基于STM32接觸網(wǎng)彈性吊索張力檢測裝置的研制

劉仕兵，武 磊

(華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌 330013)

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基于STM32接觸網(wǎng)彈性吊索張力檢測裝置的研制

劉仕兵，武 磊

(華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌 330013)

針對電氣化鐵路接觸網(wǎng)的建設(shè)和日常維護(hù)的需求，研制了一種便攜式彈性吊索張力檢測裝置。將靜力橫張法測力原理作為測量張力的基本方法，以STM32F103C8T6作為主控芯片，完成了信號(hào)采集和處理電路、電源管理模塊電路、按鍵與微處理器的接口電路、液晶顯示接口電路等硬件電路的設(shè)計(jì)，并完成了整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。最后通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置在測量彈性吊索張力方面具有較高的精度。該裝置在實(shí)際使用中已取得了良好的效果。

接觸網(wǎng)；彈性吊索；靜力橫張；張力；STM32

0 引言

在電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)中，彈性吊索的張力值是指導(dǎo)接觸網(wǎng)施工和維護(hù)的重要參數(shù)，其對保障電力機(jī)車的安全可靠運(yùn)行意義重大。彈性吊索的張力較難確定和控制，其張力大小直接關(guān)系到接觸線的高度,影響弓網(wǎng)受流[1]。針對繩索的張力檢測設(shè)備，國內(nèi)外都開發(fā)了各自的產(chǎn)品，國外的索力檢測設(shè)備大部分是基于靜力平衡計(jì)算索的張力，但主要都是針對橋梁鋼索張力測試，集成度小，抓拔系統(tǒng)不完備，量程大，不適于檢測彈性吊索張力；國內(nèi)的張力測試儀檢測量程大，但精度不高，而且設(shè)備抗干擾性差，占用空間大，不便于攜帶，同樣不適于彈性吊索張力的檢測[2]。因此，針對電氣化鐵路接觸網(wǎng)高電磁干擾環(huán)境、高空作業(yè)的特點(diǎn)，開發(fā)一款抗干擾性強(qiáng)、質(zhì)量輕、體積小、便于攜帶的彈性吊索張力檢測裝置是行業(yè)發(fā)展的需要[3]。

1 測試方法設(shè)計(jì)

1.1 接觸網(wǎng)彈性吊索

彈性吊索是彈性鏈型懸掛重要組成部件之一，它增加了定位彈性和穩(wěn)定性，減少定位器重力對受電弓通過定位點(diǎn)時(shí)的作用力，有利于消除硬點(diǎn)，提高了電力機(jī)車受電弓取流質(zhì)量[4]。其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 電氣化接觸網(wǎng)彈性吊索

彈性吊索安裝時(shí)的張力約為1 kN[4]。安裝好之后的彈性吊索張力均為3.5 kN，施工偏差控制在5%以內(nèi)[5]。

1.2 張力測試原理

彈性吊索有效預(yù)應(yīng)力的檢測是依據(jù)靜力橫張?jiān)?，根?jù)橫張力T、橫向位移δ和彈性吊索軸向力F、有效長度L之間的相互關(guān)系來實(shí)現(xiàn)[2]，其基本原理如圖2所示。

圖2 張力測試基本原理圖

當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)：

T=2Fcosθ

(1)

吊索處于微小形變，θ接近于直角，由三角函數(shù)關(guān)系：

(2)

由式(1)和式(2)得到測量張力的基本原理：

(3)

