客车用盘式制动闸制动性能检测系统设计毕业设计 本文简介：
1绪论1.1论文研究的背景目前，随着人们对安全意识的提高，交通事故被世人所关注的程度在日益加深。据有关部门统计，全世界每年因车祸导致70多万人死亡，1200多万人伤残，造成直接经济损失5亿多美元；汽车总拥有量只占世界2％左右的我国交通事故死亡人数却占世界的15％，由此可以看出我国在汽车安全方面则更为
客车用盘式制动闸制动性能检测系统设计毕业设计 本文内容：
1
绪论
1.1论文研究的背景
目前，随着人们对安全意识的提高，交通事故被世人所关注的程度在日益
加深。据有关部门统计，全世界每年因车祸导致
70
多万人死亡，1200
多万人
伤残，造成直接经济损失
5
亿多美元；汽车总拥有量只占世界
2％左右的我国
交通事故死亡人数却占世界的
15％，由此可以看出我国在汽车安全方面则更为
严重。作为主要交通运输工具的车辆，其性能的好坏是影响交通安全的重要因
素之一；在车辆因素中，由于汽车制动方面的原因造成的交通事故占总交通事
故的
1l％。
汽车行驶时能在短时间内停车且方向稳定和在下长坡时能维持一定车速的
能力，称为汽车的制动性。其能直接关系到行车安全，是汽车的主要性能之一。
汽车的制动性取决于其制动系统，而制动器是制动系统的关键部件，其直接影响
汽车制动系统性能的发挥，故而制动器是汽车安全行驶的重要保障，没有制动器
汽车就不能安全行驶。
客车用盘式制动器是一种应用十分广泛且成熟的制动方式，但是其制动性能无法实现在线动态监测，因而给客车的安全行驶带来了一定隐患。随着自动化技术的发展，可以借助于单片机构建在线动态检测系统，实现对盘式制动器制动性能的动态在线检测，从而为制动性能的评估提供基础数据。该课题的研究内容十分丰富，几乎囊括了机制专业、机电专业学生所学的全部专业课程知识，主要包括机械系统功能原理方案设计，以及机电一体化系统和测控单元的设计。
1.2论文研究的目的和意义
盘式制动闸的制动性主要取决于摩擦副的摩擦性能，这里摩擦副主要是由摩擦材料、对偶盘组成，其中摩擦材料和对偶盘之间的摩擦状况直接影响着制动器的性能。而现实中人们对盘式制动闸的制动性能在线检测的研究却比较少，根据目前制动闸使用的实际工作状况，利用微电子新技术，研制一种具有检测功能的制动闸装置，对制动闸进行监测，可以提高设备的安全可靠性，对实际工程应用有很重要的意义。特别是随着科学和社会的不断进步，对设备的要求也逐渐向自动化和人性化方向发展，要求使用的设备安全可靠、环保、节能，这样对制动系统也提出更高的要求。
该选题将机制专业学生所学的专业课程，如机械系统运动模型设计、传感检测电路设计、机电一体化、单片机测控系统等课程知识有机的融合在一起，同时动手实践要求较高，对于提高本科生的理论应用于实践的能力有帮助，因而适合本科生作为毕业设计的选题。
1.3论文在国内外研究的现状
该课题在国内外都取得了相当部分的研究成果。部分研究成果如下：
1．王永臣
陈刚
王磊
崔秀
在《单片机制动器自动调节系统》中给出单片机制动器自动调节系统的结构，阐明了它的工作原理和特点。系统采用根据流过电机电枢的电流控制电机启停的方法和多种抗干扰措施。其控制方案新颖，工作可靠，抗干扰能力较强。
2．庄光山
王成国
姚永强
王海庆在《制动盘对盘形制动摩擦性能的影响》中研究了惯性力矩制动试验台。对多种不同石墨形态的铸铁制动盘与混杂纤维增强酚醛基制动器片配副时的摩擦磨损性能进行了研究。结果表明：制动盘对盘形制动摩擦性能有明显影响。
3．程真启
高顶
张晓光
赵番在《矿井提升机制动器间隙监测仪的设计》中绍了基于Meal6单片机的矿井提升机器间隙监测设备的设计方法，通过对煤矿提升机器间隙和空动时间的测量，能够实现对盘形器的监测，解决了煤矿提升的安全隐患问题，满足了煤矿安全生产的需要。
4．贾福音
李志佳
王一宾
孙晋响
在《摩擦提升机滑绳安全可靠制动分析》中析了摩擦提升中绳滑动与绳静、动张力的关系。通过理论分析、参数分配提出了满足系统安全可靠制动的外力制动方式，此方式不仅可以解除滑绳事故，也可以保证制动器失灵状态下，对系统可靠制动。这套设备的研发成功，可有效控制滑绳事故的发生，为摩擦提升矿井安全高效生产提供保证。
5．陈磊
任中全
熊双辉在《矿井提升机盘式制动器空动时间测试装置设计》中针对矿井提升机盘式制动器空动时间偏长对矿井提升机事故的影响,依据《煤矿安全规程》对盘式器空动时间测试方法进行了研究,采用了继电器的工作原理设计了测试盘式器空动时间的测试装置,并使用虚拟仪器测试系统,通过Lab
VIEW编程语言程序对本测试装置进行了验证。
6．王宏德在《盘式制动器制动力矩下降原因分析与对策》中通过对盘式制动器制动力矩下降原因的分析,
提出了相应的防范对策,
取得了较好的效果。系统操作简单快捷,
能够实现真正的自动排料。可靠性进一步提高,
维护量大大减少,
整个系统控制完全数字化,
通过操作面板上的数码管显示及几个触摸按钮,
即可完成全部操作。
7．和田雄一等(日)在《新开发的制动器片和制动盘》中阐述新开发的耐磨耗制动器片和耐热裂纹制动盘的优良性能,
两者组合使用时,
经济效益颇佳。新开发的制动器片,
与各国采用的器片相比,
其耐磨性较佳,
对制动盘也没有破坏作用。NCM
制动盘耐热裂纹性好,
也有减低摩擦副器片磨耗的效果。新开发的制动器片与制动盘组合使用时,
对降低车辆维修成本具有很大的意义。
8.
XAVER
WIRTH〔德国〕在《制动器片提高了盘形制动器的性能》中介绍德国铁路公司的高速列车与早期列车的四个制动盘相比,
它在每根轴上只装两个制动盘,
使用一种改善了接触模式的先进制动片,
可以降低嗓声并使能全吸收能力提高了。
9.
庄光山
王成国
王海庆
姚永强在《混杂纤维增强制动器片的制动性能研究》中采用改性酚醛树脂为基体,
炭纤维与钢纤维、矿物纤维等混杂材料作为增强材料,
研制了适用于提速列车盘形制动的少金属制动器片。在惯性力矩试验台上对其制动性能进行了测试。试验结果表明,
该制动器片在各种规定试验条件下的摩擦性能均能满足最高运行速度为
120
km/
h~
160
km/
h
的提速列车的使用要求。
10.
