機車軸溫裝置使用中出現的問題的改進

1、題 目：機車軸溫裝置使用中出現的問題的改進必察次魚藤丞出佬挈粉畢業(yè)設計（論文）題目： 機車軸溫裝置使用中出現的問題的改進系部 :機車車輛系專 業(yè)： 鐵道機車車輛學生姓名：張 凱學 號：竺號指導教師：陳友偉、楊翠青2013年4月30 日 系 部：機車車輛系專 業(yè)： 鐵道機車車輛學生姓名：張凱 學號： 23 /指導教師建議成績：評閱教師建議成績：答辯小組建議成績：答辯委員會意見：最終成績: 答辯委員會主席簽字:適合專業(yè)：鐵道機車車輛指導教師（簽名）：e1系 部： 機車車輛系姓 名： 張凱提交日期：20交年12月13專 業(yè)：鐵道機車車輛學 號： 23號畢業(yè)設計（論文）基本內容和要求：針對目前列車軸溫

2、探測存在的不足，借助于現代無線傳感潛 網絡技術，設計了系統(tǒng)簡潔、布局小巧、靈敏度高、收發(fā)信息能 力快速的高速列車軸溫集中監(jiān)測系統(tǒng)，擺脫了傳統(tǒng)有線的傳輸方 式，可實時監(jiān)測運行中的列車軸承情況，如超過軸溫監(jiān)測預設定 值，就發(fā)出報警信號，便于及時采取有效措施，有效地降低事故 發(fā)生率，避免因事故而產生的巨大經濟損失。經過實驗得到兩種 載重情況運行列車的軸溫數據，分析了提速列車的軸溫變化規(guī) 律，給改進熱軸預報提供了數據基礎，對維護鐵路運輸的正常運 行和高速鐵路的發(fā)展具有重要意義。畢業(yè)設計（論文）重點研究的問題：借助于現代無線傳感器網絡技術，設計出系統(tǒng)簡潔、布局小 巧、靈敏度高、收發(fā)信息能力快速的高速列車

3、軸溫集中監(jiān)測系 統(tǒng)，擺脫了傳統(tǒng)有線的傳輸方式，可實時監(jiān)測運行中的列車軸承 情況，畢業(yè)設計（論文）應完成的工作：1、本次畢業(yè)設計（論文）應有參考文獻10篇以上。2、圖表要求：所有圖表、示意圖等不準用徒手畫，必須按國 家規(guī)定的標準或工程要求繪制。3/66參考資料推薦：1何立民主編.單片機高級教程.北京航空航天大學出版社， 20002陳書開等.單片計算機的硬件軟件及應用.中南工業(yè)大學出版 社，19943朱定華、劉玉.單片機原理及接口技術學習輔導.電子工業(yè)出 版社，20014何立民.單片機應用技術選編.北京航空航天大學出版社， 1997其他要說明的問題:題目：機車軸溫裝置使用中出現的問題的改進.系部：

4、鐵道機車系學生姓名： 張凱專 業(yè)：一鐵道機車車輛學 號： 23號1 /66文獻綜述：軸溫報警裝置簡介軸溫報警（以下簡稱軸報）裝置的作用是 預防機車重大事故的發(fā)生，當機車走行部位出現急劇溫升時能及 時提醒司機采取相應的措施，并為機修技術分析提供實時記錄資 料，而且機車走行部是機車的重要部件，它的狀態(tài)好壞直接影響 鐵路運輸的安全。其中的軸箱軸承，牽引電機和抱軸瓦（提速車 的輪對空心軸軸承）由于故障會不正常發(fā)熱，如不能及時機車乘 務員發(fā)現，則會熱軸，甚至造成機破，影響機車交路的正常運 轉，重則造成切軸，車毀人亡，嚴重影響鐵路運輸的安全，給國 家造成巨大的經濟損失。特別是從1997. 4.1日期列車全

5、面提速后 交路延長，停點減少，主要干線從始發(fā)站到終點站鐘薦不保留停 點，單靠乘務員停站檢查已不能適應要求。因此，作為保證鐵路 運輸安全的一項重要措施，對機車軸承溫度進行在線實時檢測顯 得十分迫切和必要。jk00430型機車走行部車載監(jiān)測裝置在我 段使用以來，成功地預報了多起機車走行部軸承、齒輪、抱軸 瓦（抱軸承）及踏面故障，對我段客運機車的安全運用做出了 重要貢獻。本文介紹了 jk00430型機車走行部車載監(jiān)測裝置在 我段成功應用的典型案例，并總結了使用經驗，使“裝置”的 使用發(fā)揮到新的水平。武昌南機務段自2005起，相繼在客運 機車上安裝北京唐智公司的jk00430型機車走行部車載監(jiān)測裝 置

6、（以下簡稱“裝置”）共108臺。該裝置在保留對軸承溫度 監(jiān)測功能的基礎上集成了先進的共振解調技術，可對走行部的 軸承、齒輪和踏面的故障（損傷）進行診斷，能夠比單一的溫 度監(jiān)測更早地發(fā)現故障。該裝置在運行過程中針對檢測到的溫 度、故障信息進行分析處理，現場報警并向乘務員報告，且對 運行過程中的檢測數據進行自動記錄，機車回段后走行部車載 監(jiān)測裝置數據下載分析人員持專用數據下載盤將記錄的數據轉 儲到電腦中進行地面軟件分析。根據所采集的豐富信息，對軸 承、齒輪和輪對踏面等走行部部件作出科學的維修決策，指導 維修工作進步到狀態(tài)維修，降低維修成本、延長設備使用壽 命、提高經濟效益，為機車修制改革提供科學依

7、據。機車軸溫 報警裝置故障檢測儀由檢測單元、判斷單元和手持單元等構成。 待測的軸溫報警裝置檢測信號由檢測單元接收，而判斷單元根據 所述檢測信號輸出故障判斷結果，手持單元則根據上述結果對待 測軸溫報警裝置的故障點輸出修復信號。該檢測儀能夠快速定位發(fā)生故障的元件和總線，目的性明 確的對故障元件進行修復。不僅解決了機車軸溫報警裝置一直 故障率居高不下的難題，也顯著了降低了成本。因為以往軸溫 報警裝置出現故障，由于無法精確對故障的元件和總線定位，只 能大面積更換元件。顯著利用檢測儀針對性的修復故障元件，降 低了成本。從當前的應用情況來看，我們按照路局機務處的 指導意見（機車走行部車載監(jiān)測裝置管理辦法（

