基于超聲波傳感器的車鉤高度測(cè)量系統(tǒng)

1. 引言

貨車、客車車輛在補(bǔ)修、段修和廠修時(shí)必須檢測(cè)車鉤到軌道的垂直距離,為了便于連掛和行車安全必須規(guī)定車鉤高度(車鉤中心線到鐵軌上表面的垂直距離)在一定的范圍內(nèi)[1> (客車:880mm,允許+10mm,-5mm 的誤差；貨車:880mm,±10mm 的誤差)。車輛在進(jìn)行段修時(shí),由于要對(duì)轉(zhuǎn)向架、車鉤若測(cè)量不準(zhǔn),將嚴(yán)重影響列車的行車安全。而目前我國(guó)鐵路各車輛段均采用比較原始的手工測(cè)量方法,誤差大,效率低,費(fèi)時(shí)又費(fèi)力,無(wú)法滿足鐵路列車高速重載的發(fā)展要求 [2>。針對(duì)以上問(wèn)題,本文闡述了車鉤高度超聲波測(cè)量系統(tǒng)的功能原理及軟硬件設(shè)計(jì)。

2. 工作原理

測(cè)量系統(tǒng)采用超聲波傳感器,自車鉤中心線向下豎直發(fā)射超聲波,并由放置在鐵軌面的的薄板反射回來(lái),傳感器接收到回波,由于光波在空氣中的傳播速度一定,通過(guò)計(jì)時(shí)器所計(jì)得的時(shí)間即可算出車鉤的高度。圖1 為測(cè)距原理的示意圖。

圖1 測(cè)距原理示意圖

整個(gè)系統(tǒng)由測(cè)量距離的單片機(jī)控制和用于系統(tǒng)安裝定位的機(jī)械部分組成。除了主要的高度測(cè)試功能,系統(tǒng)采用智能化、人性化設(shè)計(jì),還具有以下幾個(gè)特色:

(1)設(shè)有小鍵盤(pán)和液晶屏。用于控制測(cè)試及其他功能,液晶屏顯示測(cè)量結(jié)果,方便查看。

(2)單片機(jī)控制系統(tǒng)擴(kuò)展一個(gè)存儲(chǔ)器,可存儲(chǔ)不少于1000 個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)。各個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)都標(biāo)有序號(hào)和相關(guān)的信息,方便用戶查詢。

(3)帶有電源電量信息采集電路,并將電量信息顯示在液晶顯示器中,幫助用戶了解電量使用情況,并提醒用戶及時(shí)更換電池。

(4)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了某些特殊情況出錯(cuò)時(shí)的應(yīng)急處理程序,最大限度地保證測(cè)試的可靠和數(shù)據(jù)的安全。

(5)采用I2C 總線,可方便與微機(jī)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

3. 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)包括:單片機(jī)控制系統(tǒng)、超聲波傳感器、鍵盤(pán)和顯示電路以及直流電源部分。其組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單片機(jī)為ATmega16L-8pu 型AVR 單片機(jī)；傳感器選用美國(guó)邦納Q45ULIU64ACR 型超聲波傳感器；顯示器選用天正達(dá)TS12864 圖形液晶屏,電源采用9V的電池。

Q45ULIU64ACR 型超聲波傳感器將測(cè)量的距離值轉(zhuǎn)換為模擬量(電壓或電流)輸出?？蓹z測(cè)范圍為100mm～3.0m,分辨率為距離的0.1%(最小0.25mm),線性度為滿量程的1%,并帶有溫度補(bǔ)償。由于車鉤的標(biāo)稱高度大多在880mm 左右,允許檢測(cè)誤差為±0.2%,因此該傳感器能夠滿足系統(tǒng)要求。Q45U傳感器接線方式如圖3 所示,圖中棕線、藍(lán)線和黑線分別為傳感器電源正極、負(fù)極和電壓輸出。其中模擬量0～10V線性對(duì)應(yīng)于一定范圍的距離值,其輸出經(jīng)分壓電路(將0～10V降為0～5V以適應(yīng)單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入要求)接入單片機(jī)的A/D 轉(zhuǎn)換器。由A/D 轉(zhuǎn)換器采樣測(cè)得電壓值,經(jīng)程序處理得出高度值。

圖3 傳感器接線圖

鍵盤(pán)設(shè)有系統(tǒng)啟動(dòng)鍵、測(cè)試鍵、保存健、查詢、翻頁(yè)鍵、刪除鍵等功能鍵以方便用戶的使用。圖形液晶可顯示中文、英文、數(shù)字等字符,用于顯示歡迎界面、操作提示、測(cè)試結(jié)果以及電源電量等信息。電源電量提示功能可由A/D 對(duì)電源電壓采樣進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)需要向微機(jī)導(dǎo)出數(shù)據(jù)時(shí),可通過(guò)I2C 總線進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)通信。

4. 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)測(cè)距、保存數(shù)據(jù)和查詢歷史數(shù)據(jù)的功能。這些功能相應(yīng)地在軟件上進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主程序的流程見(jiàn)圖4。

圖4 主程序流程圖

按下開(kāi)關(guān)鍵啟動(dòng)系統(tǒng)后,系統(tǒng)將進(jìn)行各部件的初始化,等待鍵盤(pán)的輸入。若按下測(cè)距鍵,系統(tǒng)將控制超聲波傳感器發(fā)射超聲波,接收回波,處理數(shù)據(jù),得出測(cè)量值并通過(guò)顯示器顯示出來(lái),供用戶保存或其它處理；若按下保存鍵,系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存供用戶以后查詢；若按下查詢鍵,即可對(duì)歷史測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢?cè)L問(wèn),鍵盤(pán)上還設(shè)有向上和向下翻頁(yè)的按鍵,方便用戶查詢。

根據(jù)上述內(nèi)容,可設(shè)計(jì)如圖5所示的測(cè)距子程序。

圖5 測(cè)距子程序流程圖

5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表1為常溫下在880±15mm 測(cè)量范圍的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)大量測(cè)試實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在測(cè)量范圍(本系統(tǒng)為100mm～1.4m)內(nèi)系統(tǒng)測(cè)量誤差小于±3mm,并且測(cè)量穩(wěn)定,重復(fù)精度高,受環(huán)境影響小。由此可見(jiàn)只須正確操作,排除人為使用不當(dāng)造成的誤差,系統(tǒng)的測(cè)試效果非常理想。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

6. 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)代超聲波測(cè)距傳感器,采用單片機(jī)控制技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣,濾波,并做數(shù)據(jù)處理,利用液晶屏顯示,完成車鉤與軌道的垂直距離的智能檢測(cè)。本裝置將具有體積小,精度高,功耗低,自動(dòng)化程度高的特點(diǎn),可作為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員理想的便攜式工具。