赵建明
吴鹏在《半金属基提速客车盘形制动器片摩擦特性的研究》中介绍了一种适用于制造提速客车盘形制动器片的半金属基摩擦材料的摩擦磨损特性方法。试验表明研制的配方半金属摩擦材料具有稳定的摩擦系数和较好的耐磨性及其抗热衰退性。实物惯性台架试验结果表明,
研制的配方器片具有较高的摩擦系数,
制动距离较短,
制动性能稳定,
完全能满足提速客车运行的制动要求。
综上所述：
以上文献中作者从多个思路对盘式制动器的工作原理及条件有详细描述，多有从材料的角度来阐述车用盘式制动器的摩擦性能，但在检测动态性能方面少有阐述尤其未曾涉及传感器，A/D数模转换的内容，所以众论文只是提供了盘式制动器的感性认识和制动状态描述。
1.4论文课题主要工作内容和本研究要解决的问题
本课题主要解决以下问题：
(1)
传感器的选型设计与计算
(2)
盘式制动器制动性能模型研究
(3)
基于单片机的数据采集单元的设计，主要包括检测传感器的选型设计、A/D
转换设计、控制单元设计、通信设计等
(4)
制动系统软件程序设计
本研究能达到的预期效果如下：
1.制动性能模型研究
主要有施闸及松闸过程中闸瓦运动学分析和制动力矩分析，此分析建立了制动器的制动动力学模型，得到了制动性能参数之间的相互影响关系，为检测系统的设计提供基础性理论指导，可为传感器和检测系统的设计提供基础性数据。
2.检测系统总体设计
（硬件）主要有传感检测部分、数据采集部分和系统监控部分，传感器可以选用速度传感器，压力传感器、位移传感器，数据采集器主要采集模拟量，分为信号调理模块、A/D转换模块、单片机、串行通讯模块和电源。A/D转换主要考虑转换速度和精度；本系统选用的单片机要能够控制选择A/D转换芯片并读取A/D转换数据，同时还应有与上位工控机进行串行通信的功能。数据采集器采用12V供电，为了提高系统的可靠性，在系统的硬件、软件设计上都必须采取相应的抗干扰措施。
（软件）单片机系统软件：采集速度、压力，位移传感器输出的模拟信号，并实现单片机和工控机的串行通信；组成：主程序+中断程序
主程序是完成单片机系统初始化并采集传感器输出的信号；串行中断程序是完成单片机系统与工控机的串行通信。
2盘式制动闸制动模型分析
2.1制动系统的基本性能要求
盘式制动闸是车辆系统中的一个重要部件，它的主要作用是使车辆在出现故障或者在需要停止时，使车能在人们要求的时间内停止运动，也就是说需要把车的动能尽快转化为其他形式的能量，达到消耗动能的目的。它的工作机理是靠两个相对运动的表面相互摩擦时所产生的摩擦阻力来转化车动能的，将车的动能转化为热能，从而达到停车制动的目的。盘式制动器相对于鼓式制动器具有制动性能稳定(制动因数与摩擦系数成线性关系)，力矩容量大、只承受轴向力、结构紧凑、散热性好等突出的优点，所以在实际中被广泛应用。
近年来，随着人们对车辆的安全意识的提高、制动闸的安全可靠性能倍受重视，对制动闸的性能提出以下几点基本要求:(1)要有足够的制动力矩，这是保证安全制动可靠的基本条件。(2)摩擦副所产生的摩擦力矩要稳定，在受到外界条件的变化(速度、温度、湿度、驱动力等)的条件下，它的变化也要尽量小。(3)散热性好，避免摩擦表面温度过高。(4)工作中噪音低、对环境的污染小。(5)具有一定的耐磨性，要有一定的安全使用寿命。
(6)操作、维修简单方便。
2.2制动系统工作原理分析
盘式制动器又称为碟式制动器，其摩擦副中的旋转元件是以端面工作的金属圆盘，称为制动盘，用螺钉固定在车轮的轮毅上。盘式制动器分为钳盘式与全盘式，其中钳盘式分为固定钳式和浮动钳式，而浮动钳式又分为滑动钳式与摆动钳式。
通常制动器都是通过其固定元件对旋转元件施加逆向力矩，通过制动器摩擦副之间的相对滑动，把动能转化为热能由此达到摩擦减速制动的作用。盘式制动器摩擦副中的旋转元件是一个被安装在车轴的轮毅上，以端面为工作表面的金属圆盘，称作为制动盘。制动器的固定元件称作制动块，由两到四个工作面积大概为制动盘包角20°左右的的摩擦片镶嵌在一个质地较硬的金属背板上组成。内外制动块及其的助动装置都装在横跨制动盘两侧的一个安装在悬架上夹钳型支架中，总称为制动钳。当驾驶人员踩下制动踏板，与之相连的推杆于是会推动制动主油缸中的活塞前进，使得油缸中的液压升高，液压油在压力的作用下经过油管进入制动器油缸中，再把力传递到制动器油缸中的活塞上推动其法向移动，最后活塞接触到制动盘而产生制动力，并牢牢把制动盘加紧。
制动器结构如图图2-1
盘式制动器结构图
钳盘式制动器的制动钳既可以固定在车桥上，也可以浮动在悬架上，因此又可分为定钳盘式制动器和浮钳盘式制动器两类。如图所示为定钳和浮钳两类盘式制动器示意图。
图2-2
定钳盘式制动器
在定钳盘式制动器中，跨置在制动盘1上的制动钳体5固定安装在车桥6上，它不能旋转也不能沿制动盘轴线方向移动，其内的两个活塞2分别位于制动盘1的两侧。
图2-3
浮钳盘式制动器
在浮钳盘式制动器中，制动钳体2通过导向销6与车桥7相连，可以相对
于制动盘1轴向移动。制动钳体只在制动盘的内测设置油缸，而外测的制动块
则附装在钳体上。
盘式制动闸的工作原理是：施闸时，减小从控制油口输入的控制油压，当控制油压在活塞上的作用力小于碟型弹簧弹性恢复力时，碟形弹簧推动筒体向前运动，安装在筒体上的闸瓦压向制动盘进行制动。松闸时，增大从控制油口输入的控制油压，当控制油压在活塞上的作用力大于碟形弹簧弹性恢复力时，活塞通过连接轴带动筒体压缩碟形弹簧，闸瓦远离制动盘实现松闸。
盘式制动闸的制动力矩是靠闸瓦从两侧压向制动盘，使闸瓦与制动盘之间产生摩擦力而产生的。为了使制动盘不产生附加变形，滚筒主轴不承受附加轴向力，制动闸都是成对使用，每一对叫做一副盘式制动闸。根据制动力矩的大小，每辆客车可布置多副制动闸。
2.3
制动系统的结构分析
目前盘式制动闸包括老式的碟形弹簧后置式和新式的碟形弹簧前置式两种。图2-4（a）为碟形弹簧后置式制动闸结构图，图2-4（b）为碟形弹簧前置式制动闸结构图。
1、制动盘
2、衬板
3、活塞
4、制动器体
5、液压缸
6、碟形簧后盖
7、碟簧
8、后盖
9、连接螺栓
10、控制油口
11、筒体
12、闸瓦
(a)
碟形弹簧后置式制动闸结构图1、筒体(带衬板)
2、碟型弹簧
3、弹簧座
4、挡圈
5、油缸
6、泄漏油口
7、活塞
8、连接栓
9、后盖
10、液压缸盖
11、控制油口
12、制动器体
13、连接轴
14、压板
15、闸瓦
16、制动盘
(b)
碟形弹簧前置式制动闸结构图
图2-4
盘式制动闸结构图
盘式制动器摩擦副中的旋转元件是以端面工作的金属圆盘，轮缸的压力作用在制动钳上，使其压靠在制动盘的端面产生制动力矩。由于结构的关系，盘式制动器一般无摩擦助势作用，因此制动器效能受摩擦因素的影响较小，效能比较稳定。
制动器是制动系中用以产生阻碍车辆的运动或运动趋势的力的部件。除了竞赛汽车上才装设的、通过张开活动翼板以增加空气阻力的空气动力缓速装置以外，一般制动器都是通过其中的固定元件对旋转元件施加制动力矩，使后者的旋转角速度降低，同时依靠车轮与路面的附着作用，产生路面对车轮的制动力以使汽车减速。凡利用固定元件与旋转元件工作表面的摩擦而产生制动力矩的制动器，都称为摩擦制动器。盘式制动器的旋转元件为圆盘状的制动盘，以端面为工作表面。盘式制动器的摩擦副中的旋转元件是以端面工作的金属圆盘，此圆盘为制动盘。
2.4
制动过程模型分析
制动闸的制动过程，从能量的观点讲，可以把制动闸看成是一种能量转换装置，它在规定的时间内将运动物体的动能转化为热能或其它形式的能量，以实现减速、停车的目的。制动闸制动的可靠程度决定了车辆的安全可靠性。
2.4.1
制动过程分析
制动装置的作用在于使行驶中的车辆减速或者停车。一般的制动装置是以车辆的动能转化成热能来确保上述的制动力。车用的制动系统一般广泛的采用液压制动。驾驶员加在制动踏板上的力，通过踏板杠杆按一定的比例传给增力装置，增力装置由其它的能量将力增大后，传给制动主缸。制动主缸压力转换为液压，通过制动硬管、制动软管，传至车轮制动器的轮缸。车轮制动器由轮缸液压推动盘式制动器摩擦块或鼓式制动器的制动蹄压紧制动盘或制动鼓，使其之间产生摩擦力，即为制动器制动力。
如图2-4所示的盘式液压制动闸从结构上讲，这种制动器的制动是靠摩擦片和摩擦盘之间的摩擦力矩产生，摩擦片在工作中很容易磨损，而其中的摩擦片磨损程度检测现在是靠人工来完成，通过后盖上的测量孔对制动器进行定期检查。由于这种制动器制动力矩大，这些设备的工作环境恶劣，使人工检测不容易进行或容易产生误差，无法真实反映出摩擦材料的磨损情况，更不能反映出由于摩擦热而引起的破坏程度或潜在的热疲劳程度。
