項(xiàng)目7 機(jī)車(chē)速度信號(hào)采集系統(tǒng)搭建

電子(diànzǐ)與信息技術(shù)專(zhuān)業(yè)傳感器技術(shù)(jìshù)項(xiàng)目七機(jī)車(chē)速度信號(hào)采集系統(tǒng)搭建大連電子學(xué)校DALIANELECTRONICSCHOOL共二十六頁(yè)任務(wù)(rènwu)1項(xiàng)目任務(wù)書(shū)隨著(suízhe)當(dāng)今交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，軌道交通以其運(yùn)量大、速度快、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)已成為人們出行的首選，我國(guó)也已成為世界最大的軌道交通建設(shè)市場(chǎng)。機(jī)車(chē)速度信號(hào)是機(jī)車(chē)運(yùn)行中的重要狀態(tài)參數(shù)，是構(gòu)成機(jī)車(chē)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)必不可少的反饋參量。在機(jī)車(chē)的防滑/防空轉(zhuǎn)系統(tǒng)、機(jī)車(chē)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等裝置中，都需要實(shí)時(shí)地得到機(jī)車(chē)的運(yùn)行速度信號(hào)，而且機(jī)車(chē)速度信號(hào)采集的精確度與機(jī)車(chē)操作的安全性直接相關(guān)聯(lián)，因此電力機(jī)車(chē)運(yùn)行速度信號(hào)的正確采集和處理對(duì)于機(jī)車(chē)的控制與操作至關(guān)重要。本項(xiàng)目介紹了采用速度傳感器采集并輸出的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路，再利用單片機(jī)的采集能力和運(yùn)算處理能力，對(duì)機(jī)車(chē)速度信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。7.1.1項(xiàng)目描述共二十六頁(yè)任務(wù)(rènwu)1項(xiàng)目任務(wù)書(shū)完成DF16速度傳感器的測(cè)試(cèshì)；根據(jù)給定的元器件和電路圖，按照電子產(chǎn)品制作工藝，焊接、組裝信號(hào)處理電路；結(jié)合速度校驗(yàn)臺(tái)和單片機(jī)開(kāi)發(fā)板搭建一個(gè)機(jī)車(chē)速度信號(hào)采集系統(tǒng)。7.1.2項(xiàng)目任務(wù)共二十六頁(yè)任務(wù)2信息(xìnxī)收集數(shù)字式傳感器是一種(yīzhǒnɡ)能把被測(cè)模擬量直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出的裝置，可直接與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接。與模擬式傳感器相比，數(shù)字式傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)測(cè)量精度和分辨率高；(2)抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好；(3)易于和計(jì)算機(jī)接口，便于信號(hào)處理和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量；(4)適宜遠(yuǎn)距離傳輸。共二十六頁(yè)任務(wù)2信息(xìnxī)收集7.2.1旋轉(zhuǎn)(xuánzhuǎn)編碼器1.絕對(duì)式編碼器(1)接觸式編碼器一個(gè)4位2進(jìn)制接觸式碼盤(pán)，在圓形不導(dǎo)電的碼盤(pán)基本體上共有4個(gè)碼道，每個(gè)碼道用印制電路板工藝加工出導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)。導(dǎo)電區(qū)用“1”表示，絕緣區(qū)用“0”表示。每個(gè)碼道上都有一個(gè)電刷，電刷經(jīng)取樣電阻接地。若電刷接觸到導(dǎo)電區(qū)，則該回路中的取樣電阻上有電流流過(guò)，輸出為“1”，若電刷接觸的是絕緣區(qū)，輸出則為“0”。旋轉(zhuǎn)編碼器是一種碼盤(pán)式角度-數(shù)字檢測(cè)元件，通常用于轉(zhuǎn)速的測(cè)量。它的轉(zhuǎn)軸通常隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，能將被測(cè)軸的角位移轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼或者一串脈沖。