8、試 行），結合我段段情制訂了相應的管理辦法，完善了分析 考核制度，并把日常分析內容納入考核。在該裝置的日常使用 及維護中，我們基本能夠滿足實際需要，能夠對質量問題提出 相應的技術措施，并對使用中的軟件提出其完善的建議，唐智 3/66公司能夠比較迅速的做出技術反應及時解決，使該裝置的應用 達到新的水平。應當說，隨著走行部車載監(jiān)測裝置重要性的不 斷體現，對該裝置的正確理解和使用以及專業(yè)化集中修是今后 完善裝置管理的必由之路。在使用過程中，我們總結得出以下 經驗：1 .應按售方提出的安裝規(guī)范制定安裝方案和相應的安裝 工藝，并嚴格執(zhí)行安裝工藝。這樣不僅能準確地采集到數據， 減少其它干擾信息對傳感器的影

9、響，而且可避免在行車過程中 因振動和其它因素影響系統(tǒng)的可靠性，特別傳感涔網絡的可靠 性，從而產生不必要的維護工作量。2 .加強對乘務人員在機車運用中的培訓，按照裝置的運用 決策進行操作，做到信息的及時交流，并能夠對出現的報警問 題提出初步的判斷。3 .在技術判斷方面，注意總結經驗，特別是下載后的數據 分析處理經驗，根據裝置的維修決策，發(fā)生一級報警或預警， 我們就對機車進行頂輪檢測，根據檢測結果采用視情維修的決 策或進行跟蹤處理，著重注意其發(fā)展趨勢，在必要的時候就要 采用落輪維修，以避免機車帶重大故障運行。#/665/66主要參考文獻：1何立民主編.單片機高級教程.北京航空航天大學出版社， 20

10、002陳書開等.單片計算機的硬件軟件及應用.中南工業(yè)大學出版 社，19943羅萬均、馮子綱.匯編語言程序設計.電子科技大學出版社， 19944王幸之.8051/8098單片機原理及接口設計.兵器工業(yè)出版社， 19985王福瑞.單片微機測控系統(tǒng)設計大全.北京航空航天大學出版 社，19976朱定華、劉玉.單片機原理及接口技術學習輔導.電子工業(yè)出 版社，20017王改名、赫蘇敏、王忠杰.hd7279a的原理及應用.北京航空 航天大學出版社，20018何立民.mcs-51系列單片機應用系統(tǒng)設計（系統(tǒng)配置及接口技 術）.北京航空航天大學出版社，19909徐惠民等.單片微型計算機原理、接口、應用.北京郵電

11、學院出版社，199010李朝清編著pc機及單片機數據通信技術.北京航空航天大 學出版社，200011李華主編mcs-51系列單片機實用接口技術.北京航空航天 大學出版社，199312蔡美琴等.mcs-51單片機系統(tǒng)及其應用.高等教育出版社， 199213張積東等.單片機51/98開發(fā)及應用.電子工業(yè)出版社，1994 14陳莉蓉編譯.單片機微型計算機mcs-48 mcs-51應用手冊. 北京：電子工業(yè)出版社，198615余永權等.世界流行單片機手冊.北京航空航天大學出版社， 200216陳福生等.計算機軟硬件應基礎.同濟大學出版社，199317劉德貴等.單片微型計算機原理及應用.科學出版社，19

12、8918何立民.單片機應用技術選編.北京航空航天大學出版社， 1997l19max3232 datasheet. revl. 0. maxim integrated product20何立民主編.單片機中級教程.北京航空航天大學出版社， 200021胡漢才編著.單片機原理及其接口技術.清華大學出版社， 1995五、研究方案針對目前列車軸溫探測存在的不足，借助于現代無線傳感器 網絡技術，設計了系統(tǒng)簡潔、布局小巧、靈敏度高、收發(fā)信息能 力快速的高速列車軸溫集中監(jiān)測系統(tǒng)，擺脫了傳統(tǒng)有線的傳輸方 式，可實時監(jiān)測運行中的列車軸承情況.畢業(yè)設計（論文）進度安排：序號畢業(yè)設計（論文）各階段內容時間安排備注1

13、準備參考資料，了解論文要求。第1周2詢問老師論文基本內容。第2周3進行論文設計完成開題報告整體規(guī)劃 論文。第3周4完成畢業(yè)論文，時刻及老師溝通。第4-6周5論文修改、優(yōu)化，完成說明書第7-8周6更深層了解論文，做好論文答辯準 備。第9周7畢業(yè)答辯及綜合成績評定。第10周指導教師意見：開題報告完成較好，文獻閱讀較為充分，研究方案和進度安排 合理得當，畢業(yè)設計己具備可行性，同意進行畢業(yè)設計（論文） 的寫作。指導教師簽名： 審核日期：2012年12月277/66題 目：機車軸溫裝置使用中出現的問題的改進專 業(yè)：鐵道機車車學 號： 23號系部：鐵道機車系部輛一學生姓名： 張凱畢業(yè)設計（論文）完成情況（

14、包括設計圖紙、說明書、實驗報 告、計算機軟硬件、外文翻譯及摘要、論文書寫及規(guī)范化等）評 價：畢業(yè)設計（論文）成果質量評價意見:學生工作態(tài)度和考勤情況評價:開題報告的評定成績:總成績：指導教師（簽名）：日期：年月 日1 /66題目：機軍.軸溫裝置使用中出現的問題的的進系部：鐵道機車系部 專 業(yè):鐵道機車車輛1 /66學生姓名：張凱學 號：23號畢業(yè)設計（論文）完成情況評價（包括設計圖紙、說明書、實驗 報告、計算機軟硬件、摘要、論文書寫及規(guī)范化等）：畢業(yè)設計（論文）成果質量評價意見:開題報告評價意見:評定成績：評閱人：日期：年月 日題 目：機車軸溫裝置使用中出現的問題的改進業(yè)： 鐵道機車車號： 2