现在是凭借经验数据，规定摩擦片的使用时间，使用期限达到，不论实际的摩擦材料的磨损情况，一律更换以保证机器设备的安全性。这样的操作有两个缺陷:(1)会出现在摩擦材料仍然可以安全使用的情况下提前换掉，造成摩擦材料的浪费(2)还会出现由于某种原因没有及时更换、或者测量失误等，使摩擦片没有及时更换会出现不安全的潜在危险，所以对制动器的在线检测动态监测是很必要的。
2.4.2
制动过程建模
2.4.2.1
施闸及松闸过程中闸瓦运动学分析
1、碟形弹簧
2、活塞
3、闸瓦
4、制动盘
图2-5
盘式制动闸制动力学模型
以活塞为研究对象，活塞在运动过程中，根据质心运动定理得到：
为活塞有效作用面积；
为第个制动闸内碟形弹簧的正压力；
将式(2-6)、(2-7)代入式(2-5)得到制动力矩：以轴心为质点的力矩方程为:(2-13)
式中:
——车轮总成的转动惯量(kgm
2);
——车轮的旋转角速度(rad/s);
——制动器对车轮的制动力矩(Nm);
——车轮受到的滚动阻力矩(Nm)。
汽车制动时，由于路面对车轮的滚动阻力矩和汽车回转质量的惯性力矩都很小，可以忽略其影响。因此上式可简化为力矩平衡方程，
(2-14)
同时制动器的制动力矩必须满足
(2-15)
2.4.2.5
动力学模拟参数的计算
1.单轮的等效转动惯量
制动器的制动过程是把汽车的机械能转化为热能的过程，根据能量守恒定律可以确定制动器单轮的等效转动惯量:
2=
(2-16)
式中:——质量(kg);
——行驶速度(m/s);
——整体的等效转动惯量(kgm2);
——车轮的转动角速度(rad/s)。
制动过程中，假设车轮只有纯滚动，有
=
(2-17)
式中:
——车轮滚动半径(m)。
把公式(2-17)代入公式(2-16)=2
(2-18)
制动过程中汽车具有惯性，使得前后车轮承受了一个法向惯性力，惯性力促使汽车前后车轮的摩擦功、制动力矩及等效转动惯量都发生了改变。
2.车轮的角速度
根据制动开始时汽车的初始速度，可以得到
=
／（3.6）(2-19)
==
(2-20)
=-=-
(2-21)
其中:
——车轮的初始角速度(rad/s);
——汽车的初始速度(km/h)。
——车轮角减速度(rad/s
2);
——车轮的瞬态角速度(rad/s);
——时间。
2.5
本章小结
本章详细介绍了盘式制动闸的结构和工作原理，在此基础上总结了国内外在此方面的研究现状。建立了汽车制动闸的制动动力学模型，得到了制动性能参数之间的相互影响关系，为检测系统的设计提供基础性理论指导。阐述了制动闸需要满足的基本性能要求，介绍了各种不同类型制动闸的发展现状和应用场合;介绍了盘式制动闸的组成、工作原理和结构特点。分析了盘式制动闸存在的主要问题，指出研制制动闸摩擦在线检测系统的必要性。在线检测系统是现代设备的必然要求和发展趋势，它能有效的保障人身和设备安全、提高设备工作的可靠性和自动化程度，使得设备管理更加合理化、科学化。
3盘式制动闸制动性能检测系统总体方案
3.1总体方案
3.2
系统的主要功能与技术指标3.2.1
主要功能
1、对客车用制动系统盘形闸参数进行实时监测;
采用基于单片机开发的数据采集器采集制动力矩、闸间隙和制动减速度传感器输出的模拟量信号；
2、盘形闸工作间隙位置校准;
通过对串口接收检测数据的分析处理与融合，得到制动性能参数，对盘式制动闸制动性能进行评判；
3、静态数据断电后可以长期保存；
4、具有自恢复功能，可以避免干扰引起的系统“死机”现象。
根据现场的实际情况，面对所需要解决的实际问题，确定方案的原则:
1、系统适应持续工作;
2、准确实时测量;
3、可实现远距离观测和控制;
4、系统可靠性高;
5、具备较好的性价比。
基于以上原则设计出了系统方案，系统由两部分组成:上位机和下位机。上位机由计算机和通信接口组成，计算机安装有专门的监测软件，监测软件借用计算机的强大功能实现远程实时观测和控制，通信接口则完成通信电平的转换和数据通信。下位机则以微控制器为核心，辅以相关外围电路完成盘形闸工作参数实时监测，进行数据采集处理和通信。
3.2.2主要技术指标
1、工作间隙测量范围:0一3mm
2、测量误差:士10%
3、转换精度:<10%
4、测量周期:<400ms
5、电源电压:220V或127V
6、主机工作电压:+5V
7、环境温度:0一70℃
3.3
系统设计流程
检测技术也称测试技术，它包括测量和试验两方面。测量，就是把被测对象的某些特征信息提取出来，并加以度量;试验，就是通过某种人为的方法，利用专门的装置，把被测系统所存在的某种特征信息，激发出来并加以提取测量。微电子技术的发展，推动了检测技术的进步，使得仪器仪表不断地向智能化、数字化、小型化、多功能化方向发展。检测技术中的数据处理能力和在线检测、实时分析能力大大增强，仪器仪表的功能得以扩大，精度和可靠性有了很大的提高。
信息的提取一般采用传感器件来完成。传输信息的载体是信号，为了便于对被测信息进行后续处理，通常是将被测信息转换成电信号，也就是把被测信号转换成电压、电流或其它电路参数(电阻、电感、电容)等电信号输出。一般来讲信号的转换存储与传输需要中间转换装置来完成，通常是把信号转换成便于传输、功率足够大，并具有一定驱动功能的电压或者电流。
总的来讲，检测技术具有如下三种功能:
(1)过程中参数测量功能;
(2)过程中参数监测控制功能;
(3)测量数据分析判断功能。
检测系统由硬件和软件两大部分组成。首先要全面、正确、均衡地分配软、硬件功能，应当综合考虑系统要求、开发周期、产品成本、系统可靠性等多方面因素。增大硬件功能的比例可以提高速度，减少所需的存储容量，有利于检测和控制的实时性，但同时会增加成本，电路变得复杂，降低了可靠性，而且开发周期较长。而软件和硬件的合理分配既可增强仪器的功能，提高测量精度，又可使系统的结构更加简单和紧凑，节省投资。因此遵循的原则是既能实现功能指标，同时系统成本又最低。考虑到本系统具体情况，应尽量以软件代替硬件来实现功能，降低成本，同时力求电路简单，工作可靠。
本系统基于上述原则分配软硬件功能：硬件主要功能是从现场获取被测信号，完成数据的采集、处理、显示、存储以及通讯。软件由2部分构成：单片机系统软件，用于完成信号采集和传输；计算机智能分析软件，完成程序界面的开发，进行进一步分析处理并完成显示、存储、报表生成与打印等工作。
总体方案确定之后，系统软、硬件设计工作可以同时进行。硬件和软件只有紧密配合，协调一致，才能组成高性能的智能检测系统。在系统的研制过程中，软硬件的功能总是不断地调整，以便相互适应，相互配合，达到最佳的性价比。
首先，根据设计方案进行相关资料文献的检索，确定芯片选型、选择功能扩展电路、接口电路的方案，完成硬件电路原理图。再次，在完成硬件部分设计的同时，应进行单片机、计算机智能分析软件模块的开发和编程。在确定电路原理和硬件均无重大问题的情况下，对已设计的系统软件分模块逐一进行调试，如有问题，及时修改，然后完成单片机系统程序的录入。最后，集成各部分子系统，构建整个系统，使其能够满足现场应用要求。
3.4
本章小结
本章根据盘式制动闸制动性能检测系统所要实现的功能，对系统进行整体设计：整个系统由传感检测部分、数据采集部分和系统监控部分组成；采用两级分布式结构，工控机作为上位机、数据采集器作为下位机；工控机和数据采集器之间采用多机主从串行通信方式。同时，本章对系统的设计流程也进行了详细阐述。
4
检测系统硬件设计
本章根据检测系统的功能要求进行系统硬件设计。为了直接测量制动力矩和快速可靠地检测出闸间隙，结合盘式制动闸结构特点和现场应用要求设计了制动压力传感器和霍尔位移传感器。本章对传感器设计和选型、数据采集器的设计以及和工控机选型作了详细介绍。
4.1
单片机的选择
单片机是整个检测系统的核心元件，负责对检测信号进行数据处理、显示、存储和报警功能。单片机的选用原则是在满足测试系统要求的条件下，需要具有一定的灵活性和一定的扩展功能。
单片机AT89C52是ATMEL公司生产的一种低电压，高性能8位单片机，片内含有8k
bytes的可反复擦写的只读程序存储闸((EPROM)和256
bytes的随机数据存储(RAM)，它采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理闸和可擦写的Flash存储单元，AT89C51单片机应用于许多控制系统场合。
单片机AT89C52主要性能参数:
①
8K字节可编程闪速程序存储闸，1000次擦写周期，数据可以保留10年;②全静态工作:0MHz
——24MHz;③三级加密程序存储闸，256x8位内部RAM;⑤
32条可编程的v0口线;⑥3个16位定时闸/计数闸;⑦8个中断源;⑧可编程串行UART通道;⑨低功耗空闲和掉电模式;
单片机AT89C52优点是:
