基于PC机的车速度测量系统.docx

基于PC机的测控系统课程设计 题 目：基于研华1712数据采集卡的车速测量系统设计 专 业 测控技术与仪器 班 级 13测控1班 学 号 姓 名 同 组 者 教 师 何涛 王正家 2016 年 9月10日目录一设计内容与要求3二车速度测量技术需求与分析3三车速度测量系统的总体方案设计4四.车速度测量系统硬件系统设计6五车速度测量系统软件系统设计13六车速度测量系统的标定及测量数据分析27八车速度测量系统的心得体会27九参考文献28 基于PC机的车速度测量系统一设计内容与要求1.设计内容 随着电子技术的发展，汽车电子化程度不断提高，通常的机械系统已经难以解决某些与汽车功能要求有关的问题，而被电子控制系统代替。传感器的作用就是根据规定的被测量的大小，定量提供有用的电输出信号的部件，亦即传感器把光、时间、电、温度、压力及气体等的物理、化学量转换成信号的变换器。传感器作为汽车电控系统的关键部件，它直接影响汽车的技术性能的发挥。本设计基于总线(PCI或USB总线)的数据传输，设计一个测量车速的系统，利用LabVIEW在计算机上编写程序进行数据采集，控制数据采集卡读取传感器中的模拟信号，通过简单的信号处理， 系统标定，我们可以得到t，利用v=s/t得到我们所需的速度。 本设计的主要内容有两大部分组成，a(数据的采集)，b(LabVIEW数据的处理)。 移动物体Labview处理信号 光电传感器得到速度 图1 系统方框图2.具体要求 1:A/D转换与数据采集系统设计； 2:基于总线(PCI或USB总线)的数据传输； 3:基于VC或LabVIEW等软件的数据采集程序设计； 4:传感器及测控系统的标定； 5:传感器的静动态特性分析； 6:测控系统数据分析，误差分析 测控系统技术参数说明；二车速测量系统的技术要求测试对象：小车测量参数：小车的速度测量范围：02.9m/s精度：0.01s三车速度测量技术需求与分析 现如今社会，汽车随处可见，汽车的出现给我们带来了很多的便利，为我们节省了很多的时间，时间的节省来源于速度。我们生活中不同的场合对速度有不同的要求，我们需要在保证安全的前提下，尽可能的提高速度，由此看来，速度的检测则显得尤为重要。 任何运动的物体都有它的速度，工作性质不同的人对速度的要求也不一样，像最近的奥运会，裁判对于游泳，跑步的项目则需要对运动员的运动速度进行监测，机长需要对飞机的速度进行控制，而今天我们主要讨论一下汽车速度的需求者。 汽车速度需求者： a.司机 b.交警 c.汽车制造商为了更好的满足不同需求者的需求，我们设计不同的方案。对于司机来说；他们需要实时看到自己的驾驶速度，以防止自己超速，所以我们可以利用光码盘来计算实时速度。对于交警来说；他们需要知道这辆车的速度，而他们是在车身外面，所以他们利用光电管是更方便的。对于汽车制造商来说；他们需要知道的是这辆车的速度，来更好地设计这辆车，所以光码盘测速和光电管测速对于他们来说都是可以的。四车速度测量系统的总体方案设计 对于这次的课程设计我们总共设计了3 套方案。 刚开始我们拿到的题目是设计一个基于PC机的车速度测量系统，传感器采用压力传感器，并且用labview编程，pci来采集数据。由此我们制定了方案一。方案一：传感器：压力传感器（应变片2片）编程环境：lebview数据采集：pci将应变片放置于橡皮片上，将橡皮片放在地下，小车在压过第一片应变片时，应变片会发生形变，则它的电阻会发生变化，则电压会发生相应的变化，我们记录下这一时刻时间，随后小车通过第二片应变片，同样，压过应变片的那一时刻的电压会发生变化，记录下来，两个时刻相减，我们利用轨道的长除时间，即可得到这个速度v=s/t。