传感器课程设计列车测速测距系统

1、列车测速测距系统小组分工组员：组员：雷达部分；雷达部分；修正系统修正系统传感器的选型传感器的选型供电供电,传输方式，传输方式，PPT制作制作光电转速传感器光电转速传感器的系统设计的系统设计word版研究报告制作版研究报告制作摘要n 随着铁路大提速，列车运行速随着铁路大提速，列车运行速度越来越快，传统的测速方法度越来越快，传统的测速方法存在一些不足之处。为此本文存在一些不足之处。为此本文提出了一种适合列车运行中实提出了一种适合列车运行中实时监测的多传感器融合的测速时监测的多传感器融合的测速测距系统。论文重点研究了多测距系统。论文重点研究了多传感器的优劣以及信息融合在传感器的优劣以及信息融合在城市

2、轨道交通列车测速定位的城市轨道交通列车测速定位的应用。以信息融合技术为基础，应用。以信息融合技术为基础，研究以速度传感器为核心的多研究以速度传感器为核心的多传感器融合列车测速定位系统，传感器融合列车测速定位系统，并且有效地防止空转等故障现并且有效地防止空转等故障现象的发生。象的发生。各种检测方式与比较各种检测方式与比较nGPS不足：不足：n 当线路平行股道十分接近当线路平行股道十分接近或有多个列车进出站时或有多个列车进出站时, 难以难以识别列车占用的是哪一股道识别列车占用的是哪一股道; n 在地形复杂地段在地形复杂地段, 例如在山例如在山区和隧道内区和隧道内, 由于无线电波传由于无线电波传播特

3、性的影响会产生信号盲播特性的影响会产生信号盲区。区。n测速电机测速电机n 从应用情况看从应用情况看, 测速电机方式虽测速电机方式虽然比较简单然比较简单, 但在低速时感生电动但在低速时感生电动势较低势较低, 造成测量精度降低造成测量精度降低, 车速低车速低于一定值时甚至不能推动测速单元于一定值时甚至不能推动测速单元工作工作, 并且系统可靠性较差。并且系统可靠性较差。 各种检测方式与比较n光电式转速传感器光电式转速传感器n 由于车轴的转动直接反映列车的由于车轴的转动直接反映列车的运动运动, 因此可以利用车轴转动信息因此可以利用车轴转动信息获得列车的运行速度获得列车的运行速度,所以我们可所以我们可以

4、采用光电式转速传感器。不足：以采用光电式转速传感器。不足：由于利用轮轴旋转信息进行测速测由于利用轮轴旋转信息进行测速测距距, 不可避免地受到车轮走行状态不可避免地受到车轮走行状态的影响。的影响。各种检测方式与比较n航位推算系统航位推算系统n 受到传感器本身温漂、受到传感器本身温漂、敏感度等的影响，航位推敏感度等的影响，航位推算系统在短时间内测量具算系统在短时间内测量具有较高的精度，但长时间有较高的精度，但长时间使用会导致较大的累积误使用会导致较大的累积误差，因此在使用航位推算差，因此在使用航位推算系统进行列车测速定位时，系统进行列车测速定位时，需要解决累积误差的补偿需要解决累积误差的补偿问题。

5、所以单独使用航位问题。所以单独使用航位推算系统是不可行的。推算系统是不可行的。各种检测方式与比较n雷达测速雷达测速n 雷达测速是一种直接测量速雷达测速是一种直接测量速度的方法，可以直接得到列车度的方法，可以直接得到列车实际的运行速度，不需要通过实际的运行速度，不需要通过车轮转动的信息来间接测量。车轮转动的信息来间接测量。在机车上安装雷达在机车上安装雷达, 始终向轨面始终向轨面发射电磁波发射电磁波, 由于机车和轨面之由于机车和轨面之间有相对运动间有相对运动, 根据根据多普勒频移效应原理原理, 在发射波和反射波之在发射波和反射波之间产生频差间产生频差,通过测量频差可以通过测量频差可以计算出机车的运

6、行速度计算出机车的运行速度, 并累积并累积求出走行距离。有效地防止空求出走行距离。有效地防止空转、滑行外转、滑行外, 也推动了定位停车也推动了定位停车装置的开发。不足：由于信号装置的开发。不足：由于信号传输波段有时会受到干扰。传输波段有时会受到干扰。各种检测方式与比较选型未来的发展方向：未来的发展方向：n综合化；综合化；n采用智能化、数采用智能化、数字化的处理方法；字化的处理方法；n各种方法如何提各种方法如何提升测量精度；整升测量精度；整合化系统。合化系统。各种检测方式与比较n 光电转速传感器光电转速传感器 此检测装置根据实际安装情此检测装置根据实际安装情况位置进行安装。如右图，将信号况位置进

