关于地铁轨道检测车的设计研究.doc
关于地铁轨道检测车的设计研究目录1. 概述12. 总体方案12.1技术条件22.2总体方案33. 个人项目具体分工44. 单片机的选择54.1单片机的简介.54.2 STM32单片机的技术参数 .65. 设计过程65.1硬件的连接75.2编写程序.85.3照度传感器的程序调试.186. 总结187. 结束语198. 参考文献20关于地铁轨道检测车的设计研究1. 概述现如今城市轨道交通在中国的很多城市交通中占有着举足轻重的作用,在未来的时间里它还将在更多的城市发展,人们对地铁列车安全性和舒适性等方面的要求也越来越高。因而它吸引了一大批人对其发展和完善的关注。作为城市轨道交通学院的学生,我们对城市轨道的关注度和敏感度不亚于任何人。轨道车辆的空调和照明系统作为新型轨道车辆的舒适度系统,随着技术的进步,空调温度和湿度的调控变得更加智能化和实时化,客室的照明系统能够根据背景的光照强度自动调节。但也增加了轨道车辆车厢舒适度系统的复杂性。同时,轨道车辆的轴承始终处于高速运动中,机车和钢轨的频发冲击会造成车辆轴承的发热,当轴承磨损和产生缺陷时,会造成机损从而影响车辆的正常运行,甚至出现热切轴,直接导致车辆发生故障翻车,给国家和社会在铁路运输造成巨大的经济损失。如何保障轨道车辆车厢空调、照明系统和车辆运行的安全、可靠性已经越来越受到人们的关注。进行客室温湿度、照度以及轴温的实时监测、从而进行故障诊断与监测是保证轨道车辆车厢空调和照明系统正常运行,保障旅客行车安全性和舒适性的有效方法。而让司机进行实时监控,保证车辆的运行安全以及乘客的乘坐舒适度也是城轨发展的大势所趋。2.总体技术条件2.1技术条件根据GB9673-1996公共交通工具卫生标准:本标准规定了旅客列车车厢、轮船客舱、飞机客舱的微小气候、空气质量、噪声、照度等标准值及其卫生要求。 本标准适用于旅客列车车厢、轮船客舱、飞机客舱等场所。空调温度:冬季 1820 夏季 2428 非空调 14 相对湿度: 4070%照度: 客室75lx根据铁道技规:走行部监测装置报警现象及处理 第二十六条 走行部监测装置报警现象及处理: 1.相对温升报警:列车在运行中,某轴位温升超过55(含55)而显示的该轴位实际温度未达90时,设备声光报警。乘务员应密切注意相应轴位温升情况,同时加强后部了望,如观察走行部无异常情况且温度未升至90,可维持运行回段(或运用整备点)报活处理。 2.绝对温度报警:当某轴位温度显示达到或超过90时,乘务员应在前方最近的站内停车(注意不要大减压或紧急停车),停车后用手背接触检查确认该轴位温度,在确认温度达到90时,在应急处理无效时应请求更换机车。2.2总体方案设计思路:为了监测客室的温湿度和照度,我们需要购买采用相应的传感器进行采集。随后我们要将采集到的数据传输到单片机上。由于传感器和单片机的传输距离比较近,因此我们直接采用杜邦线来传输。既经济又方便,然后我们要将采集到的数据存储到对用的存储设备中。应该思考我们采用了我们都较为熟悉的sd卡。最后则是将数据传输到司机室的显示屏上。由于传输的距离较远,在一百米左右。因此我们考虑采用2.4G无线传输,能够达到传输距离的要求。司机室的单片机接受到数据之后,将其传输到显示屏上显示出来。设计步骤:1、 查找资料并进行实地调研选取设计方案;2、 基于相关资料进行传感器的选型;3、 数据采集系统的选择;4、 组装调试编写代码;5、 传感器信号的调理和采集;6、 对接受的数据进行显示、评价和分析。系统结构图如下:轴温传感器轴温监测系统照度传感器客室舒适度监测系统司机监测系统(带显示屏)室温传感器3个人项目具体分工黎萱:车辆轴温监测系统的安装工装设计陈凯豪:车辆轴温监测系统的传感器的数据采集模块设计孙大吉:车辆轴温监测系统的SD卡的存储或其他存储模块设计钟国浩:基于无线射频技术轴温监测系统的数据传输模块设计康炯杰:客室空调温湿度监测系统的安装工装设计林立:客室照度监测系统的安装工装设计潘汪洋:客室舒适度监测系统的传感器的数据采集模块设计张志豪:客室舒适度监测系统的SD卡存储或其他存储模块设计张飞翔:基于无线射频技术的客室舒适度监测系统的数据传输模块设计管晓杰:列车司机综合监测系统的数据接收模块设计庄雪儿:列车司机综合监测系统的单片机显示模块设计4.