①内部包含存储闸，在系统开发过程中能很容易地进行程序的修改，可大大缩短产品开发周期。同时在外界电源损坏的情况下，仍能保存信息。
②
AT89C52内部采用了FLASH存储闸，在编程出现错误时可以随时修改，直到修改正确为止，方便用户编程。
③用AT89C52设计的系统，可以反复进行系统试验、调试，每次调试可以编入不同的程序，这样可以保证系统的设计达到最优，而且可以按照用户的需要随时进行修改，使设计的系统能适应用户的最新要求。
④AT89C52设有静态逻辑，可以在零频率条件下工作，支持两种软件可选的省电模式。在闲置模式下，CPU停止工作，但片内RAM、定时闸/计数闸、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡闸，禁止所有其它片内控制单元功能，直到下一次硬件复位为止。
本系统以AT89C52为核心，完成检测存储功能。系统上电后，AT89C52首先要对相关的外围器件进行初始化设置和自身功能设定，然后循环检测各路传感器信号，储存数据传送上位机。
4.2
传感器的选择
传感器是连接被测对象和检测系统的接口，它采集的信息是系统进行处理和判断的依据，在很大程度上影响和决定了系统功能的准确性。
传感器是作为一种把输入的非电量(物理量、化学量、生物量等)信息转换成电量信号输出的器件或装置，其构成核心是能把非电量信息转换电信号的转换元件。这种转换功能，对物性型传感器可一次完成，实现“被测非电量一有用电量”的直接转换;而结构型传感器必须通过前置敏感元件预转换后才能完成，即实现
“被测非电量一有用非电量一有用电量”的间接转换。此时，传感器就由敏感元件、转换元件和其他辅助元件组成。
对于不同的检测量，要根据被检测量的特征及其在试验过程中的变化情况来选用符合实际情况的传感器。以单片机为信息处理核心的检测系统具有较强的功能，能够实现检测信号的显示，具有数据处理和判断功能。
通过本检测系统的研制，可以对制动系统进行检测，通过测试的数据，可以对系统进行分析，同时可以实现实时对系统的状态进行判断和故障诊断。总之，通过对制动系统的实时在线检测，可以及时发现故障苗头，使问题刚开始出现时就能得到及时解决，对事故的发生和扩大将起到有效的预防作用。
1.利用电阻测量的传感器有:电阻应变式传感器和电位器式。
1)电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。压电式位移传感器，由于压电元件的特性，它只能用于不断变化的位移测量;应变片式传感器，用于由力或热产生的变形的测量。
2)电位器式是利用移动电位器触点改变电阻值，来测量位移。电位器式传感器可用于中、小位移(几十毫米内的位移量)，用于精度要求不高的场合。优点是结构简单、成本低。
2.利用电感的位移传感器有:自感式、互感式、电涡流式、感应同步器。
1)自感式的是通过改变磁路磁阻使线圈自感变化，利用线圈自感的改变来实现非电量与电量的转换。目前常用的有三种类型:变气隙型、变面积型、螺管插铁型。其基本结构含线圈、铁芯、活动衔铁等三个部分。电感式传感器主要用于小位移量的测量，测量精度高，用于小偏差测量可达亚微米精度。传感器输出阻抗小，有较强抗干扰能力。广泛用于各种测量，包括加工中的测量，它能用于几至几百赫兹变化量的测量。
2)互感式(变压闸式)是通过改变互感来检测，互感式传感器又称变压器式传感
器，它与电感式传感器不同在于互感式传感器是先把被测量的变化转换成线圈相互的互感的变化，再经变换成为电压信号输出。变压闸式传感器以差动形式为最常用，差动变压闸式传感器又简称差动变压器。变压器式传感器的特点与应用范围大致与电感式传感器相同，但高精度场合以用电感传感器为多。
3)电涡流式传感器是利用电涡流现象改变线圈自感、阻抗的原理，电涡流式传感器的基本结构包括探头和变换器两部分。变换器由测量电路组成，探头主要是由一个固定在框架上的扁平线圈组成，一般放在端部(线圈可绕制在框架槽内，也可用粘合剂粘结在端部)。它主要用于尺寸和位移参数的测量，可用于不接触测量，精度可达微米级。电涡电流式分辨率好，但易受被测物体材料、形状、加工质量影响。
4)感应同步器是利用两个平面绕组的互感随位置不同而发生变化的原理来测量，感应同步器主要用于大线位移的测量，可测量长达几米的线位移的测量，它的输出阻抗低，抗干扰能力强，对环境要求不高。
3.磁电式传感器是通过磁电作用将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。利用磁电效应的位移传感器有:霍尔式、磁栅式、磁敏式。
1)霍尔式传感器是利用半导体霍尔元件的霍尔效应;
2)磁栅式传感器的是利用磁头和磁栅相对移动，从而在磁头上感应出电信号，此类传感器属于数字式传感器的一种，与另外一种数字式传感器一感应同步器的特点及使用范围相似，其精度略低于感应同步器。磁栅式传感器用于大线位移与360度内角位移的测量。
3)磁敏式传感器是以固体中的磁电转换效应为基础，因为载流半导体在磁场中有磁电效应(霍尔效应)而输出电势，该类传感器主要有磁阻传感器、磁敏二极管和磁敏三极管等。
4.利用电容的传感器有:电容式、容栅式
1)电容式传感器是通过改变电容量来进行测量，电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器，它具有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容式传感器主要用于小位移、尺寸偏差等的测量，可实现不接触测量，频率响应高(可达数千赫)，灵敏度高。它输出阻抗高，传感器电容值小，易受外界环境因素干扰，使用时需采取妥善屏蔽措施，在采取可靠屏蔽措施条件下可达很高精度(可达微米至几十纳米)。
2)容栅式传感器是利用通过改变电容量或加以激励电压来产生感应电势的原理来测量，利用容栅可实现大位移测量(量程达数百毫米)。容栅结构简单、尺寸小(与栅等相比)，常用于数显量具中，精度可达几微米。
5.光电式传感器有:一般形式、光纤式、光学编码器式、光栅式
1)一般形式是先通过改变光路的光通量，再利用各种光电器件的光电效应将信号转换成电信号的一种传感器。
2)光栅式传感器，先利用光栅形成的莫尔条纹和位移之间的关系，再利用各种光电器件的光电效应将光信号转换成电信号的一种传感器。光栅式传感器用于大线位移的测量。
3)光纤式传感器，利用光导纤维的传输特性或材料的效应或传光，再用各种光电器件的光电效应将光信号转换成电信号。
4)激光干涉传感器、多普勒效应、衍射及光电器件来测量，激光干涉传感器主要用于大量程、高精度的测量，每米可达0.1-0.2微米。
本系统通过压力传感器和位移传感器接收检测部位的信息，经过A/D模数转换输入到单片机中，在单片机中对检测信号进行数据处理，然后传给上位机。
位移传感器，本系统采用电涡流传感器，它由探头，延伸电缆，前置器及被测体构成基本工作系统图。图4-1
电涡流传感器系统图
前置器中的高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失;当有被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位发生改变(线圈的有效阻抗)，这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项相同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率σ磁导率ζ尺寸因子τ头部体线圈与金属导体表面距离D，电流强度I及频率ω参数来描述，则线圈特征阻抗可用Z=F（τ，ζ，σ，D，I，ω）函数来表示。通常我们能做到控制τ，ζ，σ，I，ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然其整个函数为非线性的，其函数特性为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段，通过前置器的电子线路处理，将线圈阻抗Z的变化转化为电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移，震动等参数的测量。其工作过程是，当被测金属与探头之间的距离发生变化时。则探头中线圈的Q值发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压(电流)变化。最终完成机械位移(间隙)转换成电压(电流)。
本系统选择位移传感器的型号为:CZF∕BZF系列电涡流位移传感器
它的技术参数为:
1)线性范围:0-6
(mm)
2)线性误差:0.6%-3.0%
3)探头外径:18
(mm)
4)信号输出:4-20mA.