式中：L和δ取決于儀器的機(jī)械結(jié)構(gòu)；T由拉力傳感器獲得。

確定上述3個(gè)量之后，便可得到張力F。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

如圖3所示，接觸網(wǎng)彈性吊索張力檢測裝置采用STM32F103C8T6作為主控單元，傳感器采集到的張力數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后通過SPI數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議送入主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示器上，通過按鍵模塊可以交互式地設(shè)置一些常用參數(shù)。超限量報(bào)警模塊用來設(shè)置報(bào)警值。當(dāng)測得的數(shù)據(jù)大于此值時(shí)就會(huì)發(fā)出警報(bào)，通過聲音就可以判斷張力值是否達(dá)到了設(shè)計(jì)值。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊分為EEPROM和SD卡，采用的高性價(jià)比的24C02 EEPROM對設(shè)置好的參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)。SD卡用來存儲(chǔ)獲取的張力數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)的導(dǎo)出和查詢；整個(gè)裝置采用外部充電電池供電，需要對電池電量實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將電量數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，及時(shí)告知用戶電池電量使用情況。

圖3 接觸網(wǎng)彈性吊索張力檢測裝置總體方框圖

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要由信號(hào)采集和調(diào)理電路、電源管理模塊電路、按鍵與微處理器接口電路、液晶顯示接口電路等組成。

2.2.1 信號(hào)采集和調(diào)理電路設(shè)計(jì)

根據(jù)裝置的設(shè)計(jì)外形和結(jié)構(gòu)，傳感器采用9 V電壓供電、量程為20 kg的S型拉壓力傳感器，靈敏度為±2 mV/V，傳感器輸出電壓變化范圍±18 mV,其輸出的是電壓差分信號(hào)，增強(qiáng)抗干擾能力?？紤]裝置的測量精度和抗干擾要求，選擇高性能的24位串行A/D芯片AD7190BRUZ，其精度高、低噪聲內(nèi)置可編程增益放大器和數(shù)字濾波器，可滿足高精度測量需求[6]。如圖4所示,S+、S-為傳感器輸出的差分信號(hào)，經(jīng)過RC濾波送入AD7190進(jìn)行信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波，處理后的數(shù)據(jù)通過SPI接口送入微控制器做進(jìn)一步的處理，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為張力值。AD7190外接4.92 MHz的高精度晶振，保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的正確。ADR421為A/D芯片提供2.5 V的參考電壓。該芯片輸出電壓穩(wěn)定，噪聲低，保證了測量的精確性。

圖4 數(shù)據(jù)采集與調(diào)理電路圖

2.2.2 電源管理模塊電路設(shè)計(jì)

整個(gè)裝置需要3種電平：9 V，5 V和3.3 V。其中，9 V用來給傳感器供電，5 V用作AD7190的模擬電源和電壓基準(zhǔn)芯片ADR421的輸入電壓，3.3 V用作AD7190的數(shù)字電源及24C02等芯片的供電。電源管理模塊電路如圖5所示。傳感器供電采用低噪聲的線性電源芯片ADP7102-9，降低了電源對傳感器的干擾；AD7190模擬電源供電選用LP2985a-50DBV，是從抗干擾和效率的綜合考量；高效率的開關(guān)電源芯片LM2841YMK給3.3 V芯片供電，延長電池的使用時(shí)間。

圖5 電源管理模塊電路圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，將整個(gè)系統(tǒng)按照需要實(shí)現(xiàn)的不同功能分為若干模塊，然后依次對各個(gè)模塊分別編程、調(diào)試，最后將各個(gè)模塊集成。軟件的開發(fā)在keil 5.0環(huán)境下完成，將完成后的程序燒入STM32F103C8T6的FLASH存儲(chǔ)器。其主程序流程圖如圖6所示，系統(tǒng)上電后先進(jìn)行初始化，包括主控制器和外圍設(shè)備的初始化，初始化完畢后進(jìn)入主界面，并調(diào)用A/D采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。然后掃描按鍵的用戶輸入，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，則進(jìn)入相應(yīng)的功能模塊，處理完之后再回到主界面。當(dāng)系統(tǒng)錯(cuò)誤地判斷有按鍵按下時(shí)，就會(huì)提示出錯(cuò)并重新初始化。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