15、3號系部：鐵道機車系部專輛_學生姓名： 張凱 學畢業(yè)設計（論文）完成情況和成果質量（工作量、任務難度、專 業(yè)理論的運用、綜合運用能力、資料的充足及可信情況、成果水 平）評價意見：答辯表現評價意見:評定成績：答辯組長：日期：年月 日摘要為避免高速列車在運行中產生熱切軸現象，采用2. 4ghz無線通 信技術設計了軸溫集中監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由安裝在車軸上的監(jiān)測節(jié)點 和監(jiān)測臺組成；監(jiān)測節(jié)點采用atmegal28l作為微控制器，利用溫 度傳感器pt100實現軸溫的采集，并通過無線模塊nrf24l01實現 數據的傳輸；監(jiān)測臺主要負責集中接收、處理、顯示和存儲各監(jiān)測 節(jié)點發(fā)送來的數據；當軸溫過高時，報警提醒駕駛

16、員采取緊急措 施，避免發(fā)生事故；經試驗表明，該系統(tǒng)能夠準確測量運行列車的 軸溫狀態(tài)，給出了實驗結果并進行了分析。關鍵詞：軸溫集中監(jiān)測；列車安全；無線傳輸1/66摘要錯誤!未定義書簽。第1章 緒論錯誤!未定義書簽。機車軸溫裝置使用中出現的問題的改進.1第2章總體設計3第 3 章 軟 件 設 計 及 編程 15第 4 章高速列車軸溫集中監(jiān)測系19 第5章朔黃鐵路紅外線軸溫探測設備遭受瞬態(tài)過電壓損壞情況分析.31工作總結4011/66致謝.42參考文獻.43iii/66iv/66第1章緒論機車軸溫裝置使用中出現的問題的改進機車車輛在運行過程中車軸及軸承之間相互摩擦，容易使軸溫 升高，溫度達到一定程度

17、就會引起燃軸，輕則軸體變形、熱軸、固 死，造成機破，影響機車的正常運轉，重則造成熱切軸，車毀人 亡，嚴重影響鐵路運輸安全，對國家造成巨大的經濟損失。對于機 車軸承的溫度控制不但可以防止火災，而且對于延長儀器的工作壽 命都有著極其重要的作用。為此鐵道部于2000年頒發(fā)了關于機車 軸承溫度監(jiān)測報警裝置技術條件（暫行）的通知，對機車軸承溫度 監(jiān)測報警裝置的研制生產提出了明確的規(guī)定和嚴格的技術要求，以 便能及時、可靠、準確的對機車軸溫進行監(jiān)測報警，確保機車車輛 的安全運行。以前鐵路工人采用手摸的方式對車軸進行溫度檢 查。在每趟列車進站停穩(wěn)后，幾十名列檢工人鉆入車下用手觸摸軸 箱判斷溫度，工人要在510

18、分鐘內檢查完畢，勞動強度，安全保 障率低。后來使用紅外線探測軸溫裝置，當列車通過安裝在咽喉道 岔處的探測裝置時，紅外線探頭就會將車軸溫度情況顯示出來，值 班列檢人員根據顯示，就能準確判斷這趟列車是否有熱軸發(fā)生。紅 外線探測只須一個人坐在室內，僅用一分鐘就能把整趟列車的情況 探測清楚。減輕了列檢人員的勞動強度，提高了檢查的準確性、可 靠性和工作效率，更提高了經濟效益。車軸溫度隨火車運輸速度 不斷變化，長途列車的軸溫又是怎樣控制呢？所以又有了軸溫報警 裝置。當軸溫超限時，顯示器的報警裝置便發(fā)出聲響或紅色信號， 有關人員即可根據此采取防護措施。不管列車跑多遠，軸溫報警裝 置都能隨時發(fā)出信號，有效防止

19、熱軸、裂軸等重大事故發(fā)生，極大 地保證了行車安全那么如何設計一臺機車軸承溫度監(jiān)測報警裝置 呢？ ds18b20芯片可以把溫度信號直接轉換為數字量，而無須a/d 轉換器及數據調理電路，而且它采用單總線原理，易于電路擴展， 只需在相應單總線上繼續(xù)掛接器件即可。我們可以利用ds18b20的 這些優(yōu)點，把4個ds18b20連接到軸承的上下左右，組成一個數據 采集電路，對軸承的溫度進行監(jiān)測。系統(tǒng)選用at89c51作為微處理 器。為了能夠根據不同的情況設置不同的超溫報警值，系統(tǒng)需要有 一個鍵盤和一個顯示以及一個參數保存電路。系統(tǒng)還需要一個報警 電路，當溫度超過溫度報警本文主要工作（1）鍵盤顯示電路設計。（

20、2）鍵盤顯示軟件設計及編程。（3）看門狗電路及報警電路設計。（4）看門狗及報警軟件設計及編程。第2章總體設計本系統(tǒng)實時地對溫度信號進行采集，并送單片機處理，處理結 果送led顯示。該系統(tǒng)還可以將采集到的值及報警值比較，若超出 報警值，則發(fā)出聲光報警。本系統(tǒng)有如下特點：1.采用數字式 溫度傳感器，及單片機接口簡單，采集到的數據準確可靠。2.實現4路溫度檢測，由于采用單總線溫度傳感器，擴展容易， 只要將器件掛接在單總線上即可。3.有看門狗電路，系統(tǒng)可靠性 高。4. eeprom保存鍵盤輸入參數，系統(tǒng)掉電后保存的參數不會 丟失。該系統(tǒng)由數據采集電路，鍵盤顯示電路，報警電路，看門狗電 路及e2pr0m

