基于超聲波傳感器的車鉤高度測量系統(tǒng)

1. 引言

貨車、客車車輛在補修、段修和廠修時必須檢測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)。車輛在進行段修時,由于要對轉(zhuǎn)向架、車鉤若測量不準,將嚴重影響列車的行車安全。而目前我國鐵路各車輛段均采用比較原始的手工測量方法,誤差大,效率低,費時又費力,無法滿足鐵路列車高速重載的發(fā)展要求 [2>。針對以上問題,本文闡述了車鉤高度超聲波測量系統(tǒng)的功能原理及軟硬件設(shè)計。

2. 工作原理

測量系統(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,傳感器接收到回波,由于光波在空氣中的傳播速度一定,通過計時器所計得的時間即可算出車鉤的高度。圖1 為測距原理的示意圖。

圖1 測距原理示意圖

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

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

(2)單片機控制系統(tǒng)擴展一個存儲器,可存儲不少于1000 個測試數(shù)據(jù)。各個測量數(shù)據(jù)都標有序號和相關(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,并提醒用戶及時更換電池。

(4)系統(tǒng)設(shè)計了某些特殊情況出錯時的應急處理程序,最大限度地保證測試的可靠和數(shù)據(jù)的安全。

(5)采用I2C 總線,可方便與微機連接進行數(shù)據(jù)傳送。

3. 硬件設(shè)計

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

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

Q45ULIU64ACR 型超聲波傳感器將測量的距離值轉(zhuǎn)換為模擬量(電壓或電流)輸出。可檢測范圍為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%,并帶有溫度補償。由于車鉤的標稱高度大多在880mm 左右,允許檢測誤差為±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、藍線和黑線分別為傳感器電源正極、負極和電壓輸出。其中模擬量0～10V線性對應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以適應單片機A/D轉(zhuǎn)換器的輸入要求)接入單片機的A/D 轉(zhuǎn)換器。由A/D 轉(zhuǎn)換器采樣測得電壓值,經(jīng)程序處理得出高度值。

圖3 傳感器接線圖

鍵盤設(shè)有系統(tǒng)啟動鍵、測試鍵、保存健、查詢、翻頁鍵、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 對電源電壓采樣進行監(jiān)測。當需要向微機導出數(shù)據(jù)時,可通過I2C 總線進行連接實現(xiàn)通信。

4. 軟件設(shè)計

系統(tǒng)要求實現(xiàn)測距、保存數(shù)據(jù)和查詢歷史數(shù)據(jù)的功能。這些功能相應地在軟件上進行設(shè)計。系統(tǒng)主程序的流程見圖4。

圖4 主程序流程圖

按下開關(guān)鍵啟動系統(tǒng)后,系統(tǒng)將進行各部件的初始化,等待鍵盤的輸入。若按下測距鍵,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),得出測量值并通過顯示器顯示出來,供用戶保存或其它處理；若按下保存鍵,系統(tǒng)自動對測量得到的數(shù)據(jù)進行保存供用戶以后查詢；若按下查詢鍵,即可對歷史測量數(shù)據(jù)進行查詢訪問,鍵盤上還設(shè)有向上和向下翻頁的按鍵,方便用戶查詢。

根據(jù)上述內(nèi)容,可設(shè)計如圖5所示的測距子程序。

圖5 測距子程序流程圖

5. 實驗結(jié)果分析

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

表1 實驗數(shù)據(jù)

6. 結(jié)束語

本系統(tǒng)應用現(xiàn)代超聲波測距傳感器,采用單片機控制技術(shù)對數(shù)據(jù)進行實時采樣,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。本裝置將具有體積小,精度高,功耗低,自動化程度高的特點,可作為現(xiàn)場檢測人員理想的便攜式工具。