货车、客车车辆在补修、段修和厂修时必须检测车钩到轨道的垂直距离,为了便于连挂和行车安全必须规定车钩高度(车钩中心线到铁轨上表面的垂直距离)在一定的范围内[1> (客车:880mm,允许+10mm,-5mm 的误差；货车:880mm,±10mm 的误差)。车辆在进行段修时,由于要对转向架、车钩若测量不准,将严重影响列车的行车安全。而目前我国铁路各车辆段均采用比较原始的手工测量方法,误差大,效率低,费时又费力,无法满足铁路列车高速重载的发展要求 [2>。针对以上问题,本文阐述了车钩高度超声波测量系统的功能原理及软硬件设计。

2. 工作原理

测量系统采用超声波传感器,自车钩中心线向下竖直发射超声波,并由放置在铁轨面的的薄板反射回来,传感器接收到回波,由于光波在空气中的传播速度一定,通过计时器所计得的时间即可算出车钩的高度。图1 为测距原理的示意图。

图1 测距原理示意图

整个系统由测量距离的单片机控制和用于系统安装定位的机械部分组成。除了主要的高度测试功能,系统采用智能化、人性化设计,还具有以下几个特色:

(1)设有小键盘和液晶屏。用于控制测试及其他功能,液晶屏显示测量结果,方便查看。

(2)单片机控制系统扩展一个存储器,可存储不少于1000 个测试数据。各个测量数据都标有序号和相关的信息,方便用户查询。

(3)带有电源电量信息采集电路,并将电量信息显示在液晶显示器中,帮助用户了解电量使用情况,并提醒用户及时更换电池。

(4)系统设计了某些特殊情况出错时的应急处理程序,最大限度地保证测试的可靠和数据的安全。

(5)采用I2C 总线,可方便与微机连接进行数据传送。

3. 硬件设计

硬件系统包括:单片机控制系统、超声波传感器、键盘和显示电路以及直流电源部分。其组成结构见图2。

图2 硬件系统结构

单片机为ATmega16L-8pu 型AVR 单片机；传感器选用美国邦纳Q45ULIU64ACR 型超声波传感器；显示器选用天正达TS12864 图形液晶屏,电源采用9V的电池。

Q45ULIU64ACR 型超声波传感器将测量的距离值转换为模拟量(电压或电流)输出。可检测范围为100mm～3.0m,分辨率为距离的0.1%(最小0.25mm),线性度为满量程的1%,并带有温度补偿。由于车钩的标称高度大多在880mm 左右,允许检测误差为±0.2%,因此该传感器能够满足系统要求。Q45U传感器接线方式如图3 所示,图中棕线、蓝线和黑线分别为传感器电源正极、负极和电压输出。其中模拟量0～10V线性对应于一定范围的距离值,其输出经分压电路(将0～10V降为0～5V以适应单片机A/D转换器的输入要求)接入单片机的A/D 转换器。由A/D 转换器采样测得电压值,经程序处理得出高度值。

图3 传感器接线图

键盘设有系统启动键、测试键、保存健、查询、翻页键、删除键等功能键以方便用户的使用。图形液晶可显示中文、英文、数字等字符,用于显示欢迎界面、操作提示、测试结果以及电源电量等信息。电源电量提示功能可由A/D 对电源电压采样进行监测。当需要向微机导出数据时,可通过I2C 总线进行连接实现通信。

4. 软件设计

系统要求实现测距、保存数据和查询历史数据的功能。这些功能相应地在软件上进行设计。系统主程序的流程见图4。

图4 主程序流程图

按下开关键启动系统后,系统将进行各部件的初始化,等待键盘的输入。若按下测距键,系统将控制超声波传感器发射超声波,接收回波,处理数据,得出测量值并通过显示器显示出来,供用户保存或其它处理；若按下保存键,系统自动对测量得到的数据进行保存供用户以后查询；若按下查询键,即可对历史测量数据进行查询访问,键盘上还设有向上和向下翻页的按键,方便用户查询。

根据上述内容,可设计如图5所示的测距子程序。

图5 测距子程序流程图

5. 实验结果分析

表1为常温下在880±15mm 测量范围的实验数据。经过大量测试实验,发现在测量范围(本系统为100mm～1.4m)内系统测量误差小于±3mm,并且测量稳定,重复精度高,受环境影响小。由此可见只须正确操作,排除人为使用不当造成的误差,系统的测试效果非常理想。

表1 实验数据

6. 结束语

本系统应用现代超声波测距传感器,采用单片机控制技术对数据进行实时采样,滤波,并做数据处理,利用液晶屏显示,完成车钩与轨道的垂直距离的智能检测。本装置将具有体积小,精度高,功耗低,自动化程度高的特点,可作为现场检测人员理想的便携式工具。