单片机的选择4.1单片机的简介单片机(Microcontrollers)是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统,在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代,由当时的4位、8位单片机,发展到现在的300M的高速单片机。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机,和计算机相比,单片机只缺少了I/O设备。概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机的使用领域已十分广泛,如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机,就能起到使产品升级换代的功效,常在产品名称前冠以形容词“智能型”,如智能型洗衣机等4.2 STM32单片机的技术参数STM32F103ZE 参数STM32F103ZE 存储器程序存储器类型FlashProg. (Bytes)512 KRAM (Bytes)64 KSTM32F103ZE 性能参数工作频率72 MHz16-bit 定时器4SPI3I2S2I2C2USART5USB1CAN1SDIO1GPIOs112引脚144电压 (V)2 to 3.6STM32F103ZE 封装与引脚LQFP1445设计过程5.1硬件的连接 按照DHT11的说明书,传感器的Vcc口接单片机的5v电源口,传感器的Data口接单片机的PC6口,传感器的GND口接单片机的GND口。连接方式为杜邦线。随后将J-link ARM仿真器连接到单片机上。如图所示。5.2编写程序5.2.1软件选择编写程序采用keil编程软件Keil是美国Keil Software公司出品的单片机C语言软件开发系统,与汇编相比,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境(Vision)将这些部分组合在一起。5.2温湿度传感器数据采集模块的调试5.2.1温湿度传感器的程序编写5.2.2程序烧录采用FlyMcu V0.100 单片机在线编程专家进行调试:5.2.3调试使用串口调试助手进行程序调试:经过不懈努力,程序调试成功!5.3 照度传感器的程序调试由于在购买照度传感器时,卖家并没有给我对应的资料,导致我在编程时遭遇了较大的阻碍。最后编写的程序未能成功。(一)高速铁路轨道不平顺管理标准凭借目标值、警告值、干预值、限速值进行轨道质量状态的评估,用于指导高速铁路的养护维修,始终保持高速铁路具有较高的平顺性。见表4-20。表4-20 我国高速铁路轨道不平顺管理标准m/s2项 目横向振动加速度(m/s2)高低(mm)轨向(mm)车体转向架12.2m基长半峰值31m基长峰峰值10m基长半峰值33m基长峰峰值VO32VA1.23.5510612V12.261018816VR2.88'15241220 其中目标值、警告值、干预值、限速值韵具体意义和标准值如下: 目标值(V0)指新线铺设或维修作业后应达到的质量标准。 警告值(VA)对达到或超过该值的轨道不平顺要实施重点观测,分析其发展变化情况并做出维修计划。 干预值(VI)对于达到或超过该值的地点或区段实施必要的维修作业,一般在15d之内予以实施,并使其达到目标值。 限速值(VR)对于达到或超过该值的地点或区段,列车必须降速行驶,并以任何可能的手段包括手工作业予以整治。 (二)德国高速铁路轨道不平顺管理标准德国高速铁路对轨道状态的评价与管理,是通过轨道不平顺与运营时间的关系,采用评价轨道几何状态的干扰值以及由干扰值引起的机车车辆动力响应的反应值实现的。维修计划的制定与实施则根据干扰值和反应值是否达到或超过相应的管理标准来执行。其中德国高速铁路轨道不平顺管理标准值的确切定义见表4-21。4-21 德国高速轨道不平顺管理标准值定义限界值名称含义SR0线路开通运营之初,轨道的平顺状态SRA当轨道不平顺值超过此值时,表示有必要从经济的角度考虑安排补救性的维修SR100表示轨道的不平顺已达到技术或经济的一个界限值,当轨道不平顺超过此值时,即要求在下一次常规检查之前进行维修,维修的最后时间是由轨道不平顺值超过SR100的程度和出现的轨道不平顺类型决定的。