共二十六頁(yè)任務(wù)2信息(xìnxī)收集7.2.1旋轉(zhuǎn)(xuánzhuǎn)編碼器1.絕對(duì)式編碼器(2)光電式編碼器光電式編碼器是目前應(yīng)用較多的一種編碼器，它的碼盤(pán)是在不透光材料的圓盤(pán)上精確地印制二進(jìn)制編碼。工作時(shí)，每個(gè)碼道都對(duì)應(yīng)一組光電元件，碼盤(pán)轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接收光信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)的二進(jìn)制編碼。(3)磁電式編碼器共二十六頁(yè)任務(wù)(rènwu)2信息收集7.2.1旋轉(zhuǎn)(xuánzhuǎn)編碼器2.增量式編碼器增量式編碼器是指隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的碼盤(pán)給出一系列脈沖，然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向用計(jì)數(shù)器對(duì)這些脈沖進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，從而表示轉(zhuǎn)過(guò)的角位移量。共二十六頁(yè)任務(wù)(rènwu)2信息收集7.2.2光柵(guāngshān)傳感器1.光柵的構(gòu)成與分類(lèi)光柵就是在透明的玻璃板上，均勻地刻出許多明暗相間的條紋，或在金屬鏡面上均勻地劃出許多間隔相等的條紋，通常線條的間隙和寬度是相等的。以透光的玻璃為載體的稱(chēng)為透射光柵，不透光的金屬為載體的稱(chēng)為反射光柵。共二十六頁(yè)任務(wù)2信息(xìnxī)收集7.2.2光柵(guāngshān)傳感器1.光柵的構(gòu)成與分類(lèi)

(1)長(zhǎng)光柵：又稱(chēng)光柵尺，主要用于長(zhǎng)度或直線位移的測(cè)量，如圖7-5和圖7-6所示。長(zhǎng)光柵由長(zhǎng)短兩塊光柵組成。長(zhǎng)的一塊成為主光柵，短的一塊成為指示光柵，兩者刻線密度相同?？叹€密度由測(cè)量精度決定。柵線密度一般為每毫米25、50、100、250條等，多的可達(dá)每毫米2400條。共二十六頁(yè)任務(wù)2信息(xìnxī)收集7.2.2光柵(guāngshān)傳感器1.光柵的構(gòu)成與分類(lèi)

(2)圓光柵：又稱(chēng)光柵盤(pán)，用來(lái)測(cè)量角度或者角位移，如圖7-7所示。根據(jù)刻線的方向可分為徑向光柵和切向光柵。徑向光柵柵線延長(zhǎng)線全部通過(guò)光柵盤(pán)的圓心，切向光柵柵線延長(zhǎng)線全部與光柵盤(pán)中心的一個(gè)小圓（直徑為零點(diǎn)幾到幾毫米）相切。圓光柵也由大小兩塊光柵組成，大的稱(chēng)為主光柵，小的稱(chēng)為指示光柵，兩者的刻線密度相同。圓光柵只有透射光柵一種。共二十六頁(yè)任務(wù)2信息(xìnxī)收集7.2.2光柵(guāngshān)傳感器2.光柵傳感器的工作原理如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角θ，這時(shí)光柵上會(huì)出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，稱(chēng)為莫爾條紋。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過(guò)，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯(cuò)開(kāi)處，由于相互擋光作用而形成暗帶。莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過(guò)而形成的亮帶，由一系列四棱形圖案組成。共二十六頁(yè)任務(wù)(rènwu)2信息收集7.2.2光柵(guāngshān)傳感器2.光柵傳感器的工作原理莫爾條紋具有以下特點(diǎn)：(1)莫爾條紋的位移與光柵的移動(dòng)成比例。(2)莫爾條紋具有位移放大作用。(3)莫爾條紋具有平均光柵誤差作用。3.光柵使用技術(shù)(1)光柵的辯向技術(shù)(2)光柵的細(xì)分技術(shù)共二十六頁(yè)任務(wù)3項(xiàng)目(xiàngmù)實(shí)施7.3.1框圖機(jī)車(chē)速度采集由速度傳感單元(dānyuán)、濾波整形單元(dānyuán)、降壓隔離單元(dānyuán)分以及中央處理單元(dānyuán)四部分組成。共二十六頁(yè)任務(wù)(rènwu)3項(xiàng)目實(shí)施7.3.2速度(sùdù)傳感器DF161.