图2 方案1示意图方案二；传感器：光电传感器（两个）编程环境：lebview数据采集：pci这个方案利用两个光电传感器，因为光电传感器是一个开关量，我们买的传感器是有物体遮挡时是低电平，没有物体遮挡时是高电平，所以当小车经过第一个传感器的时候，会产生一个低电平，记录下来跳变沿那一瞬间的时间，同样，记录经过第二个传感器由高电平跳变到低电平那一时刻的时间，两个时间相减，得到t，我们利用轨道的长除时间，即可得到这个速度v=s/t。 图3 方案二示意图方案三：传感器：光电传感器（1个）编程环境：lebview数据采集：pci 这个方案我们利用一个传感器，在小车的头刚开始遮挡传感器时，这时电压由高电平向低电平跳变，我们记录这一时刻，在小车经过传感器的这一段时间电压都是低电平，直到小车的整个车身都出去，这时由电平向高电平跳变，我们记录下这一时刻，两个时刻的差就是我们所求的t，我们利用车身的长除时间，即可得到这个速度v=s/t。 图4 方案三示意图 我们最终确定选取第三套方案，第一套方案理论上是可以实现的，但是像老师说的一样，在现实生活中不可能有把应变片埋到地下来测量速度，没有实际意义。对于第二套方案，实际操作有一定的困难，由于光电传感器比编码器价格便宜很多，从成本的角度考虑，我们小组决定用漫反射型光电传感器测被拖动木块的速度来模拟测车速的过程。所有综合考虑，我们用第三套方案。 五.车速度测量系统硬件系统设计1.漫反射式光电传感器型号：E3F-DS30C4 特点：检测方式：漫反射型；检测距离：30cm；工作电压：636V； 输入方式：NPN；输出状态：常开；输出电流300mA。传感器选用了漫反射式光电传感器，它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。从示波器上我们可以看到高低电平的开关信号，我们就是利用这个高低电平来计算这个所需的时间。图5 传感器实物图图6 实际接线图图7 传感器原理图图8 传感器理论信号图 2.数据采集卡型号：PCI1712特点：16路单端或8路差分模拟量输入，或组合方式输入；12位A/D转换器，采样频率可达100KHZ；每个通道的增益可编程；单端或差分输入自由组合；卡上4K采样FIFO缓冲器；2路12位模拟量输出；16路数字量输入及输出；可编程触发器/定时器；板卡ID；PCI总线数据传输。我们查了一些资料了解到它的用法，PCI-1712/1712L是一款功能强大的高速多功能PCI总线数据采集卡。它有1M转换速度的12位A/D转换器，卡上带有FIFO缓冲器（可存储1KA/D采样值和32KD/A转换数据）。PCI-1712提供16路单端或8路差分的模拟量输入（也可单端差分混合使用），2路12位D/A模拟量输出通道，16路数字量输出通道，以及3个10MHz时钟的16位多功能计数器通道。PCI-1712/1712L支持PCI总线DMA功能用于高速数据传输和无间隔的模拟量输入和模拟量输出。通过设置PCi的内存，PCI-1712/1712L可执行总线数据传输，而不需要CPU的干预，可使CPU去执行其它更重要的工作，比如：数据分析和图形操作。这种功能允许用户全速使用所有I/O功能且不丢失数据.3. ADAM-3968它是连接pci和硬件的接线端子，使他们之间建立一个联系。图9 ADAM-3968我们在使用pci时，我们首先要对它进行连线，然后测试，给他输入一个电压值，在test模块看它的输出电压和输入电压是否相同，如果相同，则它的性能正常.3.小车 因为我们只需要测量小车的经过传感器的那一段时间，所以我们用了一个小盒子当我们的小车。我们用手推动盒子，对传感器进行遮挡，这时就可以算出速度。图10 小车图7.完整测小车车速硬件搭建 图 13 车速测量系统硬件搭建图 图 14 车速测量系统实物搭建图六车速度测量系统软件系统设计我们的编程环境是labview，我们首先装了研华的驱动，不然我们没有办法打开他的控件，我们原来的labview是没有他的控件的，也是第一次见这个，感看到的时候有点懵，用了labview这么久都没有见过它。