5)工作温度:传感闸:<100°C，前置闸<65°C
6)工作电源:正负24VDC
产品优点:非接触电涡流式位移传感器，具有非接触测量、线性范围宽、灵敏度高、抗干扰能力强、无介质影响、稳定可靠、易于处理等优点。
压力传感器作用是检测制动压力的大小。在设计中选用KYC01型绝压/压力传感器，最小量程范围:0一200kPa;最大量程范围:0一700kPa;压力传感器采用12V供电，满量程输出为20mV，由于需要的制动力比较小，故在设定时的量程范围为0一0.6MPa，即当压力的值为0.6MPa时，输出为20mV。压力传感器的尺寸外形如图所示。图4-2
压力传感器外形图
由于传感器输出的电压幅值在0-20mv之间，信号立即使用，需要对信号进行放大处理。制动压力传感器的输出口有3个，分别是地线，直流电压和输出线。在设计的放大电路中输入口也与压力传感器对应。由于传感器输出的信号较弱，往往包含有工频，静电和电磁耦合等共模干扰，这就需要放大电路需要很高的共模抑制比以及高增益，低噪声和高输入阻抗，电路结构图如下所示。图4-3
压力传感电路
转速传感器的选择,选用光电式传感器测转速。这种传感器把旋转轴的转速变为相应频率的脉冲，然后用测量电路测出频率，由频率值就可以知道所测转速值。这种测速方法具有传感器结构简单，可靠，测量精度高的特点，是目前常用的一种测量转速的方法，如图4-4所示，它由测速齿盘1，光源2，光敏元件3组成。从光源发出的光通过测速齿盘上的齿槽射到光电元件上，使光电元件感光。测速齿盘上有30个齿槽，当测速齿盘旋转一周，光敏元件就能感受到与开孔数相等次数的光次数，因此产生相应数量的电脉冲信号。图4-4
转速测量原理
4.3
信号调理电路设计
信号调理电路的主要功能是将制动压力传感器输出的0~20mv的信号调理放大为0~5V的标准电压信号，放大电路的增益放大倍数为250。同时，放大电路的设计还要考虑传感器输出的电特性。由于制动压力传感器输出的信号是从高共模电压中检测出的微弱差分电压信号，要求放大电路具有高的输入阻抗和共模抑制比。为此放大器采用由三个运算放大器构成的二级运放电路，放大电路原理图如图4-5所示。
U1和U2构成第一级差动放大电路，该电路的放大倍数为，由U3构成的第二级放大电路的放大倍数为，整个放大电路的放大倍数为。以此确定的电阻元件的大小为，，，，放大电路的增益为250，该电路的输入阻抗高达几十兆欧，共模抑制比高达160dB，满足制动压力传感器的信号放大要求。图4-5
制动压力传感器信号放大电路
4.4
A/D转换器选择
由于单片机不能处理模拟信号，所以需要A/D转换器来将模拟信号转换为数字信号后再进行处理。选择A/D转换器时主要考虑以下两个因素:①转换速度，它反映了数据的转换时间。ADC型号不同，转换速度有很大差别。②转换精度，ADC的转换精度取决于模拟误差和数字误差。模拟误差是由比较器解码网络中电阻值以及基准电压波动等引起的误差。数字误差主要包括丢失码误差和量化误差，前者属于非固定误差，与器件的制造质量有关系，后者与输出数字量的位数有关，位数越多，误差越小。ADC0809是TI公司生产的12位串行模数转换器，运用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。开关电容的设计可以使它在整个温度范围内有较小的转换误差。除了高速的转换器和通用的控制能力外，本器件还有一个片内的多路器可以在多个输入通道内部自测试电压中任意选择一个。这种形式的通道速度较慢，但硬件开销少，对转换速度要求不高的系统比较合适。由于是串行输结构，能够节省单片机的I/O资源，且价格适中，分辨率较高。
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片
1．
主要特性
1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。
2）具有转换起停控制端。
3）转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs（时钟为500kHz时）
4）单个+5V电源供电
5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准
6）工作温度范围为-40～+85摄氏度
7）低功耗，约15mW
2．内部结构
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。图4-6
ADC0809内部结构和外部特性
3．外部特性（引脚功能）
IN0～IN7：8路模拟量输入端
2-1～2-8：8位数字量输出端
ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路
ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效
START：A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）
EOC：A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）
OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量
CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ
REF（+）、REF（-）：基准电压
Vcc：电源，单一+5V
GND：地
ADC0809的工作过程
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动
A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
转换数据的传送
A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。
（1）定时传送方式
对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。
（2）查询方式
A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。
（3）中断方式
把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。
不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。图4-7
AD模块接线图
4.5
电源设计
检测装置能否稳定、可靠的工作，稳定的供电电源设计是非常重要的。数据采集器采用12V供电。从前面的电路设计可知，单片机工作电压为5V，位移、制动压力和油压传感器工作电压为5V，同时还要提供精密稳定电源5V给A/D转换作为参考电压。
因此，需要设计一个稳定的电源电路供给不同的器件不同的电压值，以满足其工作需要。
集成稳压块7805的作用为把非稳定的12V直流电压变换成稳定的5V直流电压，仅有输入端、输出端和公共端，在芯片内部设有过流、过热保护以及调整管安全保护电路，使用简便，具有保护功能好、安全可靠、输出稳定度高等特点。在使用时需在其输入端和输出端与公共端之间各并联一个电容C1和C2，C1用以抵销输入端较长接线的电感效应，防止产生自激振荡；C2是防止在瞬时增减负载电流时引起输出电压有较大的波动。为了提高电路的抗干扰性能，在VCC与电源地之间安放一个去耦电容以消除来自电源的高次谐波干扰。同时在VCC与电源地之间接入发光二极管，以指示电源的状态。
图4-8
电源模块
4.6
串行通讯电路
由于单片机输出为TTL电平，实现RS-485通讯时首先需要将TTL电平转换为RS-485标准电平，才能有效地进行数据传输。选用MAX1487电平双向转换芯片，可实现半双工RS-485通讯方式。