当轨道不平顺值超过SR100时,可能会出现下次常规检查之前,如果不进行维修轨道,不平顺偏差值可能会超过SRlimSRlim表示轨道功能的完整性将会被削弱,维修工作必须立即进行。根据相应的规范还要采取进一步的措施,如在维修工作未完成之前所有通过列车的速度须降至40 km/hSR极限值线路已不适合运营,须关闭进行维修 (三)日本高速铁路轨道不平顺管理标准日本高速铁路轨道不平顺采用五级方式进行评价与管理,其五级管理值分为验收目标值、计划维修目标值、舒适度管理目标值、安全目标管理值、慢行(限速)管理目标值。验收目标值:维修作业和工程施工后应达到的质量目标值。 计划维修目标值:为在制定维修计划时,确定需要进行维修的轨道不平顺管理目标值。 舒适度管理目标值:为确保列车良好舒适度的目标值。 安全目标管理值:当达到或超过该值时,将会对高速行车安全性有较显著的影响,应限期(一般15d)紧急补修。 慢行管理目标值:当达到或超过该值时,列车必须降速慢行,并以任何可能的手段立即予以消除超限。 (四)英国铁路轨道不平顺管理标准 英国铁路公司根据轨道不平顺波长对不同运行速度的影响,按照不平顺波长在满足列车运行平稳性条件和满足动荷载增量条件时,制定了200 km/h及以上轨道不平顺管理维修标准。 (五)美国铁路轨道不平顺管理标准 美国铁路根据线路最高容许速度将轨道不平顺划分为九级管理,其管理标准纳入FRA安全法规中执行。6.总结这次课程设计最大的难点是和单片机有关,而我们之前所学的课程和单片机没有太大的关系,所以我们遇到的第一个障碍是理论知识不足。作为整个组的组长,我的第一任务就是引导全体组员去学习单片机的知识。为此,我们在网上和图书馆找了很多的资料,费了一番功夫终于弄清楚了单片机的工作原理。而单片机的编写,很幸运,由于我们之前学过c语言,因此我们上手还是较为迅速的。在完成了理论的学习之后,我们上淘宝挑选单片机的型号,最终选定了STM32f103单片机。选择的理由是价格便宜,功能齐全。随后我们遇到的第二大难题是编程,要理解资料上已经编好的程序不算难事,但是要自己动手编程却比之间想象的要难得多。我在做我个人任务的时候,一开始编完程序,但是调试软件里只能显示一堆乱码,程序看了好几遍,完全不知道问题出来哪里。最后我彻彻底底的检查了一遍,最后发现是传感器的data口插错了,随后改到了pc6口之后,成功显示了温湿度。但是在想进行照度的编程时,由于卖家并没有给我们照度传感器的资料,因此我在编程时也是困难重重。最后由于时间紧迫且能力有限,最后没能完成照度传感器,也算是一个遗憾吧。最后就是单片机的无线数据传输和显示器的显示了。这也是整个系统最难的部分。虽然负责无线传输和显示器部分的同学付出了巨大的努力去完成,当中也请教了通信信号专业的同学,但是由于我们所学的专业课并不涵盖单片机,因此最终也未能成功。虽然说这次课程设计的难度很大,整个设计过程也非常的艰辛,结果也不是最为圆满。但是在过程中,我们学会了单片机的编程,硬件安装。提高了我们解决问题的能力。体会到了团队合作的重要性。最终也为我们下次课程设计打下了坚实的基础。7.结束语随着城市轨道交通技术的不断进步,人民生活水平的不断提高。人们对城市轨道车辆的客室舒适度的要求和对车辆运行安全的要求也在不断提高。因此必须要开发一套设备来对客室的温湿度照度以及轴温进行实时监测。我们小组的课题就是如此。虽然我们小组的系统并未在实际的车体上进行试验,系统运行稳定性,安全性并没有经过严格的检验和测试。因此,我们本次课设系统的实用性也无法得到保证。但我们此次课设的目的是为后人的研究和开发提供了一个全新的思路。例如:传感器和单片机的连接是否也可以采用无线传输,司机在司机室中能否根据监测到的客室温湿度照度和轴温情况直接通过系统进行控制(变“监测”为“监控”)。希望后人们站在我们的肩膀上,让乘客们在乘坐城市轨道交通时更加的舒适,也让城市轨道交通的运行更加安全可靠,让城市轨道交通的明天更加辉煌!8.参考文献 1浅谈轴温监测技术及其在地铁车辆上的应用_梁汝军 鞠丽丽2 GB9673-1996公共交通工具卫生标准3铁道部技术管理规定4 十天学会单片机基础12