21、組成。主控機采用at89c51單片機，完成對4個測溫 點溫度信號的采集、顯示、報警。系統(tǒng)結構框圖如圖2 1所示本系統(tǒng)采用數字式溫度傳感器ds18b20完成對4個測溫點溫度 的數據采集。ds18b20可以把溫度信號直接轉換為數字量，而無須 a/d轉換器及數據調理電路，既簡化電路，又提高電路的可靠性。 采用單總線原理，易于電路擴展，只需在相應單總線上繼續(xù)掛接潛 件即可，是現代集成式溫度傳感潛的首選器件。鍵盤顯示系統(tǒng)顯示系本系統(tǒng)采用hd7279完成數據輸入及數據顯示。hd7279是一 片具有串行接口的，可同時驅動8位共陰式數碼管的智能顯示驅動 芯片，該芯片同時能對多達8x8的鍵盤矩陣的按鍵情況進行監(jiān)

22、 視，具有自動消除鍵抖動并識別按鍵代碼的功能，從而可以提高cpu工作的效率。hd7279和微處理器之間采用串行接口，其接口電 路和外圍電路簡單，占用口線少，具有較高的性能價格比。報警電路本電路完成系統(tǒng)報警功能，即在溫度超出報警值時，發(fā)光二極 管燈亮，蜂鳴落響，顯示報警狀態(tài)?？撮T狗電路及e2r0m看門狗電路及e2r0m本電路采用xicor公司的x25045芯片。x25045是可編程看門狗監(jiān)控e2r0m,它把看門狗電路、電壓監(jiān)控和 e2r0m組合在一起，降低了系統(tǒng)成本并減少了對電路板空間的要 求。此芯片實時檢測單片機，使其正常工作。一旦單片機因干擾而 程序走失，可通過復位電路使單片機復位，保證系統(tǒng)

23、可靠運行。該 芯片還含有內部512字節(jié)的e2r0m,可存儲鍵盤輸入的溫度報警值 以及數字式溫度傳感器ds18b20的序列號，保證掉電時不丟失信 息，因而不必每次開機時重新寫入這些數據。x25045還具有允許 簡單的三線總線工作的串行外設接口和軟件協(xié)議硬件電路設計在硬件設計的過程中，為使硬件電路簡單.、可靠、合理，設 計的基本思路如下：（1）為簡化電路，我們盡可能采用功能強的芯片。例如本系統(tǒng)中采用的at89c51, ds18b20, x25045,hd7279a等芯片。因為功能強的芯片可以代替若干塊普通芯片，便 于電路設計，使其集成度更高，同時可增強整個電路的抗干擾性。 另外，隨著生產工藝的提高

24、，新型芯片的價格不斷下降，并不比若 干塊普通芯片價格的總和高。（2）在單片機的硬件設計中，很多場合下要考慮以軟代硬。因為硬件多了不但增加成本，而且使系 統(tǒng)出故障的機會也增加。單片機和數字電路本質的區(qū)別，就是它具 有軟件系統(tǒng)。很多硬件能完成的工作，軟件也可以完成。用軟件來 代替硬件，其實質是以時間代替空間，因為軟件執(zhí)行過程需要消耗 時間，所以，這種代替帶來的不足就是實時性下降。因此，當系統(tǒng) 對某些事物的反應有嚴格的時間限制時，往往增加硬件電路是唯一 選擇；但對一些實時性要求不是很高的場合，以軟件代替硬件是很 合算的。（3）監(jiān)測電路的設計。在系統(tǒng)運行過程中有可能出現故障，如何及時采取措施，防止事態(tài)

25、擴大，及時向操作者提出報 警，這就要求系統(tǒng)具有自診斷功能。為此，必須為系統(tǒng)設計有關的 監(jiān)測電路。如本監(jiān)測儀電路中設計的“看門狗”電路。 （4）一 件產品的形成必須考慮其工藝設計，它主要包括面板、配線、插接 件等，必須考慮到安裝、調試、維修的方便。另外，硬件抗干擾措 施也必須在硬件設計時一并考慮進去。 下面我將對所使用的3種 芯片作一詳細的介紹。7/66單片機本系統(tǒng)的單片機采用at89c51,它是一種低功耗、高性能的8位單 片機，它內含4k字節(jié)的flash程序存儲器，可在現場進行在線編 程，指令及mcs-51完全兼容。它含有4k字節(jié)的flash rom, 128 字節(jié)的ram, 32條i/o 口

26、線，兩個16位的定時/計數器，5個中斷 源，兩個優(yōu)先級，一個全雙工串行口，工作頻率0-24mhz。at89c單片機的特點at89c51單片機對于一般用戶來說，存在下列很明顯的優(yōu)點：（1）內部含有flash存儲器 由于內部含有flash存儲器，因 此在系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分容易地進行程序的修改。這就大大 縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。同時，在系統(tǒng)工作過程中，能有效地保存 一些數據信息，即使外界電源損壞也不影響信息的保存。（2）和at80c51插座兼容at89c51單片機的引腳和80c51是一樣的，所以，當用at89c51單片機取代80c51時，可以直接進行 代換。這時，不管采用40引腳還是44引腳的產

27、品，只要用相同引 腳的at89c51單片機取代80c51的單片機即可。（3）靜態(tài)時鐘方式at89c51單片機采用靜態(tài)時鐘方式，所以可以節(jié)省電能。這對于降低便攜式產品的功耗十分有用。（4）錯誤編程亦無廢品產生 一般的otp產品，一旦錯誤編程就成了廢品。7/66而at89c51單片機內部采用了 flash存儲器，所以，錯誤編程之后仍可以重新編程，直到正確為止，故不存在廢品。(5)可反復進行系統(tǒng)試驗 用at89c51單片機設計的系統(tǒng)，可以反復進 行系統(tǒng)試驗。每次試驗可以編入不同的程序，這樣可以保證用戶的 系統(tǒng)設計達到最優(yōu)。而且隨用戶的需要和發(fā)展，還可以進行修改，使系統(tǒng)能不斷追隨用戶的最新要求。(6)

28、性價比相對較高現在市場上較為流行的兒中品牌的單片機芯片中atmel公司的at89c51單片機芯片的功能能夠滿足一般用戶的要求，而價格較同類產品相比較低。產.1 npi v 產，口 3t rxf >一 tnf> rs i 】卜丁 丁士 nt h i' p» 三p»、 btr «¥i l>»，x r al-r xt at-r £41)1j12ml/.ijlh;1 nlnllzunnnnpnnnnnnnnnnnnnnn 433.j3 3 3 333 33zz 2 2 2 222 j j j > > &g