MAX1487的输入引脚DI直接与单片机TXD引脚相连，输出引脚RO与单片机RXD引脚相连，MAX1487内部的驱动器与接收器是三态的，通过驱动器输出高电平使能端DE和接收器低电平使能端RE进行发送与接收，发送与接收的两种控制信号是反相的，可将二者接同一控制信号(在本系统中接ENI)，即“1”电平控制发送，“0”电平控制接收，可严格保证收发信号在时间上错开。A、B端接信号传输线，实现多机联网。具体接线图如图4-9所示。图4-9
通讯模块RS-485接口设计时还应考虑以下两点：
（1）故障保护
根据RS-485标准规定，接收器的灵敏度为±200mV，即接收端的差分电压(Ua-Ub)≥+200mV时，接收器输出逻辑“1”；(Ua-Ub)≤-200mV时，输出逻辑“0”；介于±200mV之间时，接收器输出为不确定状态。在总线空闲即传输线上所有节点都为接收状态和传输线开路或短路故障时，接收器可能输出高电平也可能输出低电平。如果其输出低电平，就会使串行接收器(UART)找不到起始位，从而引起通信异常。
因此在设计时需要在总线上加偏置电阻，当总线空闲或开路时，将总线偏置在一个确定的状态。具体设计为将A上拉到VCC，B下拉到地，电阻的具体参数选择随电缆的电容变化而变化，本设计中选用100K。
（2）防雷击和抗静电放电冲击
RS-485接收器差分输入端对“地”的共模电压允许在-7V到+l2V之间，若超过此范围，器件可能损坏。使用时，雷电在传输线上产生电压瞬变可能会引起过压、过流，从而损坏器件。同时，RS-485接口芯片在使用、焊接或设备的运输中可能会受到静电的冲击而损坏。因此设计时需要考虑防雷电和抗静电放电冲击问题。
MAX1487本身带有抗静电放电冲击功能，设计时还可以采用外加钳位电路的方法。如图4-22所示，采用稳压管D1和D2构成钳位电路，瞬变电压信号被钳位，不能通过接口电路进入下位机，故能显著提高器件工作的可靠性和抗静电放电冲击的能力。
4.7
硬件抗干扰设计
由于盘式制动闸制动性能检测装置不可避免地存在内部及外部干扰，它们直接影响信号获取的质量以及系统的正常工作。因此，为了提高系统的可靠性，在系统的硬件、软件设计上都必须采取相应的抗干扰措施。本文所采取的硬件抗干扰措施如下：
（1）在元器件的布局方面，把相互有关的元件尽量集中放置，例如，时钟芯片、晶振、
CPU的时钟输入端都易产生噪声，因此它们位置比较靠近。
（2）在关键元件的电源入口处设置了去耦电容，以消除来自电源的高次谐波干扰。实际印制的电路板走线、引脚连线和接线等都有可能含有较大的电感效应。大的电感可能会在VCC走线上引起严重的开关噪声尖峰，本系统对此的解决方法就是在VCC与电源地之间安放一个去耦电容。
（3）系统输入信号线采用双绞屏蔽线以阻止耦合干扰的侵入。
（4）电路板的设计除了需要满足设计要求外，还必须满足以下设计规范，从而使得电路的性能得到保障，消除电路布线带来的信号噪声和不稳定的影响：
地线的布局决定了电路板的抗干扰能力，因此一方面必须保证接地点正确，另一方面必须保证接地牢靠。前者用来防止系统各部分之间的串扰，后者可以使各接地点处于零阻抗，以防止接地线上的电压降。本系统设计印制电路板时，将模拟地和数字地分开，采用一点接地和就近接地，将其地线构成闭环形式以提高电路的抗干扰能力；另外，如果地线较细，地线电阻会比较大，造成接地电位随电流变化而变化，致使信号电平不稳，因此本系统在布线空间允许的情况下，使地线尽量粗；为了改善接地点问题，本系统设计时使地线面积尽量宽，并使用了大面积敷铜。在布线工作的最后，用地线将电路板的底层没有走线的地方铺满，有助于增强电路的抗干扰能力。
4.8
本章小结
本章通过对制动系统检测要求的分析，建立了测控系统的模块与整合，对电路的各个模块进行部件的选型与设计，主电路分电源模块，单片机模块，信号调理模块，通讯模块，AD转化模块，为下一章的软件设计提供基础。
5
检测系统软件设计
检测系统软件开发是在硬件设计的基础上进行的，其主要作用是在现有硬件平台上尽可能完善系统功能，充分发挥硬件的潜力，满足设计功能要求，提高实用性和可靠性。良好的软件开发是实现系统功能的重要环节，也是提高系统性能的关键所在。它们主要实现如下功能：
（1）单片机系统软件：采集位移、压力、转速传感器输出的模拟信号，并实现单片机和工控机的串行通信；
（2）工控机智能分析软件：提供友好的人机交互界面，实现工控机和多个数据采集器的多机串行通讯，读取它们采集的数据，并对数据进行分析、处理、融合、显示、存储和打印；对盘式制动闸制动性能进行智能分析与评价。
在本系统软件的开发过程中必须遵循的原则是：
（1）模块化、规范化设计，为方便软件的维护、更改和升级，将系统软件划分成若干个具有单一功能的独立模块。由于各模块间相对独立，从而提高了系统的可靠性和易维护性；
（2）优化界面设计，为方便用户使用，软件开发时尽可能使界面简单实用；
（3）使用编制、修改、调试、运行和升级方便的可视化编程语言。
5.1
单片机系统软件开发
单片机软件开发主要完成传感器信号的采集和工控机串行通信。数据采集器软件流程图如图5-1所示。单片机软件采用主程序加串行中断的程序结构。主程序的主要功能是完成单片机系统初始化并循环采集传感器输出的信号；串行中断程序的功能是完成单片机系统与工控机的串行通信。采用这种程序结构的原因是，工控机与单片机采用主从轮询通信方式，单片机不知道工控机何时读取自身数据，采用中断方式避免了程序中无效的等待，使得主程序不断采集和更新传感器输出的信号，保证了工控机读取数据是传感器的最新状态。图5-1
数据采集器程序流程图
5.2
数据采集模块
数据采集模块的功能由单片机实现，按照数据流动的方向可以分为三个方面：传感器通道选择；启动A/D转换；将转化后数据读入单片机。根据多路开关与单片机接口电路，要使芯片CD4051工作，必须复位PC3端口，具体选通的通道由PC0~PC2端口状态决定，PC0~PC2的8种端口状态对应CD4051的8个输入通道。
A/D芯片上电后，需要一个初始化操作以使得芯片能够正常工作。
单片机对A/D芯片的控制及读取A/D转换结果是通过SPI口实现的。SPI(Serial
Peripheral
Interface——串行外设接口)，只需4根控制线就可扩展具有SPI接口的控件，具有通信简单实用，控制方便，通信速率快的优点。单片机的SPI通信是通过SPCR(控制寄存器)、SPSR(状态寄存器)和SPDR(数据寄存器)三个寄存器实现的。其中，SPCR(控制寄存器)可以设置SPI口工作时中断、工作模式和时钟频率等，是SPI通信中最重要的寄存器。在本设计中，设置为0B01110000，具体意义是：采用查询方式发送数据，发送数据高位在前，单片机SPI口为主机模式0，工作频率为四分之一单片机晶振频率。
单片机对A/D芯片的初始化和采样程序如下：
void??Init_ADC(?)//初始化程序
?{
CS3545_A?=?0;?
CS3545_A?=?0;
//这里是把拉低2us，ADC初始化把拉低至少1个SCLK时钟
CS3545_A?=?1;
?}
?void????Sample_
ADC
(?)
//采样程序
?{
uint8
k;
EA?=?0;
EA?=?1;
CS3545_A?=?0;?
SPIDAT?=?0x77;??
//写SPIDAT产生SCLK时钟
while?(!ISPI);?datah?=?SPIDAT;?
//收ADC发出的前8位，第一个字节SPIDAT?=?0x77;
while?(!ISPI);
????????datal?=?SPIDAT;
//收后8位，第二个字节??
SPIDAT?=?0x77;?
//继续给SCLK时钟，直到24thSCLK之后释放cs
do?{
k?=?0;
}while(k);????
//拖延时间，让ADC的在24个SCLK周期后才得以释放
dUw0?=?((datah<<8)?+?(datal&0xfc));
?