硬件電路設(shè)計(jì)完成后，將整個(gè)系統(tǒng)的軟件經(jīng)過開發(fā)環(huán)境生成的.hex文件燒錄到STM32中，為了驗(yàn)證裝置核心模塊測力的準(zhǔn)確性，將500 N的重物壓在S型拉壓力傳感器(拉為正，壓為負(fù))上，可以從液晶看出顯示的為-499 N，其相對誤差0.2%，達(dá)到了較高的精度。其初步實(shí)驗(yàn)圖如圖7所示。

將核心模塊集成到裝置內(nèi)部，裝置外殼采用合金材料，質(zhì)量輕并有效屏蔽了外界的電磁干擾，保證核心模塊可靠地工作。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該裝置的實(shí)用性，將完成的裝置按圖8所示的原理圖進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過對一組重物的測試，得到了如表1所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖6 裝置主程序流程圖

圖7 張力檢測裝置核心模塊初步實(shí)驗(yàn)圖

圖8 張力測試裝置實(shí)驗(yàn)原理圖

表1 張力測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

分析表中的數(shù)據(jù)可知，在對不同的張力進(jìn)行測量時(shí)，其相對誤差也有所差異，但都保持在一個(gè)相對較小的范圍內(nèi)。由此驗(yàn)證了該裝置設(shè)計(jì)的精度比較高，有較好的實(shí)用性。

4 結(jié)束語

本文開發(fā)了一款接觸網(wǎng)彈性吊索張力檢測裝置，著重介紹檢測原理和軟硬件設(shè)計(jì)。該裝置質(zhì)量輕，成本低，操作簡單，相對傳統(tǒng)的張力測試方法有很強(qiáng)的替代性。目前，該裝置運(yùn)行穩(wěn)定，保持在一個(gè)相對較高的測量精度，在實(shí)際生產(chǎn)中已投入使用，具有廣闊的應(yīng)用前景和良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 孫培勝，閆建斌，楊慶晨.彈性吊索安裝對接觸懸掛調(diào)整的影響.科技風(fēng)，2012,(4):103,127.

[2] 蔡張杰.預(yù)應(yīng)力鋼索張力測試儀優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析：[學(xué)位論文].西安：長安大學(xué)，2013.

[3] 孫啟富，孫運(yùn)強(qiáng)，姚愛琴.基于STM32的通用智能儀表設(shè)計(jì)與應(yīng)用.儀表技術(shù)與傳感器，2010(10):34-36.

[4] 劉仕兵，王健.接觸網(wǎng).成都：西南交通大學(xué)出版社，2013.

[5] 鐵道網(wǎng).250 km/h～300 km/h高速接觸網(wǎng)施工彈性吊索安裝[EB/OL].(2010-05-24)[2014-12-09].http://trade.railcn.net/news/show.php?itemid=1830.

[6] 模擬器件公司.AD7190 datasheet[EB/OL].(2013-02-01)[2014-12-09].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7190.pdf.

Research and Fabrication of Tension Detection Device for Catenary Elastic Sling Based on STM32

LIU Shi-bing,WU Lei

(School of Electrical and Electronic Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

Aiming at the requirement of catenaries construction and routine maintenance,a portable tension detection device for catenary elastic sling was developed.Using static force lateral tensioning measurement principle as the basic method for measuring tension,and STM32F103C8T6 as the master chip,it completed the design of hardware circuit such as signal acquisition and conditioning,power management module,interface between buttons and a microprocessor,LCD interface and so on,and the software design of the whole system was also completed.Finally,through experiments,the higher accuracy of the instrument in measuring elastic sling tension was verified.The device has achieved good effect in actual use.

catenary;elastic sling;static force lateral tensioning;tension;STM32

2014-12-19 收修改稿日期：2015-01-24

TP274

A

1002-1841(2015)04-0036-02

劉仕兵(1970— )，副教授，主要研究方向?yàn)殡姎饣F路接觸網(wǎng)技術(shù)。E-mail：liucyier@163.com 武磊(1989—)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姎饣F路接觸網(wǎng)技術(shù)。E-mail：296529739@qq.com