这也反映出我们的知识面短浅，要加深学习。图15 研华驱动图片编程是一个反复更改的过程，首先明确我们的目标，我们最重要的部分是计算时间，刚开始，我们想利用labview模块里的系统时间来进行时间的测量，在小车由高电平向低电平跳变时我们记录一个时间，然后由低电平向高电平跳变时我们记录第二个系统时间，这两个时间做差，得出t,然而想法是美好的，我们实际操作了后，发现他记录的时间是错误的，可能是我们学艺不精，还没有弄懂它的精髓，我们和同学讨论了一下，有了一个新思路，利用每一毫秒一次检测它的电压是否发生了跳变，如果没有发生跳变，记录数值，检测一次值就增加，直至电压值跳变，这样数值就是经过这一段时间的毫秒值，除以，就可以得到我们所需要的时间，我们利用车身的长除时间，即可得到这个速度v=s/t。图16 探讨的我们开始流程图“开始采集”按钮是否按下？定义并初始化标志位，num，用时，车速YPci1712采集电压v标志位=0；num=0；“确定按钮”为F“确定”按钮按下？YN延时10ms“停止”是否按下？电压值4.7v?&标志位=1？NY标志位=2YY标志位=2？Nt=num/100Y确定按钮=TY车速=13.1/用时15图18 程序前面板图19 程序框图1图20 程序框图2 数据采集设备选择的是PCI1712，程序中数据采集的使用函数如下：1SELECT DEVICE POP: 添加选择设备函数；2DRIVER: 添加打开设备函数；3SELECT Channel POPUP: 添加选择通道；4SELECT Gain POPUP: 添加选择增益；5PC-LAB CPA: 添加模拟量配置函数；6PC-LAB VGET: 添加模拟量电压输入函数；16七车速度测量系统的标定及测量数据分析1.传感器的静动态特性分析 1.静态特性分析： a.查阅传感器的说明书，我们可以知道，它的感应范围为15cm30cm,我们接上电压后，用手挡住测试它的感光区，实际上为24cm。 b.用电源给光电传感器供电，输入电压从0V给起，每次电压增加1V，察光电传感器信号灯，看什么时候光电传感器接收到反射信号，即测得检测时输入电压下限。继续增加输入电压，看什么时候光电传感器接收不到反射信号，即测得检测时输入电压上限。 测试结果:光电传感器检测时输入电压范围为5V输入电压36V。 2.动态特性分析： 测量光电传感器能检测到小车车速范围。 测试方案： 将木块放在皮带上，光电传感器置于皮带的一侧，依次增加皮带轮的转 速，即增加木块运动的速度，当木块运动到挡住光电传感器光信号时，观察 光电传感器信号灯，看什么时候光电传感器接收不到 反射信号，即测得光电 传感器能检测到小车车速上限。测试数据如下。表 3：测试结果：皮带轮转速（rad/min）皮带速度(m/s)光电传感器能否检测到木块通过8001.67能9001.88能10002.09能11002.30能12002.51能14002.93能15003.14不能 由上表可知：光电传感器能检测到小车车速范围为0v3.14m/s。 3.传感器的标定 1 标定所需器材如下： 直流可变电源 型号：GPS-4303C 漫反射型光电传感器 型号：E3F-DS30C4 数字存储示波器 型号：GDS2104 导线若干 2 传感器标定步骤如下： a. 将器材正确接线，硬件接线框图如下： 图21 传感器标定硬件接线图 b.打开直流可变电源并将电压值调至6V，电流值调到0.3V左右， 然后打开示波器。 c.用手挡住和不挡住光传感器光信号，看波形图的电输出。 d.测试完后，关闭电源和示波器，并将导线放置正确的位置。 3 标定测试结果 图 22 挡住光电传感器光信号，输出为低电平0V 图23 不挡住光电传感器光信号，输出为高电平6V2.pci1712静动态标定 1.pci1712的静态标定 1实验器材： a.