhì)塑料)約為k=-10(-6)，假定環(huán)境溫度- 1545，則有T= 30，則形變量s=kT=3*10(- 5)由幾何關(guān)系：sins，解得=10(-5) 。 時(shí)間誤差t：LED顯示所使用的芯