CS3545_A?=?1；
?}
5.3
串行通讯模块
本系统可将工控机看作主机，数据采集器作为从机，主机与从机之间采用RS-485总线型网络进行通信。本文设计的串行通信选用RS-485半双工工作模式，工控机和数据采集器分时使用传输线，即在每一时刻只能有一个串行口的发送器输出处于有效状态，否则会出现多个发送器的信号竞争,导致无法实现正确的数值通信。由于RS-485协议只提供电气与机械规范，必须设计工控机与多个数据采集器之间的通信协议。工控机只需读取数据采集器的数据，无需写入数据以对数据采集器进行控制，所以本文设计的通信协议如下：工控机在总线上广播要读取的数据采集器的地址，数据采集器执行串口中断，接收广播的地址并进行匹配检验，若地址匹配，则将自身地址以及采集的数据发送给工控机，工控机接收后，进行地址匹配检验，若地址匹配则保存数据，否则丢掉数据，再次发送该数据采集器地址，为防止系统出错造成
“死锁”，规定连续3次接收不到正确数据，进行报错处理，然后再广播下一个数据采集器地址以实现对数据采集器的轮询读取数据。
通讯前需对串口进行初始化。初始化串口包括串口工作模式和波特率设置，通过SCON和PCON的设置来实现的。本系统中设计串口工作模式1，波特率38400bps，设定SCON、PCON分别为#50H和#00H。由于工作模式1的波特率由定时器控制，为此采用定时器1作为波特率发生器。设定定时器的模式控制字TMOD为#21H，定时器1的TH1和TL1都是#0FDH。数据采集器的串行口初始化和中断子程序的代码如下：
初始化程序：
MOV
SCON,#50H;设置成串口1方式
MOV
PCON,#00HMOV
TMOD,#21H
;波特率发生器T1工作在模式2上
MOV
TH1,#0FDH;T1初始化，设定波特率为38400
MOV
TL1,
#0FDH
SETB
TR1
;启动波特率发生器
SETB
EA
SETB
ES
;允许串口中断
串行中断子程序：
SSERVER:
MOV
34H,
A;保护现场
CLR
ES
JNB
RI,
KZHD
CLR
RI
MOV
A,
SBUFCJNE
A,
#02H,
KZHD
;若地址不匹配，开串口中断并中断返回
MOV
SBUF,
#02H;若匹配，发送自身地址JNB
TI,
$
CLR
TI
MOV
R1,
#40H
;发送采集的数据
MOV
R4,
#16
JIXU:
MOV
SBUF,
@R1JNB
TI,
$CLR
TIINC
R1DJNZ
R4,
JIXUMOV
R1,
#40H
;将采集数据存储区清零
MOV
R4,
#16
QL:
MOV
@R1,
#00INC
R1DJNZ
R4,
QL
KZHD:SETB
ES;开中断
FANHUI:
MOV
A,
34H
;还原现场RETI
;中断返回
5.4
工控机智能分析软件开发
工控机作为整个系统的上位机部分，其分析软件主要用于将数据汇总，分析处理及融合以得到盘式制动闸的制动性能参数，提供给用户便于操作和控制的友好界面，同时绘制数据历史曲线、分析数据并存储。开发的软件应满足以下要求：
（1）用户界面友好：所有操作都可以通过鼠标点击完成，数据的输入输出除用表格形式外，还需采用曲线形式，使表达更为直观。
（2）具备智能分析功能：根据对数据的分析，能完成制动力矩和制动减速度的计算，并具有历史数据和故障查询功能。
（3）软件扩展能力强：在该软件的基础上进行二次开发，就可实现对提升机的整个后备保护功能。
（4）软件可靠性高：设计的软件应该能够捕捉错误陷阱，并具有错误处理能力，使得其在使用过程中有高度的可靠性。
软件开发需要有合适的开发工具。文本式编程语言灵活，但生成图形用户接口比较麻烦，而图形化编程语言可以设计出美观的人机界面，但灵活性又不足。针对这一情况，本系统应用软件选用文本式可视化编程语言Visual
Basic
6.0，利用这种语言开发的数据采集系统具有开发周期短、界面友好、使用方便及易移植等优点。
VB语言是一种事件驱动、面向对象的程序设计语言，提供集成性及可视化用户界面，具有强大的数据库开发功能，能够轻松的扩展、编程灵活。VB语言可缩短仪器仪表的开发周期，扩展功能，提高精确度，缩小体积，降低成本，从而达到智能化、微型化和多功能的目的。其特点如下：
（1）功能扩展方便，采用VB语言进行编程，可缩短开发周期，方便扩展功能，改变仪器功能单一的缺点。如需增加系统功能或项目，在不增加仪器成本的条件下，只需对软件程序作些调整，相应的增加VB控件及其程序，而不必做较大的改动。
（2）编程效率高，具有可视化的特点，即“所见即所得”，编程中只需拖动鼠标，即可创建诸如命令按键、开关，定时器等图形，与其他高级语言如C语言等相比，具有编程效率高，功能强，程序便于阅读，直观，界面友好等特点。
（3）对串行接口及外部事件处理功能强，VB语言与其它高级语言相比另一优势是VB提供了串行接口组件和外部事件处理等功能，可方便的与下位机进行通讯。
（4）强大的数据库访问能力，Visual
Basic
提供丰富的数据库功能，将数据控件绑定到不同类型的数据源，即可建立与数据库的连接。
基于以上特点，本系统软件利用VB语言实现对串口数据的采集、记录、界面绘制和显示功能。
5.5
用户界面模块
良好的系统界面和用户操作环境，使操作和繁琐的数据处理变得直观、快捷。本系统软件所有操作均利用按钮和下拉式菜单进行驱动和控制，简单易学，操作方便，而且在
Windows程序管理器下产生运行文件程序组和形象的图标，用鼠标双击图标即可运行应用程序。
图5-2
用户界面操作流程图
工控机系统启动后，启动盘式制动闸制动性能智能检测系统软件，就进入主监控界面，如图5-2。根据现场实际情况，闸瓦监控界面可根据盘式制动闸个数自行调整，每副闸都有闸瓦间隙、贴闸压力、空动时间等3个性能参数，界面中间显示总制动力矩。
在监控界面中，界面上方的下拉式菜单包含文件、界面切换、历史查询和功能键四个选项，可执行以下功能：
（1）文件菜单：
退出：退出监控系统，只有在停车时，才能退出。
（2）界面切换菜单：
在速度监控界面和闸瓦监控界面之间切换。
闸瓦监控界面：本系统运行的主界面。
（3）历史查询菜单：
故障查询：查询盘式制动闸的故障记录和制动闸瓦的磨损量。
（4）功能键菜单：
启动/停止监控：只有在制动停机状态下，才能启动或停止。
参数设定：系统初次安装后，对制动器参数、位移值、闸瓦磨损量和高速计数脉冲等参数进行初始化设定。
报警使能：报警使能后，当出现故障时，才能输出信号。
5.6
数据管理模块
数据管理模块是串行通讯、显示分析模块的基础，是整个系统的核心部分。工控机要完成对采集数据的存储和历史记录查询的功能，就必须建立一个数据库来管理这些数据。数据库把大量的数据按一定的模式组织起来，使系统可以方便、及时准确地与数据库交换信息。当通讯模块接收下位机系统发送的数据后，数据管理模块就把这些数据存入相应的数据库中。当其他模块需要使用这些数据时，就通过本模块打开所需的数据库，进行相应的查询、统计、分析和打印等操作。
本系统通过VB中的ADO数据控件访问Microsoft
Access
数据库，以Microsoft
Access数据库中表的形式存储各种数据，结合SQL查询语句实现数据的存储、查询、统计、打印和图形分析等功能。
Visual
Basic提供了强有力的数据库访问功能，可用的数据访问接口有三种：ActiveX数据对象ADO(ActiveX
Data
Objects)、远程数据访问对象RDO(Remote
Access
Objects)和数据访问对象DAO(Data
Access
Objects)。ADO是DAO和RDO相结合的产物，易于使用、速度快、内存支出少和占用磁盘空间较少。它是以ActiveX
Server库的形式提供的，包含了较少的对象、更多的属性、方法和事件。
ADO对象模型定义了一个可编程的分层对象集合，主要由三个对象成员Connection、Command和Recordset以及集合对象Errors、Parameters和Fields等所组成。Connection对象的主要功能是建立与数据库的连接；Command对象的主要功能是向数据库传送数据查询的命令；Recordset对象的主要功能是建立数据查询的记录集，可以浏览、增加、修改、删除记录。
本系统中利用ADO对象编程访问数据库的具体使用方法如下：
首先，在Access中建立名为Datamb.mdb的数据库，表中存储了制动压力、闸间隙、油压、运行速度和安全回路状态，以及相应的数据采集的时间。
其次，通过引用ADO对象建立数据库中的表与数据源的连接：
Ado1.ConnectionString＝"Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0;
Data
Source="
&
DataPath.Text
&
";
Persist
Security
Info=False"
Ado1.CommandType
=
adCmdTable
Ado1.RecordSource
=
"datamb"
再次，对数据表进行操作，包括更新和清空：
Ado1.Refresh
If
Ado1.Recordset.RecordCount
>
0
Then
Ado1.Recordset.MoveFirst
While
Not
Ado1.Recordset.EOF
Ado1.Recordset.DeleteAdo1.Recordset.MoveNext
Wend
End
If
最后，对数据记录进行操作，包括增加、修改、删除记录，以下是增加新记录的程序代码：
With
Ado1.Recordset
.AddNew’新增加一条记录
.Fields(1).Value
=
Date
’数据采集日期
.Fields(2).Value
=
Time
’数据采集时间
For
i=3
to
54.Fields(i).Value
