基于數(shù)字傾角傳感器的線路電子檢測尺工作原理及硬件設(shè)計(jì)

引言

線路道岔電子檢測尺是列車運(yùn)行安全的重要保障，其主要用途是測量軌道的軌距、水平度，目的是為了預(yù)防因外界環(huán)境溫度的影響而使鋼軌狀態(tài)變形。此外，它也可消除人工機(jī)械式測量帶來的誤差大、工作效率低等不良因素，從而進(jìn)一步提高鐵路安全保障措施。

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以測量標(biāo)準(zhǔn)軌距為1435mm軌道的水平度、軌距，可實(shí)現(xiàn)自動檢測、自動存儲。通過RS232接口與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信后，可用專用軟件查詢分析所有測量數(shù)據(jù)，并可打印報表。

系統(tǒng)工作原理及硬件設(shè)計(jì)

線路道岔電子檢測尺的功能包括兩項(xiàng)：軌距和水平度，該儀器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由數(shù)字傾角(角度)傳感器、高精度位移測量傳感器、單片機(jī)及外圍電路、橫尺、直擋、測量滑塊、和液晶顯示器等部分構(gòu)成。其中高精度位移測量傳感器和測量滑塊用于測量軌距。軌距由兩部分構(gòu)成，一部分是橫尺上的標(biāo)準(zhǔn)長度部分 s1(該部分為固定值)，另外一部分是以標(biāo)準(zhǔn)長度末端A點(diǎn)為起點(diǎn)的測量長度s2(該部分由高精度位移測量傳感器測量得到)，總的軌距s=s1+s2。考慮到溫度的影響，單片機(jī)自帶溫度傳感器，用來補(bǔ)償溫度對測量數(shù)據(jù)的影響。橫尺上的數(shù)字傾角(角度)傳感器測量橫尺的水平度(角度)，通過角度和軌距可測量左右軌的高差。液晶顯示部分顯示軌距、左右軌高差和時間等信息，相關(guān)數(shù)據(jù)可以保存在儀器中，也可通過RS232接口與計(jì)算機(jī)通訊讀出來形成匯總，在計(jì)算機(jī)中保存、打印相關(guān)數(shù)據(jù)。

線路道岔電子檢測尺主要通過位移傳感器和數(shù)字傾角(角度)傳感器對鋼軌的軌距、水平度進(jìn)行測量。傳感器信號通過RS232接口和特殊功能計(jì)數(shù)器后進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)計(jì)算出軌距后，再由傾角傳感器測量的傾角與軌距這兩組數(shù)據(jù)，根據(jù)正弦函數(shù)算出兩軌道相差高度。單片機(jī)把這兩組數(shù)據(jù)與設(shè)定的門限值進(jìn)行比較來判斷測量點(diǎn)是否合格。液晶屏顯示輸出數(shù)據(jù)結(jié)果，鍵盤可以設(shè)定門限值、所測點(diǎn)的位置，并具備刪除和保存數(shù)據(jù)等功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖見圖2。

數(shù)字傾角(角度)傳感器

數(shù)字傾角(角度)傳感器利用重力對流體的作用引起膜電位變化的原理而制成，是新型的慣性傳感器，它具有體積小、高靈敏度、線性好、壽命長、寬動態(tài)范圍、高穩(wěn)定性、超強(qiáng)抗沖擊性等特點(diǎn)。

數(shù)字傾角(角度)傳感器通過RS232與單片機(jī)接口。紅線為電源輸入，黑線為地(RS232地與電源地共用)，黃線為傳感器的RS232輸入，綠線為傳感器的RS232輸出。輸入電源電壓為7V-24V，推薦值9V。傳感器應(yīng)豎直安裝，安裝面與垂直面的夾角不大于2°。安裝示意圖見圖3。

C8051F060單片機(jī)

為了減少外圍器件、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用自帶溫度傳感器的C8051F060器件，它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，使用Cygnal的專利 CIP-51微控制器內(nèi)核，CIP-51與MCS-51指令集完全兼容。C8051F060內(nèi)部有1個SMBUS/I2C接口、2個具有增強(qiáng)型波特率配置的全雙工UART和1個增強(qiáng)型SPI接口，每種串行總線完全由硬件實(shí)現(xiàn)，都能向CIP-51產(chǎn)生中斷。C8051F060具有五個通用的16位定時器;具有6個捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時器數(shù)組;具有片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器、時鐘振蕩器。C8051F060是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。