29、t; hl2 3 唾 5 67 cncrjcnrji尸 < <c ccccl>>>>33 s 4 3 2 0 i l i 1 i i 9 人八a: aa < < < t c c t 3 d h 一二；q rrpfpp v9/66at89c51百腳圖at89c51單片機結構簡介at89c51單片機的內部結構和80c51相近，主要含有如下一些 部件：8031 cpu振蕩電路總線控制部件中斷控制 部件片內flash存儲器片內ram并行i / 0接口 定時器 串行i/o接口由于at89c51片內帶有eprom,只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即構

30、成單片機最小系統(tǒng)。由于 集成度的限制，該最小應用系統(tǒng)具有如下特點：（1）有可供用戶使用的大量1/0 口線。因沒有外部存儲器擴展，這時/ea接高電 平，p0、pl、p2、p3都可作用戶i/o 口使用。 （2）內部存儲 器容量有限。（3）應用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性，應用系統(tǒng)程序量不大，外電路簡單，便于采用模擬開發(fā)手段。（4） at89c51片內有eprom,具有64k數據存儲單元，其內部資源豐富，芯片功 耗較低，其成本低、體積小，可達性好、擴展容易的優(yōu)點是我們選 擇它的主要原因。鍵盤顯示電路概述鍵盤實質上是一組按鍵開關的集合。通常按鍵所用開關為機械 彈性開關，均利用了機械觸點的斷合作用。鍵的閉合及否，

31、反映在 電壓上就是呈高電平或低點平。如果高電平表示斷開的話，那么低 電平則表示閉合。所以通過電平的高低狀態(tài)的檢測，便可確定健的閉合及否。按鍵按連接方式可分為獨立式按鍵和矩陣式按鍵。獨立式按鍵就是各按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根輸入線， 一根輸入線上的按鍵的工作狀態(tài)不會影響另一根。因此，通過檢測 輸入線上的電平狀態(tài)就可以很容易判斷哪個健按下。獨立式按鍵電 路配置靈活，軟件結構簡單。但每個鍵都需要一根輸入線相連，故 這種按鍵一般用在按鍵較少而速度較高的場合。矩陣式鍵盤運用于 按鍵較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行線和列線的交 叉點上。很明顯，在按鍵較多的場合，矩陣式鍵盤及獨立式鍵盤相 比，

32、要節(jié)省好多的i/o 口。 led顯示器是由發(fā)光二極管顯示 字段組成的顯示器，有共陰極和共陽極之分。共陰極led各發(fā)光二 極管陰極連在一起，當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二 極管點亮，相應的段被顯示。led顯示器包含兩種顯示方式：靜 態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。靜態(tài)顯示器的亮度較高，而動態(tài)顯示 方顯示亮度相對較低，且軟件實現要比靜態(tài)顯示復雜。我們采用 顯示及鍵盤操作控制芯片hd7279a及89c51單片機進行串行通訊并 通過相應的程控實現了這部分的功能。其相對于常用的intel8279 可編程鍵盤、顯示接口芯片來講，具有以下特點： 數據傳輸采用串行方式，可以少占用cpu的i/o 口線 可以

33、直接驅動led,減少硬件的開銷 具有段尋址指令，可方便獨立控制led 自身帶有定時電路，外加定時元件可完成對鍵盤和現實的掃描hd7279a的結構及特點hd7279a是一片具有串行接口的，可同時驅動8位共陰式數碼管 （或64只獨立led）的智能顯示驅動芯片，該芯片同時還可連接多 達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成led顯示、鍵盤接口的全部功 能。其內部含有譯碼器，可直接接受bcd碼或16進制碼，并同時 具有2種譯碼方式，此外，還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、 左移、右移、段尋址等。hd7279a還具有片選信號，可方便地實現 多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口。hd7279a可以應用于儀 器儀表

34、，工業(yè)控制，條形顯示器，控制面板。工作原理hd7279a采用串行方式及微處理器進行通訊，串行數據從data 引腳送入 芯片，并由clk同步。當片選信號變?yōu)榈碗娖胶?，data 引腳上的數據在clk引腳的上升沿被寫入hd7279a的緩沖寄存器?？煽啃栽O計微機測控系統(tǒng)的抗干擾和數據長期可靠保存是設計人員在設計中 面臨的兩個重要問題。根據專家統(tǒng)計，目前在微機測控系統(tǒng)中，電源 的接通和關斷、瞬時的電源電壓不穩(wěn)是造成系統(tǒng)死機、數據丟失和誤動作的主要原因，占90%以上。雖然很多設計人員采取了不少措 施，但是問題還是沒有根本解決。單片機系統(tǒng)以集成度高，功能強 大,具備完善的自檢測、自診斷等性能,從而在儀表產品

35、中占有日益 增加的比重。本部分針對廣泛采用的mcs-51系列單片機，運用 xicor公司的x25045芯片，構成功能較完善的控制單元。在單片機系統(tǒng)中通常需要外圍看門狗電路以防止程序走飛，大多數單 片機系統(tǒng)在上電和掉電過程中、正常運行以及在切換工作模式過程 中，都需要進行監(jiān)控，諸如上電和掉電復位、后備電池管理、存儲器 寫保護、低電壓早期告警以及看門狗等，同時，單片機系統(tǒng)通常需 要監(jiān)測電源電壓情況，以便在系統(tǒng)掉電時能及時復位,避免因電源干 擾波動時影響系統(tǒng)的正常工作。其中，上電和掉電復位是cpu最基 本也是必不可少的硬件功能。在單片機應用中需要預先設置一些參 數，比如時鐘初值、控制算法參數等需要用

