1、 本科生 毕业设计（论文）开题报告 题 目： 机车冲动检测仪设计 学 院： 信息工程学院 系 自动化系 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 填表日期： 年 月 日 一、选题的依据及意义： 铁路是一个国家必要的民生基础设施，是一种安全、经济、便捷、大众化的交通运输方式。加快推进我国的铁路建设，对于加快城市化进程、促进区域协调发展、拉动贸易增长、建设资源节约型环境友好型社会、促进国家经济可持续发展以及方便民众安全出行都具有不可取代的意义，是最适合我国国情的运输方式。近几年 ，随着国家经济的发展、人民生活水平的提高 ,我国铁路也飞速发展。相比于空运、汽运、水运等其他交
2、通方式，在中长途运输方面铁路具有明显的优势。目前，我国每日约有 150 万人乘坐动车或高铁，日平均客流量占全线路近1/3。与此同时，我国铁路、高铁里程数分别突破 10 万公里、 1 万公里，位居世界第二和第一。 提高列车车速是铁路发展的重要方向之一。近几年，我国已投入了大量的研究并在这方面取得了重要的成果。为了进一步提高乘客乘坐提速后列车的舒适性，改善提速加重的机车纵向冲动问题，自 1999 年起铁道部组织研究院等相关单位展 开了专题研究工作。机车纵向冲动不仅会降低旅客乘车期间的舒适性而且剧烈的冲击会对列车及列车设施造成不同程度的损伤，因此随着新型列车的投入使用，对司机的操作技能也有了更高的标
3、准。 机车纵向冲动受多方因素的影响，其中主要影响因素有：制动前车钩在纵向的状态；缓冲器类型；制动初速度；制动波速；减压量；风挡类型列；车编组辆数；线路纵断面条件等。根据动力学理论分析和实际试验的结果，机车纵向冲动发生在非稳态的列车运行过程中，产生机车纵向冲动的工况可以概括为以下四种： 1、 启动工况：机车启动时，由牵引力传输产生的纵向冲动； 2、 制动 工况：机车制动或制动缓解的过程中，由制动力传输产生的纵向冲动； 3、 线路断面变化工况：机车在运行时，由线路断面变化产生的纵向冲动； 4、 调车作业工况：调车作业时，车辆间相互冲撞引起的纵向冲动。 二、国内外研究现状及发展趋势 随着铁路建设现代
4、化的飞速发展，提高旅客列车乘坐的舒适度成为提高铁路行业服务质量的一项关键因素。因此，制定一套合理的冲动评测标准和开发新型 智能列车冲动检测系统对于提高司机驾驶水平、改善旅客列车乘坐的舒适度是至关重要的。就目前而言，国内铁路的发展速度已经处于世界领先地位，但是和国外发达国家 如法国 、德国、日本等乘坐舒适性上的差距表现非常明显。 在国外 , 日本的松井哲 , 苏联的卡尔瓦茨基、 维坎杰尔、拉扎良等学者都曾经从振动理论的各种物理模型出发提出过列车最大纵向力的解析和计算方法 , 但由于影响列车纵向力的因素不仅有列车组成、线路条件、司机操纵方法等运用情况 , 更与不同的机车车 辆装置特别是制动机和缓冲
5、装置的特性有关 , 所以 , 不能简单地照搬国外的理论公式 ;另一方面 , 国内过去对纵向动力学的研究相对而言比较薄弱 , 长期以来只有试验实测的方法 , 近年来随着计算机应用技术的迅猛发展 , 已经研究了计算列车纵 向动力学的电算程序 , 但这种仿真计算受到计算机硬件及软件开发的限制 ,尚未能广泛应用。 关于舒适度的评测以及列车加、减速时的纵向冲动的评测 , 国内目前并没有 统一的规范标准。国内目前对纵向冲击的检测主要是采用“木棒检测法” , 这种检测方法尽管比较直观 , 但只是大概的给出了冲击的等级 , 并且缺少评判的科 学依据 , 所以无法进行详细的分析与比较。同时由于冲动棒是手工加工的
6、 , 地面的平面度与粗糙度都无法保证 , 所以评判的结果缺乏真实性。在随车的大量实验中 ,常常发生标志冲动等级较低的小木棒没倒 , 反而标志冲动等级较高 的大木棒先倾倒的现象。因此 , 如何准确获取列车在加、减速过程中的纵向冲击，并用一 定的量化标准来对司机驾驶水平的高低进行表征 , 以及建立冲动对旅客乘坐的 舒适度数学模型和舒适度的评价标准 , 都成为目前一个重要的研究课题。 三、本课题研究内容 机车冲动检测仪是机车行驶期间冲动数据的检测和记录仪器，可作为机车 行驶状况黑匣子的一部分，并供铁路司机考试系统使用。冲动检测仪的核心部件是一套微机电系统实现的加速度传感器，并配备丰富的外围通信接口。