7、行安装。如右图，将信号盘固定在车轮转轴上，光电转速传盘固定在车轮转轴上，光电转速传感器正对着信号盘。感器正对着信号盘。n 雷达雷达如图如图传感器的安装方式光电式转速传感器n光电式传感器是将被测量的变化转换成光信号的变化，再通过光电式传感器是将被测量的变化转换成光信号的变化，再通过光电器件把光信号的变化转换成电信号的一种传感器。传感器的输出光电器件把光信号的变化转换成电信号的一种传感器。传感器的输出信号易于数字化处理，满足列车运行控制系统智能化、小型化的发展信号易于数字化处理，满足列车运行控制系统智能化、小型化的发展趋势。另外，它具有频谱宽、不易受电磁干扰的影响、非接触式测量、趋势。另外，它具有

8、频谱宽、不易受电磁干扰的影响、非接触式测量、响应快、可靠性高等优点。响应快、可靠性高等优点。n 选用的传感器型号为选用的传感器型号为SZGB-3光电式转速传感器光电式转速传感器nSZGB-3, 20电源电压为电源电压为12V DC nSZGB-3型传感器主要性能介绍如下：型传感器主要性能介绍如下：n1)供单向计数器使用，测量转速和线速度供单向计数器使用，测量转速和线速度.n2)采用密封结构性能稳定采用密封结构性能稳定.n3）光源用红外发光管，功耗小，寿命长）光源用红外发光管，功耗小，寿命长.n4) SZGB-3, 20电源电压为电源电压为12V DCn SZGB-3型传感器主要性能介绍如下：型

9、传感器主要性能介绍如下：nSZGB-3.型光电转速传感器，使用时通过连轴节与被测转轴连接，当转型光电转速传感器，使用时通过连轴节与被测转轴连接，当转轴旋转时，将转角位移转换成电脉冲信号，供二次仪表计数使用。轴旋转时，将转角位移转换成电脉冲信号，供二次仪表计数使用。n(1)输出脉冲数：输出脉冲数：60脉冲（每一转）脉冲（每一转）n(2)输出信号幅值：输出信号幅值：50r/min时时30mVn(3)测速范围测速范围:50-5000r/minn(4)使用时间使用时间:可连续使用可连续使用,使用中勿需加润滑油使用中勿需加润滑油n5)工作环境工作环境:温度温度-1040,相对湿度相对湿度85%无腐蚀性气

10、体无腐蚀性气体n 因为因为SZGB-3型传感器型传感器50r/min时时30mV，单片，单片机输入电压机输入电压05伏左右，伏左右，调理电路放大倍数在调理电路放大倍数在100倍左右。倍左右。n 采用两级放大电路，每一采用两级放大电路，每一级都采用反响比例运算电级都采用反响比例运算电路如图路如图4.4.设计的电压放设计的电压放大倍数为大倍数为100倍。其中第倍。其中第一级放大倍数为一级放大倍数为10，第，第二级放大倍数为二级放大倍数为10.放大放大后电压变化范围为后电压变化范围为04.8V。光电式转速传感器的调理电路LM134光电式转速传感器的调理电路光电式转速传感器的调理电路n 整形电路设计的

11、是一种滞回电压比较器，它具有惯性，起到抗干扰的整形电路设计的是一种滞回电压比较器，它具有惯性，起到抗干扰的作用。从而向输入端输入的滞回比较器。在整形电路的输入端接一个作用。从而向输入端输入的滞回比较器。在整形电路的输入端接一个电容电容C5（103），起到的作用是阻止其他信号的干扰，并且将放大的），起到的作用是阻止其他信号的干扰，并且将放大的信号进行滤波，解耦。信号进行滤波，解耦。n 形后的信号基本上为形后的信号基本上为5V的电平的脉冲信号，在脉冲计数时，常用的电平的脉冲信号，在脉冲计数时，常用的是的是+5V的脉冲信号。如果直接采用的脉冲信号。如果直接采用-5V的脉冲计数，会增加电路的的脉冲计数

12、，会增加电路的复杂性，故一般不直接使用，而是先进行二次整形。复杂性，故一般不直接使用，而是先进行二次整形。仿真程序模块设计n软件部分由数据处理程序、按键程序设计、中断服务子程序、软件部分由数据处理程序、按键程序设计、中断服务子程序、LED显示程序等几个部分组成。显示程序等几个部分组成。n数据处理完成对各种测量数据的处理，如各种数据的计算、数数据处理完成对各种测量数据的处理，如各种数据的计算、数据格式的转换等。据格式的转换等。n按键程序包括按键防抖动处理、判键及修改项目等。定时器按键程序包括按键防抖动处理、判键及修改项目等。定时器1完完成定时功能，定时成定时功能，定时2Oms，并每隔，并每隔20