36、戶設置，一旦設置完成后 這些參數往往需要掉電保存。看門狗（即watchdog）是針對機器語 言程序設置的抗干擾措施。這兩項基本功能體現在單片機系統(tǒng)的設 計中，可以提高智能儀表整機的可靠性能。傳統(tǒng)的阻容復位電路存在問題，而基于供電電源監(jiān)視技術研制的復位電路在欠壓狀態(tài) 下,可提供穩(wěn)定的復位脈沖輸出，對智能儀表的可靠性設計提供了強 大的技術支持。采用專用的看門狗監(jiān)控電路和非易失存儲潛eeprom電路來達到上述要求，但往往有成本較高、電路板空間較 大、接口復雜等不利因素。 xicor公司最新研制生產的 x25045芯片可以較好地和較簡單地解決這個難題，該芯片將微機測 控系統(tǒng)中常用的功能:看門狗定時器、

37、電源電壓監(jiān)控、上電復位、 串行e2pr0m集成在一塊8只引腳的集成芯片內。這種組合大大減 少了對電路板的空間要求，簡化了硬件設計,提高了系統(tǒng)的可靠性, 降低了成本和功耗。x25045及單片機的數據傳輸采用串行同步方 式，占用單片機軟件資源少，不需再外加電路即可及單片機協(xié)調工 作。因此我們在設計中采用此芯片。看門狗定時器對微控制器提供了獨立的保護系統(tǒng)。當系統(tǒng)故障時，在可選的超時周朗 (timeout interval)之后，x25045看門狗將以reset信號作出響 應。用戶可從三個預置的值中選擇此周期。一旦選定，即使在電源 周期變化之后，此周期也不改變。利用x25045低vcc檢測電路，可以保

38、護系統(tǒng)使之免受低電壓狀況的影響。當vcc降到最小 vcc轉換點以下時，系統(tǒng)復位。復位一直確保到vcc返回且穩(wěn)定為 止。 x25045的存貯器部分是cmos的4096位串行e2pr0m,它 在內部按512x8來組織。x25045的特點是具有允許簡單的三線總 線工作的串行外設接口(serial perpheral interface, spi)和軟件 協(xié)議。x25045利用了 xicor公司專有的diect writetm晶片，提 供最小為100.000周朋/字節(jié)的使用期限(endurance)和最小為100 年的數據保存期。第3章軟件設計及編程系統(tǒng)的軟件設計包括兩部分：一部分是主程序的設計，它是

39、由系 統(tǒng)初始化程序及調用各個功能模塊程序的語句組成；另一部分是子 程序的設計，包括溫度傳感器的讀寫子程序、超溫報警子程序、各 種設置子程序、鍵值以及顯示子程序等等。主程序的設計軟件主程序主要功能是對各種變量的定義，調用各個子程序并把 各個子程序組合起來，完成整個程序要實現的功能。其流程圖如 圖：、主程序設計流程圖子程序設計子程序包括由鍵盤輸入及顯示、e2pr0m存儲子程序及超限報警 子程序等子程序組成。顯示子程序此子程序所實現的功能是將鍵盤鍵入的溫度報警值順序顯示在相 應的led中。顯示使用的4個led中，第4個顯示溫度傳感器的編 號，第3個和第2個分別顯示溫度的十位和個位，第1個顯示小數 位

40、。顯示子程序鍵盤輸入子程序此子程序主要是進行鍵盤功能和溫度報警值的設定并將其存入指 定的存儲單元。鍵盤實現的功能包括：設定、運行、左移、右移、 加1、減1,此子程序可改變溫度報警值，并且可以控制程序的運 行過程。此子程序主要是進行鍵盤功能和溫度報警值的設定并將其存入指 定的存儲單元。鍵盤實現的功能包括：設定、運行、左移、右移、 加1、減1,此子程序可改變溫度報警值，并且可以控制程序的運 行過程。43/66第4章高速列車軸溫集中監(jiān)測系統(tǒng)高速列車軸溫集中監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計-基于無線傳輸的高速列車 軸溫集中監(jiān)測系統(tǒng)、列車在高速運行的過程中，機車及鋼軌的頻繁沖擊會造成車輛軸 承的發(fā)熱，當軸承磨損和產生缺

41、陷時，會造成機損從而影響車輛的 正常運行，甚至出現熱切軸，直接導致火車發(fā)生故障翻車，給國家 和社會在鐵路運輸造成巨大的經濟損失。目前我國大部分采用紅外 軸溫監(jiān)測系統(tǒng)，但這種設備易受外界環(huán)境影響、探測點受車身擺動 影響定位困難等原因，使得軸溫過高告警兌現率低、誤報率極高、 而且外界因素對其工作狀態(tài)容易產生很大的干擾，失真嚴重，極有 可能給發(fā)出錯誤的溫度提示，影響鐵路運輸的正常工作1-2。 針對這種情況，設計了系統(tǒng)簡潔、布局小巧、靈敏度高、收發(fā)信息 能力快速的高速列車軸溫集中監(jiān)測系統(tǒng)，可在第一時間發(fā)現運行中 的列車軸承是否溫度過高，如軸溫超過預設定值，就發(fā)出報警信 號，機車司機可及時的停車檢查，有

42、效地降低事故發(fā)生率，避免因 事故而產生的巨大經濟損失，維護鐵路運輸的正常運行。1系統(tǒng)總體設計高速列車有多節(jié)車廂組成，每節(jié)列車車廂有兩個車軸架，每個 車軸架上有兩個車軸，每個車軸兩端又有兩個軸箱。設計中在每個 軸箱上安裝一個軸溫傳感器，每個軸架上設一個監(jiān)測節(jié)點。絕大多 數列車軸溫報警裝置仍然沿用了傳統(tǒng)的單車分散報警的模式，又考 慮到列車存在經常調換機車車頭和車廂的問題，所以在傳輸方式上 系統(tǒng)選用了 2. 4g無線通信傳輸方式。為了防止數據阻塞，采用了輪詢問答方式進行通信，大大提高 了通信質量和可靠度。系統(tǒng)主要由多個監(jiān)測節(jié)點和一個部署在駕駛 艙內的監(jiān)測臺組成。系統(tǒng)結構示意如圖1所示。監(jiān)測節(jié)點通過溫