信号发生器 型号：一台 b.数字存储示波器 型号：GDS2104一台 c.接线端子板 型号：ADAM-3968一块 d.数据采集卡 型号：PCI1712一台 e.PC机 一台 f.导线 若干 2.操作步骤 按如下示意图接线,电源依次给数据采集卡0V、1V、2V.10V，记录 PCI1712数据采集卡相应采集到的电压。 图 24 pci静态标定硬件接线框图 3.实验数据我们有记录了一组数据如下。表4：标定数据直流可变电源给的输入电压x（V）数据采集卡采集到的电压y（V）11.0622.0833.0244.0455.0466.0177.0588.0499.031010.02 图25 研华标定界面图 4.数据分析 表5：拟合表 由上图可知：数据采集卡采集到的电压y与直流可变电源给的输入电压x的关系为：y=0.9963x+0.0593,即两者几乎为1：1的关系。2.pci1712动态标定1实验器材： a.信号发生器 型号：一台 b.数字存储示波器 型号：GDS2104一台 c.接线端子板 型号：ADAM-3968一块 d.数据采集卡 型号：PCI1712一台 e.PC机 一台 f.导线 若干2标定步骤 a.在PC机上使用LABVIEW软件编程数据采集程序，程序框图和前面板如下： 图26 数据采集程序前面板 图27 数据采集程序后面板 b.将信号发生器与示波器正确接线，硬件接线框图如下： 图28 数据采集硬件接线图 c.打开信号发生器和示波器的的电源，并将信号发生器的输出波形调至正弦波形，频率为1000HZ，幅值为5V；示波器上的输出波形如下图： 图29 示波器上显示的输出波形 d.将信号发生器与PCI连接正确接线，硬件接线框图如下： 图30 PCI1712动态标定硬件接线框图 e.在PC机上运行程序，观察采集波形变化； f.停止采集，并关闭信号发生器的电源，拆下导线放置指定的正确位置。3标定测试数据 波形与示波器上的波形相同，幅值均为5V。如下图所示。 图31 标定测试结果图 3.系统的标定1器材选用a.直流可变电源 型号：GPS-4303Cb.漫反射型光电传感器 型号：E3F-DS30C4c.数据采集卡 型号：PCI1712 2标定步骤a.挡住光电传感器的光信号，看PCI1712数据采集卡相应采集的电压。 b.不挡住光电传感器光信号，看PCI1712数据采集卡相应采集到的电压。3标定数据 a.挡住光电传感器的光信号，PCI1712数据采集卡采集到的电压为 0.02V。 b.不挡住光电传感器的光信号，PCI1712数据采集卡采集到的电压为 6.07V。4.结论 理论上，挡住光电传感器的光信号，PCI1712数据采集卡采集到的电压应为0V。实物输出电压与理论值有0.002V的差别。不挡住光电传感器的光信号，PCI1712数据采集卡采集到的电压应为6V。5.数据分析1.测量数据分析：逐次增加拖动木块的速度重复测量，直到测量系统测不出木块通过的速度。记录下每次测试系统测得的用时，每次测量时，同时记录示波器记下木块挡住光电传感器光信号的时间，以此来与测试系统测得的用时比较做误差分析。 表5：数据记录表测试系统测得的用时（s）示波器计时（s）时间差（s）测得小车车速（m/s）11.2311.200.030.026.686.650.030.033.123.110.010.061.491.470.020.130.360.340.020.560.070.060.012.862. 相关波形显示图 32 测量一辆小车车速电压波形图图 33 测量2辆小车车速电压波形图3.系统的性能指标和误差分析计算上表5组数据时间差的平均值为0.057s。即测试系统测得的用时比示波器计时平均长0.057s，即测得车速比实际车速略小，即设计的测试系统存在误差。