DF16速度傳感器結(jié)構(gòu)外形DF16速度傳感器由光電模塊、光柵、傳動(dòng)軸、軟連接器、14芯防水插頭等部分組成。可以方便地安裝于軸箱蓋上,傳動(dòng)部分采用軟性連接，能克服安裝不同心及驅(qū)動(dòng)間隙，具有堅(jiān)固、密封、抗震、抗沖擊、測(cè)速范圍寬、溫度適應(yīng)范圍寬、可靠性好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。適用于國(guó)內(nèi)外各種類(lèi)型機(jī)車(chē)的速度、方向、空轉(zhuǎn)及打滑等各項(xiàng)檢測(cè)。共二十六頁(yè)任務(wù)(rènwu)3項(xiàng)目實(shí)施7.3.2速度(sùdù)傳感器DF162.工作原理DF16速度傳感器是緊湊型、低維護(hù)的測(cè)速、測(cè)距傳感器，通過(guò)掃描和輪軸同步的光柵盤(pán)的內(nèi)、外軌道，可輸出兩種不同脈沖數(shù)的方波信號(hào)，內(nèi)軌道每轉(zhuǎn)80個(gè)脈沖，外軌道每轉(zhuǎn)200個(gè)脈沖，輸出可以是不同脈沖數(shù)的各種組合。各通道間彼此隔離，且?guī)в袠O性保護(hù)、輸出短路保護(hù)。DF16速度傳感器可輸出和速度成線性比例的方波信號(hào)。輸出的頻率和輪軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：f=n×P/60其中n為每分鐘轉(zhuǎn)速，f為傳感器輸出脈沖頻率，一般取500、1000或者2000Hz，P為光柵槽數(shù)，即每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。例如，光柵盤(pán)外軌道為光柵槽數(shù)為200，頻率取1000Hz，則轉(zhuǎn)速n為300轉(zhuǎn)/分。共二十六頁(yè)任務(wù)(rènwu)3項(xiàng)目實(shí)施7.3.2速度(sùdù)傳感器DF163.主要參數(shù)(1)測(cè)速范圍：0～2000轉(zhuǎn)/分；(2)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)：外軌道200P/R、內(nèi)軌道80P/R；(3)輸出通道數(shù)：?jiǎn)?、雙、三、四；(4)輸出波形：方波；(5)輸出幅度：高電平≥9V,（負(fù)載電阻3KΩ），低電平≤2V；(6)脈沖占空比：50％±20％；(7)脈沖相位差：90°±45°（雙通道、四通道）順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，CH1超前CH2，CH2超前CH3，CH3超前CH4；120°±60°（三通道）順時(shí)針旋轉(zhuǎn),CH1超前CH2，CH2超前CH3；(8)工作電源：DC12～30V；(9)功耗電流：≤40mA（每通道）；(10)短路保護(hù)：具有輸出短路保護(hù)功能；(11)耐壓：1500V50Hz，1min（通道對(duì)外殼）；

500V50Hz，1min（各通道間）；(12)絕緣電阻：正常情況下≥500MΩ，極端濕熱情況≥20MΩ；(13)工作溫度：－40℃～70℃；共二十六頁(yè)任務(wù)3項(xiàng)目(xiàngmù)實(shí)施7.3.2速度(sùdù)傳感器DF164.接線方法共二十六頁(yè)任務(wù)3項(xiàng)目(xiàngmù)實(shí)施7.3.3信號(hào)處理與采集(cǎijí)1.信號(hào)處理電路共二十六頁(yè)任務(wù)3項(xiàng)目(xiàngmù)實(shí)施7.3.3信號(hào)處理與采集信號(hào)處理電路濾波整形處理電路濾波整形處理單元由RC濾波電路和運(yùn)算(yùnsuàn)放大器LM224構(gòu)成的整形電路組成。