43、度傳感潛將模擬信號轉換成數字信號，實時地 將列車每個車軸的軸溫情況傳送到安裝在機車頭的監(jiān)測控制臺，進 行分析、顯示，供機車司機或者地面車輛檢修部門隨時監(jiān)測車輛運 行時軸溫的變化情況。在列車運輸過程中，當出現軸溫異常時，監(jiān) 測臺能發(fā)出報警信號給司機，提醒及時停車采取一定的措施排除故 障，降低了機車在運行過程中因軸溫過高發(fā)生事故的幾率，從而確 保列車運行的安全。2硬件結構系統(tǒng)的無線節(jié)點硬件主要由微控制器atmegal28l溫度傳感 器pt100、無線通信模塊nrf24l01、存儲器k9f5608和電源管理模 塊等組成。其中監(jiān)測臺還包括報警和顯示屏單元。硬件部件的控制器單元主要功能在于控制溫度傳感器

44、采集列車 的軸溫信息，并對信息進行處理和轉發(fā)，以及對接受到的數據進行 分析、顯示。數據采集單元主要是通過溫度傳感器對軸溫信息的采 集。無線通信單元用于發(fā)送采集到的軸溫數據，并及列車監(jiān)測臺進 行實時通信。節(jié)點硬件構成如圖2所示。圖2節(jié)點硬件構成2. 1 微控制器 atmegal28l考慮到控制器既要滿足系統(tǒng)的需求，又要保持低功耗和小體積 的特性，故選用了 8位微控制器atmegal28l,相對于其他通用的8 位微控制器來說，它具有非常豐富的資源，工作于16mhz時性能高 達16mips,具有片內128k字節(jié)的程序存儲潛，4k字節(jié)的數據存儲 器和4k字節(jié)的e2pr0m;具有兩個16位定時潛/計數器

45、；具有53個 通用i/o 口線、實時時鐘rtc、兩個usart、可工作于主機/從機 模式的spi串行接口、8路10位adc、兩路8位pwm、及 ieee1149. 1規(guī)范兼容的jtag測試接口用于片上調試，以及6種可 以通過軟件選擇的省電模式?？刂破鞯腶dc 口及pt100的輸出連 接，spi接口及無線通信模塊nrf24l01連接實現數據的收發(fā)，pw 口用來驅動監(jiān)測臺的報警單元，數據總線和地址總線及存儲器配合 使用。2.2無線通信模塊nrf24l01nrf24l01是工作在2. 4ghz2. 5ghz的ism頻段的單片射頻收 發(fā)器，內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能 模塊，支

46、持shock-burst和enhanced shock-burst兩種數據傳輸 方式，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nrf24l01 功耗低，在以-6dbm的功率發(fā)射時，工作電流也只有9ma,接收 時，工作電流只有12. 3ma,多種低功率工作模式（掉電模式和空 閑模式）使節(jié)能設計更方便，接口最高速率可以到達8mbps,工作 電壓1.93. 6v,采用spi接口進行數據的收發(fā)，無線數據的傳輸 速率最高達2mbps,并有h動應答和自動重發(fā)射功能。輸出功率、 頻道分配及協(xié)議的選擇可以通過spi接口進行設置3。2. 3溫度傳感器pt100常用的接觸式測溫傳感器有熱電偶、熱電阻、半導體石英

47、晶體 等,伯熱電阻在0時的電阻值稱r (0c)和100c時的電阻值 稱r (100c )以及r (100 ) /r (0c)叫做比值w100.監(jiān)測 節(jié)點溫度傳感器采用的是祐電pt100, pt100的含義為(0 )時的 名義電阻值為100q,在溫度作用下，鉗熱電阻絲的電阻值隨之變 化而變化，且電阻及溫度的關系即分度特性完全和iec標準等同， 因此pt100主要用來測量-200+600的溫度。鋁電阻的電阻值及 溫度成非線性關系，所以需要進行非線性校正4。校正分為模 擬電路校正和微處理器數字化校正，模擬校正有很多現成的電路， 其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數字化校正需要在微處理 系統(tǒng)中使用，

48、將鉗電阻的電阻值和溫度對應起來后存入eeprom 中，根據電路中實測值以查表方式計算相應溫度值。常用的pt電 阻采樣電路有兩種：一為橋式測溫電路；另一為恒流源式測溫電 路。系統(tǒng)中監(jiān)測節(jié)點采用的是是第一種橋式電流測溫電路，其具有 測量準確度高、測量范圍大、復現性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。2.4 存儲器 k9f5608存儲器k9f5608是三星公司生產的32mbytes容量的nand flash芯片，用來存儲臨時的軸溫數據，當通信中斷時可以把數據 存在k9f5608中，待通信恢復正常后再將這些數據發(fā)送至監(jiān)測臺。 它具有8位數據/地址復用接口以及cle、ale、wp、r/b、ce等控 制信號，硬件接口比較簡

49、單，但讀寫時序相對較復雜，需要依次送 入命令、地址、數據等。實際需要輸入24位的地址用來尋址，由 于該芯片及控制器atmegal28l的接口是8位地址數據復用線，所 以需要3個周期才能完成24位地址的輸入5。存儲器k9f5608 外圍電路如圖3所示。r2 iqk r-czj|vto3.3_6 tt36wlo7r blo6clfc1心ale104welo3前102celoisfciocvssvccvzyccui19f16 1718 "7444342i aim41ti一"32a1h30j29"、zvm 1j-，i aix j12""x rvjl-r

50、vi-374 |m)d3 3q 一 一 j '1 一 iclz±x2圖3 k9f5608外圍電路控制器atmegal28l的pa 口完成對flash數據、地址及命令的 傳輸；用控制潛的pg 口來完成對flash傳輸狀態(tài)的選擇，如 cle、ale、r/b、ce等；用控制器的we和rd信號來選擇flash是 讀還是寫：3軟件設計系統(tǒng)軟件包括監(jiān)測節(jié)點軟件和監(jiān)測臺軟件兩部分。為了確保正 常通信，采用問答方式，即控制臺依次及每個監(jiān)測節(jié)點建立通信， 收到節(jié)點發(fā)來的數據后，再收取下一個節(jié)點的溫度數據信息，這樣 就避免了阻塞的情況，確保數據的可靠性6。3. 1監(jiān)測節(jié)點軟件監(jiān)測節(jié)點上電后，首先