同时，由测量数据可得，本系统能测得的小车最大车速为93.57cm/s，是小于技术要求的110cm/s的，即未能达到技术要求。误差分析如下；a、传感器本身存在误差，本设计所用的E3F-DS30C4漫反射型光电传感器响应时间为1ms。如果实验经费更充足，可以买精度更高的光电传感器，如型号为Z3N-TB22的光电传感器，这样会减少实验误差。b、设计的程序本身有不足之处。因为本系统程序是每10ms检测采集到的电压，当出现下降沿时开始计数，若一直检测到低电平，则累加计数，直到出现上升沿时，停止计数。则测试系统测得的用时(s)=10msnum1000。此设计存在的问题是在出现下降沿时刻，系统很可能处于10ms延时中，不能立即做出反应，同时，在出现上升沿时刻，系统很可能处于10ms延时中，不能立即做出反应。导致时间测量出现误差，即车速测量出现误差。 八.车速度测量系统技术展望在工业发展过程中，经常会遇到各种需要测量的速度的场合，例如在汽车、机床、传送机等设备运转和控制中，需要分时或连续的测量和显示其速度及瞬时速度情况。随着社会机械工业发展的趋势，对速度检测要求的精度越来越高，很多方面，速度的精确检测，关系到一系列系统的工业设计，所以这就需要设计一套速度检测系统.近年来，汽车保有量迅速增加，车辆安全性已成为人们最关心的问题。为了保障人民生命财产安全，政府部门制定了相关的道路交通安全法规，为了满足安全法规和消费者对车辆安全性的要求，厂商采取了多方面措施来改善车辆的安全性能，其中电子技术起了很大的作用。随着现代电子技术的发展，车辆电子化的程度越来越高，车辆传感器成为汽车电子控制系统的重要组成部件，也是车辆电子技术领域研究的核心技术之一。车辆内传感器的工作环境十分恶劣，因此对传感器的要求也十分严格。这些传感器必须要经受40150的温度变化，而且要求精度高、可靠性好、反应快、抗干扰和抗振动能力强，才能准确地实时检测车辆运行的有关状态，速度传感器是列车安全行驶的重要设备，它能否稳定工作，将直接影响到车辆的正常运行。对于本设计所测量车速来说，我们这个追求精确的社会，任何运动的物质的速度我们都需要做到精确的测量，以便更好的来控制整个系统。在未来，随着科技的提高，我们的技术会越来越过硬，我们测得的速度会越来越精确，我们会有更好的技术来抵抗它的恶劣环境等造成的影响。以便测得更加准确地速度。对于传感器来说，本设计用的是漫反射式光电传感器，它受环境的影响较大，随着科技的发展，传感器的精度会更高，我们利用采集系统获得数据会更加准确。从而提高我们所得速度。在编程方面，我们编的这个程序是存在一些缺陷的，我们利用labview的延时功能他实际上有一定的时间偏差，导致我们记时不是很准确，这是一个缺陷，值的我们去探索更好的方法去记时。九车速度测量系统的心得体会 回顾这一周来，我们从刚拿到题目的两眼抹黑到现在的成功的做出题目，中间经历了迷茫，探索，询问，讨论，豁然开朗的过程。这不仅是一个提升自己专业知识的机会，还是一个锻炼自己意志力的机会。 我们刚拿到的题目是利用压力传感器来测量车的速度，由于我和一个同学是拿到了同一个题目，我们就讨论着一起完成这个课程设计，因为我们学过传感器这门课，我们对于压力传感器有一定的了解，知道它的原理，所以我们制定了方案，将应变片放置于橡皮片上，将橡皮片放在地下，小车在压过第一片应变片时，应变片会发生形变，则它的电阻会发生变化，则电压会发生相应的变化，我们记录下这一时刻时间，随后小车通过第二片应变片，同样，压过应变片的那一时刻的电压会发生变化，记录下来，两个时刻相减，我们利用轨道的长除时间，即可得到这个速度v=s/t。但是就像老师说的，他没有实际意义，所以此方案被pass，随后我们决定利用光电传感器来进行速度的测量，此方案一般被应用与高速公路上车速的测量，有实际应用的价值。在小车的头刚开始遮挡传感