共二十六頁(yè)任務(wù)3項(xiàng)目(xiàngmù)實(shí)施7.3.3信號(hào)處理與采集信號(hào)處理電路(2)降壓隔離電路降壓隔離單元由電阻及隔離光耦HCPL-0630構(gòu)成。2.信號(hào)采集速度信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路處理后送入中央處理單元進(jìn)行采集和處理。本項(xiàng)目中的中央處理單元選擇單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)通過(guò)對(duì)方波脈沖的計(jì)數(shù)和運(yùn)算得出當(dāng)前機(jī)車(chē)運(yùn)動(dòng)速度，并可驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，或者通過(guò)RS232、總線通信等方式(fāngshì)由上位計(jì)算機(jī)給出速度顯示。共二十六頁(yè)任務(wù)(rènwu)3項(xiàng)目實(shí)施7.3.4系統(tǒng)搭建(dājiàn)與調(diào)試1．設(shè)備及元器件設(shè)備及元器件要求如表7-3、7-4所示。2.元器件識(shí)別與檢測(cè)（1）根據(jù)信號(hào)處理電路元器件清單，清點(diǎn)組件；（2）檢測(cè)各元器件的性能及參數(shù)；（3）識(shí)別速度傳感器DF16。共二十六頁(yè)任務(wù)(rènwu)3項(xiàng)目實(shí)施7.3.4系統(tǒng)(xìtǒng)搭建與調(diào)試3．DF16速度傳感器的測(cè)試共二十六頁(yè)任務(wù)(rènwu)3項(xiàng)目實(shí)施7.3.4系統(tǒng)搭建(dājiàn)與調(diào)試4.焊接組裝信號(hào)處理電路5.程序錄入6.系統(tǒng)搭建與調(diào)試（1）系統(tǒng)搭建①將DF16速度傳感器安裝于轉(zhuǎn)速校驗(yàn)臺(tái)上，通過(guò)轉(zhuǎn)速校驗(yàn)臺(tái)設(shè)置轉(zhuǎn)速的方法，模擬機(jī)車(chē)運(yùn)行。②將DF16速度傳感器CH1和CH2輸出端連接到速度信號(hào)處理電路的兩路輸入端上。③將信號(hào)處理電路的兩路速度信號(hào)輸出連接到單片機(jī)開(kāi)發(fā)板上單片機(jī)的信號(hào)輸入端子上。共二十六頁(yè)任務(wù)3項(xiàng)目(xiàngmù)實(shí)施7.3.4系統(tǒng)搭建(dājiàn)與調(diào)試6.系統(tǒng)搭建與調(diào)試（2）調(diào)試準(zhǔn)備①檢查信號(hào)處理電路各元件焊接位置是否正確、有無(wú)虛焊和連焊等。②將集成運(yùn)算放大器LM224和光耦合器HCPL-0630按標(biāo)志方向插入集成電路插座。③將穩(wěn)壓電源第一路輸出調(diào)整為15V，第二路輸出調(diào)整為5V（3）系統(tǒng)調(diào)試①在轉(zhuǎn)速校驗(yàn)臺(tái)上設(shè)定轉(zhuǎn)速。②開(kāi)啟穩(wěn)壓電源，在速度信號(hào)處理電路的輸出端連接雙蹤示波器，觀察輸出波形是否正確。③給單片機(jī)開(kāi)發(fā)板上電，觀察單片機(jī)開(kāi)發(fā)板上的轉(zhuǎn)速顯示與校驗(yàn)臺(tái)上設(shè)定的轉(zhuǎn)速是否一致。7.DF16傳感器檢修與故障排除共二十六頁(yè)任務(wù)