13、ms进行一次显示，每隔进行一次显示，每隔1秒读一秒读一次计数结果。单片机对在次计数结果。单片机对在1秒内计数的值进行处理，转换成每分钟的秒内计数的值进行处理，转换成每分钟的速度送显存以便显示。速度送显存以便显示。软件设计主程序流程图主程序流程图子程序流程图子程序流程图定时计数子程序流程图定时计数子程序流程图动态显示仿真雷达测速原理及安装测速公式:雷达测速频段:3MHZ300MHZfo为发射波段，选用24.15GHZ喇叭天线n 为了使机车测速的探测距离达到为了使机车测速的探测距离达到510米，需要外加喇叭天线。米，需要外加喇叭天线。雷达部分系统框图雷达微波部分信号调理电路A/D转换列车监控系统单

14、片机数据处理核心（进行数据处理运算）机车移动环节选型1.雷达微波部分：选用雷达微波部分：选用NJR4211的微波模块，发射频率为的微波模块，发射频率为24.15GHz，输，输出功率为出功率为4mW。2.信号处理电路：放大滤波信号处理电路：放大滤波3.A/D转换电路：选择转换电路：选择ADI公司的公司的AD644。可输出带宽。可输出带宽250MHz。4.单片机：选择单片机：选择AT89C51，与光电转速传感器频率输出接口兼容。，与光电转速传感器频率输出接口兼容。修正部分一一.定位技术背景定位技术背景1) 脉冲转速传感器是通过列车车轮转动产生数字脉冲，输出脉冲信号通脉冲转速传感器是通过列车车轮转动

15、产生数字脉冲，输出脉冲信号通过信号处理后，可直接输入微处理器进行计算，得到高测量精度的速过信号处理后，可直接输入微处理器进行计算，得到高测量精度的速度、距离信息。度、距离信息。2) 多普勒雷达依靠雷达向地面发射信号，检查雷达回波频率与发射信号多普勒雷达依靠雷达向地面发射信号，检查雷达回波频率与发射信号频率的不同，根据多普勒效应计算列车的运行方向和速度，再对列车频率的不同，根据多普勒效应计算列车的运行方向和速度，再对列车的速度进行积分，得到列车的运行距离。的速度进行积分，得到列车的运行距离。 3) 航位推算系统一般使用惯性传感器作为航向传感器和位移传感器，具航位推算系统一般使用惯性传感器作为航向

16、传感器和位移传感器，具有不与外界发生光电联系和不受气候条件限制的特点。有不与外界发生光电联系和不受气候条件限制的特点。问题1.以车轮转动作为采集对象间接获取列车速度：车轮磨损产生的轮径变以车轮转动作为采集对象间接获取列车速度：车轮磨损产生的轮径变化、运行过程中的空转和滑行会产生较大的误差。化、运行过程中的空转和滑行会产生较大的误差。2.雷达和航位推算系统是直接测量列车速度和距离的方式，不存在车轮雷达和航位推算系统是直接测量列车速度和距离的方式，不存在车轮磨损、空转、滑行等造成的误差。但是，多普勒雷达测速方法比较复磨损、空转、滑行等造成的误差。但是，多普勒雷达测速方法比较复杂，需要考虑雷达校正、

17、不同地面反射系数等问题杂，需要考虑雷达校正、不同地面反射系数等问题3.航位推算系统受到传感器本身温漂、敏感度等的影响，在短时间内测航位推算系统受到传感器本身温漂、敏感度等的影响，在短时间内测量具有较高的精度，但长时间使用会导致较大的累积误差。量具有较高的精度，但长时间使用会导致较大的累积误差。多传感器融合测速方法列车定位过程1.当遇到信标时，系统先检查信标的位置坐标是否在当前计算的列车位置误差范围之内。2.系统根据上一个信标的位置，不断计算从上一个信标开始的位移和位置误差，并以此来计算列车当前位置(包括列车前端和后端的位置误差)。列车打滑实验的传感器速度曲线实验室，手持设备等终端(读，存数据)

18、GPRS/GSM无线网络单片机采集数据数据的传输流程数据的传输流程快捷方便、快捷方便、本、异地本、异地实时实时数据采集数据采集无线传输无线传输DTP_S05C DTP_S05CiDTP_S05C DTP_S05Ci传输模块传输模块 针对针对GPRSGPRS数据业务数据业务, , 嵌入了嵌入了TCP/IPTCP/IP协议栈协议栈 标准标准RS-232RS-232串口，简单的串口，简单的AT+iAT+i指令操作指令操作 SerialNet SerialNet透明模式，简化了二次开发过程透明模式，简化了二次开发过程 支持域名解析，可以不用固定支持域名解析，可以不用固定IPIP 提供单片机和计算机编程源代码提供单片机和计算机编程源代码 频段为双频频段为双频900MHz900MHz和和1800MHz1800MHz 最大发射功率：最大发射功率：2W2W 工作温度：工作温度：-25 -25 +60 +60 工业标准设计，能工作于各种恶劣环境工业标准