7、该系统主要由数据采集模块 (传感器装置 )、数据分析处理模块、显示模块和通信 模块组成。 本课题主要针对目前检测方式的落后和不确定性等问题，选用数字化智能仪器方案，以实现冲动的检测、记录、分析全自动化；然后设计完成数据采集装置，包括设计加速度采集电路、丰富的外围通信接口和显示模块，以实现传感器与处理器之间的数据传输，数据处理后的结果显示；最后采用 keil 开发环境，运用C 语言编程，结合硬件的设计原理，完成软件系统的设计，同时提供 SPI/I2C/UART的冲动数据通信接口给外围扩展设备模块使用，实现数据传输功能从而实现软硬件相结合，从而实现冲动智能化检测的目的。主要研究内容如下图所示： 四
8、、本课题研究方案 本系统主要由数据采集模块 (传感器装置 )、数据分析处理模块、显示模块和通信模块组成。外部施加冲击后，传感器感应到冲击并对冲击导致的加速度模拟信号进行采样，由内部 AD 转换器和数字滤波器对信号进行预处理，处理后的被测信号即为数字信号。数据传输模块将数字信号送到处理器中由软件进行数字处理 4.1 数据采集模块 本课题设计中，传感器选用美国 ADI 公司生产的 ADXL345 芯片。 ADXL345 是ADI 公司发布的一款数字式三轴加速度传感器，最大量程可以达到 16g，可以进行高分辨率（ 13 位） 测量。数字输出数据为 16 位二进制补码的形式，可通过 SPI（ 3 线或
9、 4 线）或者 I2C 数字接口访问。 ADXL345 可以在倾斜检测应 用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能够测量不到 1.0的倾斜角度变化。另外， ADXL345 功耗低，输出为数字信号，测量范围大，分辨率高，故选用 ADXL345 作为本系统的传感器。 4.2 数据分析处理模块 数据分析处理模块以单片机为平台，采用 keil c 编程环境编写处理数据的软件代码，并将代码烧到处理器中，从而实现对 数据的分析处理。 4.3 显示模块 数据的分析处理后，单片机会将其送到显示器显示当前加速度值。本系统采用 LCD1602 液晶显示器，
10、该显示器功耗低、抗干扰能力强，能够准确的显示实时 加速度，从而实现单机工作，离线检测冲动的功能。 4.4 通信模块 ADXL345 传感器可通过 SPI（ 3 线或 4 线）或者 I2C 数字接口访问。本设计在加速度传感器与单片机之间的数据传输是采用 I2C 通信方式，单片机与 PC 机之间使用 MAX232 进行与串口通信。 4.5 系统框图 图 1.系统结构图 五、研究目标、主要特色及工作进度： 研究目标：采用 AD 公司的数字式 3 轴加速度传感器设计机车冲动检测硬件系统。通过传感器、微处理器等核心器件对冲击信号进行采集、处理，进而实现对机车冲动的检测。 主要特色：选用超低功耗、高分辨率
11、的 3 轴加速度计 ADXL345 对信号进行采集，提高检测仪的精度；通信模块以 MAXIM 公司专门 RS-232 标准串口设计的单电源电平转换芯片 MAX232，实现对信号的实时监控，最后显示模块以 LCD1602液晶显示器实现数据结果的显 示。 工作进度： 序号 各阶段工作内容 起讫日期 1 熟悉机车冲动检测原理 2017-2-252017-3-10 2 写开题报告、外文资料翻译 2017-3-11 2017-3-24 3 学习 MCU 处理器及加速度传感器芯片 2017-6-252017-4-7 4 学习 SPI /I2C 协议 2017-4-8 2017-4-11 5 完成机车冲动检
12、测仪硬件设计 2017-4-122017-4-22 6 完成机车冲动检测软件程序编写 2017-4-232017-5-8 7 制作产品电 路并调试软件代码 2017-5-92017-5-20 8 8 撰写毕业设计论文 2017-5-212017-6-5 六、 参考文献： 1 章阳，列车冲动检测仪的研制 D，铁道科学研究院， 2006,6(8):1。 2 何福汉，旅客列车纵向冲动问题研究 J，铁道车辆， 2007,45(5):5。 3 2012 年高速铁路网络将初具规模 进入全面收获期 -工程机械行业 - 铁臂商城 4 卢津，赵洪全，徐广东。 铁路客车舒适度的 检测与评价 J，中国铁路 ,2004，42(6):5。 5杨宁，胡学军。单片机与控 制技术 M，北京：北京航空航天大学出版社， 2005 6张凡 , 盛珣华主编 ,微机原理及接口技术 ,北京 :中国铁道出社 ,2000 7李广弟，朱月秀，王秀山单片机基础 M北京：北京航空航天大学出版社2007(7)： 101 105 8AD 公司。 ADXL345 数据手册 EB。 2009-2010。 9徐治根。 ADXL345 在机械设备振动监测中的应用 J。东莞职业技术学院实训中心， 2007。
