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磁場效應的火車道報警信息采集系統設計
[發布日期:2018-06-07  點擊次數:1809]

1 引言

隨著社會經濟生活對鐵路運輸的需求和科學技術的不斷發展,鐵路運輸的能力日益提高,對鐵路運輸安全的要求也就更高。然而,伴隨全路五次提速的實施,道口的安全隱患也越來越突出,已經成為鐵路運輸安全和鐵路運輸能力的瓶頸。道口監測報警裝置在降低道口事故率,防護道口安全方面有著非常積極的意義。但從目前的研究成果和實際應用來看,大多采用軌道電路式、機械式,少部分采用多普勒雷達式和聲接收式。性能上各有優缺點,在成本和體積上也不盡相同。

本文采用磁阻傳感器,根據磁場效應,設計了一種火車道報警信息采集裝置,并給出其軟硬件的設計方法。

2 系統工作原理

通電導體在磁場中電阻值發生變化的現象稱為磁致電阻效應。對于鐵、鈷、鎳及其合金,如果把這類金屬做成薄膜帶狀導線,當有電流通過時,其阻值發生變化,變化值的大小因內外兩磁場合成磁化方向與電流流向的相對關系而異,趨于同向則增大;反之減小[1]。如圖1中所示,將四個坡莫合金(permalloy)組成一個惠斯通電橋(wheatstone bridge),則電阻阻值的變化將外加磁感應強度轉換成差分電壓輸出[2]。

大型鐵磁物體,如火車,可看成多個南北極磁鐵組成的模型。當火車經過時,則會引起地磁場的擾動,其綜合影響是對地磁場磁力線造成扭曲和畸變。傳感器處于該變化的磁場中時,由磁阻效應可知,傳感器的差分輸出端將會有變化的電壓產生,而這即是本系統用來檢測火車的理論依據。

1 磁阻傳感器原理圖

3 系統硬件設計

火車道報警信息采集系統硬件部分主要由數據采集模塊和數據處理模塊組成。其中數據采集模塊負責磁場信號的采集工作,其主要的核心為磁阻傳感器。當列車接近磁阻傳感器時,傳感器將采集到的磁場變化信號,經過信號放大和a/d轉換環節,轉換成離散的數字信號,傳送至微控制器(單片機)。數據處理模塊主要部件是單片機。單片機負責對各個芯片的時序控制,同時為了提高系統的抗干擾能力,還需對采集到的數據進行濾波處理,然后才能發送至串口端,由通信設備進行讀取。本系統的硬件設計框圖如圖2所示。

2 系統硬件設計框圖

3.1 數據采集模塊

本系統中,磁阻傳感器選用的是honeywell公司生產的hmc1051z單軸磁阻傳感器。hmc1051z具有很寬的角度范圍,在±45°內具有《0.07°的分辨率,靈敏度為1.0mv/v/高斯,在5伏電源供電時有120mv的滿量程輸出。內部無移動部件,固有阻抗小,抗電磁噪聲和干擾能力強,且內置置位/復位帶,可減小溫度漂移、非線性誤差以及在高磁場環境中對輸出信號造成的影響。而片內偏置電路則可消除磁場失真的影響[3]。

lm358運放配合2個4.99kω、2個1.00mω的電阻以及一個150pf的電容可構成帶有低通濾波器的放大電路,其增益為200,帶寬約1khz,實現對傳感器輸出信號的放大和硬件濾波。

a/d轉換器采用分辨率為8位的adc0804模數轉換器對放大后的信號進行模數轉換。

3.2 數據處理模塊

atmel公司的at89c51單片機與mcs-51的指令系統和引腳是兼容的,且自帶4kb的e2rom。但為了將來的升級和功能擴展需要,這里對at89c51的存儲器進行了擴展。程序存儲器at28c64和數據存儲器hm6264lp-70均為8kb的容量,用p0.0~p0.7和p2.0~p2.4提供13位地址,74ls373對其低8位地址進行鎖存。利用p2.5和p2.6對這兩存儲器進行線選。

由于需將信號發送至db-9串口連接器,這里采用max232進行ttl和rs-232電平間的轉換。將max232的t1in引腳接at89c51的串行發送引腳txd,r1out接at89c51的串行接收引腳rxd;與之對應的r1in、t1out接9針串口連接器(db-9)相應的rxd(2號針腳)和txd(3號針腳)。

4 系統軟件設計

本系統的軟件設計部分主要為a/d轉換子程序以及數據處理子程序的設計,并采用keil μvision2開發工具進行開發。

4.1 a/d轉換子程序

a/d轉換子程序流程圖如圖3所示。首先令(本次設計端已接地)為低電平,啟動adc0804,查詢中斷0后,在上升沿后100μs模數轉換完成,并將結果存入數據鎖存器,在為低電平時將數據信號送至p1口。

3 a/d轉換子程序流程圖

4.2 數據處理子程序

本系統的數據處理子程序是對采集后的數據進行抗干擾處理,以提高系統的穩定性和可靠性。流程圖如圖4所示。

4 數據處理子程序流程圖

數據處理子程序采用恒定閾值結合動態基值的算法來實現系統的抗干擾能力,即最近一次的采集數據與基值相減,并對相減后的值進行判斷,大于閾值則記錄,當記錄到一定次數時,此時可認定火車已經來到;基值的大小可根據周圍磁場的變化來實現實時更新。按照此算法編寫的程序一方面能達到系統自適應的目的,另一方面也可自由設定(閾值大小和基值采樣次數)抗干擾的處理等級,方便不同種類的需要。

5 結束語

分別以磁鐵和收音機作為目標對象,在遠離和接近本系統的動作條件下,觀察并記錄磁阻傳感器差分輸出端的電壓有效值以及lm358運放放大200倍后的電壓值。兩組實驗分別進行十次,且每次目標對象從遠離到接近本系統時切入的角度和位置各不相同。實驗結果如表1和表2所示。

由實驗結果分析,物體的磁場強度和物體相對于傳感器位置的不同都會造成測量值較大的變化,且對磁場強度大的物體,變化較為明顯,可利用該特性判斷火車的到來。

6 結束語

本文從工程應用的角度出發,闡述了基于磁阻效應的火車道報警信息采集系統的開發過程。該系統具有低功耗、成本低以及性能穩定等優點,系統可與gprs等無線設備相連,組成遠距報警系統,因此具有一定實用價值。

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