=
DataCom(i-2)
’将采集到的数据值赋给相应的字段
Next
i
.MoveNext
End
with
工控机系统软件在完成串口数据采集的同时，将数据存入预先设好文件名的数据库，即完成了数据的保存，克服了通常数据采集系统完成数据采集后忘记保存数据的缺点。通过调用Visual
Basic的ADO控件，结合文件操作命令，即可方便的实现对数据的访问，为后续的数据分析和输出工作带来极大的便利。
5.7
报表生成模块
VB中进行报表打印生成的方法有好几种，第一类为调用VB的方法Print
form进行窗口的打印操作，该方法能够使用默认打印机打印当前Form中的可视区域，所以只需要设计一个合适的Form，就可以非常容易地打印出理想的效果。这种方法的人机交互能力不强，普通用户不会操作，难达到理想的效果；另一种方法采用Printer对象，Printer
对象是一个与设备无关的图片空间,支持用Print、Pest、Line、Paint
Picture的Circle方法在Printer对象上创建文本和图形。并能设置输出文本的字体,当完成在Printer对象中放置信息后,可用EndDoc方法将输出传送到打印机。每次应用程序结束时，它们会自动使用EndDoc方法，将打印机对象中任何未确定的信息送到打印机。这种方法最大的缺点是编程量大，需要编程人员计算和控制打印位置，在Printer对象中打印位图也需要花费较多的时间，降低了应用程序的性能。
对于广大的普通用户，都习惯了使用Word进行文字、图标的打印工作，因此，如果能在Word中自动生成报表并在用户的参与下完成报表的打印将使操作更加简单。本系统基于面向对象的思想，应用微软提供的Word对象，在VB中调用Word对象，从而实现报表的自动生成与打印工作。
5.8
软件抗干扰设计
系统运行过程中，干扰对系统软件的冲击，将直接导致数据采集的可靠性降低、控制失灵和数据出错等一系列后果，因此在本系统的开发过程中，不仅对硬件系统进行了抗干扰设计，还采取了软件冗余设计，以保证所采信号的可靠性。
当单片机测试系统受干扰出现错误时，程序便脱离正常轨道乱飞。在本系统软件的开发过程中，加入了空操作指令NOP，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。此外，在RET、LJMP对系统流向起作用的指令之前插入两条NOP指令，也可确保这些重要指令的正确执行。
在工控机软件的通讯模块设计中附加若干抗干扰措施，如上电或正式通信之前，对串行端口做几次空操作，清除端口的非法数据和命令。系统分析软件完成某种功能是需要用户操作的，这种操作具有一定的顺序性。若用户不知道这个特点，那么就会导致系统崩溃或死机，这降低了软件的可靠性。
为了解决这个问题，Visual
Basic提供了专门的On
Error语句来设置错误陷阱。“On
Error
Resume
Next”
语句实现当发生错误时，忽略错误行，继续执行下一语句，这种情况适合文件操作情况，比如当打开驱动器A上的文件，而驱动器中并没有插入磁盘时可以采用此语句重试；“On
Error
Go
to
标号”实现当发生错误时，使程序跳转到标号所指示的程序块。通常情况下，在程序块中根据捕获的错误类型进行处理。
如果在每个函数或者过程中都加上错误处理模块，一是将导致程序太长，大量重复的错误处理代码使得程序可读性降低；二是错误处理机制实际上破坏了程序的顺序性，使程序的结构性变差。实际上，在某个应用程序中，能出现的错误类型是有限的，只要按其性质将其分类，用一个或几个公用的程序处理这些错误。这种集中式错误处理方法解决了程序的可靠性问题，同时也提高了程序的可移植性。
在本系统中，将错误处理程序分为两类，一类是文件操作类型错误，一类是信号处理类型错误，分别编写错误处理函数File
Error()及Process
Error()，File
Error()函数根据文件操作的错误类型进行文件的重新打开、保存等工作；而Process
Error()则把用户操作过程引发的错误捕获，并在状态栏中显示错误发生的原因，并提示如何操作。这两个函数及定义的公共变量存于公用模块（Module.Bas）中。
5.9
本章小结
下位机软件开发应与硬件设计相结合，使硬件功能实现最大化。开发的上位机软件要具有友好的人机界面、高可靠性和智能分析的功能。基于这两点，本章完成了单片机的下位机软件以及工控机智能分析软件的开发。软件开发过程中采用的关键技术包括：（1）基于RS-485总线，单片机采用串口中断的方式，工控机应用VB提供的MSComm控件，实现了工控机与单片机在RS-485总线上的通信；（2）单片机软件开发中，采用SPI通信的方式，实现了单片机与A/D转换芯片的高速同步串行通信；（3）采用VB与组态王控件相结合的方法完成智能分析软件的开发，提高了软件的整体性能，不仅能获得友好的人机界面，而且信号的显示分析功能十分强大。
6
结论
本课题以盘式制动闸的制动性能研究为目的。分析了盘式制动闸的工作原理后，结合相关标准和要求，建立了制动闸制动性能的参数模型，设计了能够在线完成制动闸相关参数的检测系统。在此基础上，借助助于一系列的传感器和控制设备采集相关运行参数，控制相关部分工作。本测控系统集中运用计算机技术、电子技术，对运行过程的多种操作自动进行数据采样、传输存储、处理加工、动态显示等智能控制，而无须人工干预，从而实现了高精度的自动化检测。
下面是本课题获得的主要成果和结论。
(l)在综合分析汽车制动系统的结构组成和工作原理，尤其是制动器的组成和工作原理的基础上，设计了客车盘式制动闸制动器性能检测系统,用AutoCad2004进行了机械部分的开发。
(2)根据被测量的精度要求和控制台架成本的原则，笔者选择相应的压力传感器、位移传感器和转速传感器，用ProtelSe99进行了试验台信号采集、调理以及控制电路的设计，
(3)测试软件系统能够完成对采集到的所有信号的实时处理，按照我们的要求以数值和曲线的形式显示相关参数。该软件操作方便，显示直观明了。
由于自身水平和时间的限制，论文课题中还存在一些问题有待进一步的研究，主要有:
(1)为了测控系统长期工作的稳定性和试验结果的准确性，可以考虑采用性能更好的硬件模块，如步进电机驱动系统。
(2)制动系统硬件部分导致的测量系统误差可以通过软件补偿减小甚至消除，故有必要对软件补偿的方法作进一步深入研究。
（3)由于时间和篇幅有限，本论文只对制动器检测设备中的关于制动闸性能进行了分析和研制。
参考文献[1]
王永臣等.单片机制动闸自动调节系统[M]．沈阳工业学院学报,2008.
[2]
庄光山等.制动盘对盘形制动摩擦性能的影响[J].
铁道车辆,2007.
[3]
赵田臣等.高速列车金属陶瓷复合材料制动闸片研制[J].
石家庄铁道学院学报,2007.
[4]
程真启等.
矿井提升机制动闸间隙监测仪的设计[J].
煤矿机电,2007.
[5]
贾福音等.摩擦提升机滑绳安全可靠制动分析[J].
煤炭工程,2008.
[6]
德国XAVER
WIRTH.
制动闸片提高了盘形制动器的性能[J].《Heat
Treatment
of
Materials》,2007.
[7]
赵建明等.半金属基提速客车盘形制动闸片摩擦特性的研究[J].
机械设计与制造工程,2006.
[8]
陈磊等.矿井提升机盘式制动闸空动时间测试装置设计[M]．煤矿机械,2008.
[9]
王宏德.盘式制动闸制动力矩下降原因分析与对策[J].
中州煤炭,2006.
[10]
和田 雄一等(日)
新开发的制动闸片和制动盘[J].
车辆工程,2009.
[11]
李洪山.乘用车制动器试验装置及试验规范的研究[M].
合肥工业大学学报,2009.
[12]
王智深.汽车气动制动系统制动性能及控制电磁阀动态特性的研究[J].
汽车工程学,2008.
[13]
杨莉玲.液压盘式制动器建模与仿真分析[J].
机械与电子,2007.
[14]
呼靳宏.采煤机液压盘式制动器试验台的研制[J].
西安科技大学学报,2009.
[15]
游登科.制动器特性建模及参数测试方法研究[J].
吉林大学学报,2008.
[16]
Mylar
Swift.
Analysis
on
Break
System.
Mechanical
Vibration,
2009.
[17]
W
Osterle.
A
microscopic
study
of
formation
between
a
brake
pad
and
brake
disc.
Wear,
2009.
致
谢
本次毕业设计是对我大学四年所学知识的一次全面考验，它也是对即将走向社会的我进行的一次有效的训练。回顾这场毕业设计，我觉得我获益菲浅。我的课题是一个研究类的课题，它让我体会到做研究的艰难，从苦心建出数学模型，到机械结构部分的分析与综合，然后又要考虑的对数据进行分析研究，进行传感器的选型和设计，最后对硬件电路进行分模块化处理，软件的编写与调试，这对像我这样基础不扎实的学生是多么困难，只有本人经历过才知道。所以我认为这次毕业设计锻炼了我很多方面的能力，它使我面对困难不退缩，勇于克服困难。
在本次毕业设计的开始到结束一直得到卢倩老师的指导和帮助，使我能得以顺利完成并学到了很多知识，我想这对我以后走上社会工作岗位会有很大帮助，没有您的悉心指导，我也不可能完成本次的课题设计，在此我谨表示我最衷心的感谢。
客车用盘式制动闸制动性能检测系统设计毕业设计 本文关键词：制动闸，毕业设计，制动，客车，检测系统
客车用盘式制动闸制动性能检测系统设计毕业设计 来源：网络整理
免责声明：本文仅限学习分享，如产生版权问题，请联系我们及时删除。
《
客车用盘式制动闸制动性能检测系统设计毕业设计》
由：
76范文网互联网用户整理提供,链接地址：
http://m.yuan0.cn/a/79286.html
免责声明：本文仅限学习分享，如产生版权问题，请联系我们及时删除。