51、進行系統(tǒng)初始化，包括控制器各端口、 寄存器和通信模塊nrf2401的配置等，之后進入接收控制臺指令狀 態(tài)。當接收到指令時，立即讀取傳感器pt100的輸出值，經過查表 處理得出當前軸溫信息，及節(jié)點id打包正數據幀后發(fā)送到監(jiān)測 臺，并繼續(xù)進入到接收指令狀態(tài)。監(jiān)測節(jié)點軟件流程如圖4所示。3. 2數據格式系統(tǒng)了制定了簡單的數據幀格式，如表1所示。圖4監(jiān)測節(jié)點軟件流程幀結構幀頭節(jié)點1d溫度值幀尾內容startxxxxxx. xxend占用空間5個字節(jié)3個字節(jié)6 4電需nscom曲/或或&表1監(jiān)測節(jié)點數據幀結構每個幀的幀頭都以'start ''開始，占用5個字節(jié)；然后是占用

52、3個節(jié)點的id,可以認為是節(jié)點在網絡中的地址；再接下來就是占用6個字節(jié)的溫度值。當監(jiān)測臺發(fā)送指令時，每個監(jiān)測節(jié)點 都收到數據，但只有指令中id及節(jié)點id匹配時才會將該數據返回 給監(jiān)測臺，如果不匹配則不做任何處理。3.3 監(jiān)測臺指令幀結構監(jiān)測臺及各監(jiān)測節(jié)點通信的時候主要是通過發(fā)送指令完成的， 指令幀結構如表2所示。幀結構幀頭節(jié)點id讀指令頃尾內容startxxx1/0end占用空間5個字節(jié)3個字節(jié)1 a碗 n©com 0、*了怎友表2監(jiān)測臺數據幀結構每個指令幀也是以“start”開始，占用5個字節(jié)；然后是需 要提供溫度數據的節(jié)點id,占用3個字節(jié)；再接下來是指令的有 無效，占用1個字節(jié)

53、；最后是以“end”的幀尾結束符，占用3個 字節(jié)。3.4 數據發(fā)送和接收發(fā)送數據。首先將nrf24l01配置為工作在ptx模式，接著把 地址tx_addr和數據tx_pld按照時序由spi 口寫入nrf24l01緩存 區(qū)，置ce為高電平并保持至少10 us,拉低ce后發(fā)射數據，并立 即進入接收模式等待應答信號。如果收到應答，則認為此次通信成 功，tx_ds置高，同時tx_pld從發(fā)送堆棧中清除；若未收到應 答，則自動重新發(fā)射該數據，若重發(fā)次數arc_cnt達到上限， max_rt置高，tx_pld不會被清除；max_rt或tx_ds置高時，使 irq變低，通知處理器做相應處理。發(fā)射成功后，進入

54、空閑模式。接收數據。首先將nrf24l01配置為prx接收模式，接著延遲 130 u s進入接收狀態(tài)等待數據的到來。當接收方檢測到有效的地 址和crc時，就將數據包存儲在接收堆棧中，同時中斷標志位 rx_dr置高，irq變低，通知處理港讀取數據，接收完數據后進入 發(fā)射狀態(tài)并回傳應答信號，接收成功，ce變低進入空閑模式5。4試驗結果及分析試驗采用雙層集裝箱車，分別對空載和載重的兩種不同情況車 廂進行了測試?？蛰d車廂自重為25t,載重車廂重為78t.兩種情況的測量結果如圖5所示。圖5測試結果由于列車運行情況相對復雜，軸溫及速度、運行時間、制動、 載重和環(huán)境溫度等情況都有密切關系。從對圖5的分析看，

55、具體關 系是：速度越快，軸溫越高；列車啟動階段，即030km之間，隨 著運行時間的增加軸溫越高，當達到一定程度時，運行時間不再軸 溫；在行駛到4350km處，列車制動使車軸急劇升高，溫度達到 71.45；在運行穩(wěn)定狀態(tài)下，載重78t的車廂明顯比載重25t的車廂，溫度高6c左右；另外，環(huán)境越高，軸溫越高。不難看出， 載重越大，軸承運轉溫度越高，并且上升速度越快第5章朔黃鐵路紅外線軸溫探測設備遭受瞬態(tài)過電壓損壞情 況分析朔黃鐵路紅外線軸溫探測系統(tǒng)簡介朔黃鐵路正線總長 591.8km,西起山西省神池縣神池南站，及神朔鐵路相連，東至黃 驊港港口站，橫跨山西、河北兩省的5個地區(qū)（市）、22個縣 （市），

56、及大秦、北同蒲、京廣、京九等重大干線接軌，及神朔鐵 路連接而形成了全長860km的鐵路西煤東運第二大通道，在全國鐵 路路網中占有十分重要的地位。朔黃鐵路紅外線軸溫探測系統(tǒng)采用 航天部502所康拓紅外hbds- ii型紅外線探測設備，2002年開始建 設，2003年1月1日開始試運用，2003年5月9 口開始正式運 用。朔黃鐵路紅外線軸溫探測系統(tǒng)包括19個雙向紅外線軸溫探測 站（龍宮、北大牛、原平南、回鳳、東冶、滴流蹬、小覺、古月、 西柏坡、靈壽、新曲、定州東、安國、藐縣、行別營、杜生、滄州 西、李天木、黃驊南）、4個單向紅外線軸溫探測站（神池南下 行、肅寧北上行、肅寧北下行、黃驊港上行）、1個紅外線監(jiān)測中心、3個紅外線列檢復示（神池南、肅寧北、黃驊港）、3個列調 終端。紅外線軸溫探測系統(tǒng)瞬態(tài)過電壓防護措施瞬態(tài)過電壓防護的理論和方法：現代瞬態(tài)過電壓防護理論 德國防雷專家希曼斯基在過電壓保護理論及實踐一書中，給出 了現代計算機網絡的防雷框架圖：外部防雷：將絕大部分雷電流直接引入地下泄散； 內部防雷：快速泄放沿著電源或 信號線路侵入的雷電波或各種危險過電壓；這兩道防線，互相配 合，各盡其職