基于STM32F103C8單片機的鐵路車輛無線軸溫報警儀設(shè)計

史 駿，馮小庭，畢恩興，代禮前

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，陜西 西安 710014)

隨著第一次鐵路大提速，我國鐵路貨運逐步向運行速度快、牽引質(zhì)量大、運行密度高的方向發(fā)展。軸溫作為鐵路貨車行駛的安全檢測項目，也越來越被重視。軸溫過高會出現(xiàn)燃軸、熱切現(xiàn)象，從而導(dǎo)致貨車出現(xiàn)脫軌、傾覆等事故[1]。針對上述問題，鐵路公司現(xiàn)階段主要采用鐵路車輛軸溫檢測系統(tǒng)(THDS)[2]對軸溫進(jìn)行監(jiān)測，但現(xiàn)有的檢測系統(tǒng)存在以下4點不足[3]：

1)THDS是地面檢測站，采用的是定點檢測方式，兩個檢測站之間存在監(jiān)測空白區(qū)；

2)THDS檢測出的數(shù)據(jù)主要由貨車運用各級主管部門負(fù)責(zé)提出主導(dǎo)性意見，故障的最終確認(rèn)要依靠現(xiàn)場人員的經(jīng)驗，存在漏檢的可能性；

3)鐵路貨車編組較長，雖然THDS中包含車號檢測裝置，但是人工復(fù)檢時軸承檢修人員找到對應(yīng)故障點的效率不高；

4)THDS從檢測出故障到現(xiàn)場檢修人員查找到故障點所需時間較長，當(dāng)軸承檢修人員抵達(dá)故障點時，軸承溫度并不是發(fā)生故障時的溫度，故障判斷依然要依靠軸承檢修人員的經(jīng)驗，存在漏檢的可能。

本文主要針對現(xiàn)有軸溫檢測系統(tǒng)的不足設(shè)計了一種鐵路車輛無線軸溫報警儀，該設(shè)備采用釹磁鐵直接吸附在轉(zhuǎn)向架側(cè)架上[4]，能夠?qū)崟r監(jiān)測車輛軸承溫度。當(dāng)車輛軸承溫度大于90 ℃或與環(huán)境溫度差大于40 ℃時，該設(shè)備發(fā)光報警電路將會閃爍報警，主動提示故障點的位置。檢修人員在到達(dá)故障點后可以通過無線通信方式查詢軸溫的歷史數(shù)據(jù)。該設(shè)備可大幅度提高軸承檢修人員的工作效率，減小故障軸承漏檢的概率。

1 無線軸溫報警儀硬件設(shè)計

鐵路車輛無線軸溫報警儀的硬件系統(tǒng)分為發(fā)送與接收兩部分，具體的系統(tǒng)框圖如圖1,2所示。硬件系統(tǒng)主要以STM32F103C8單片機最小系統(tǒng)為核心[5]，通過I2C總線與LM75A芯片連接實現(xiàn)對環(huán)境溫度的測量。軸承溫度信號由K型熱電偶采集,經(jīng)MAX6675芯片A/D轉(zhuǎn)換后通過I/O接口發(fā)送給單片機，實現(xiàn)對軸溫的檢測。RF24L01芯片通過SPI接口與單片機相連可以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的通信。發(fā)光報警電路通過I/O接口與單片機相連可以實現(xiàn)故障點指示。

1.1 溫度傳感器選型

根據(jù)現(xiàn)有THDS系統(tǒng)對鐵路貨車軸承的熱軸故障等級劃分，將軸承熱軸故障分為激熱、強熱、微熱三級[6-9]，具體的熱軸預(yù)報標(biāo)準(zhǔn)見表1。表1中溫升為列車各軸軸溫與環(huán)境溫度之差，列溫升差為列車各軸溫升與該列車同側(cè)平均溫升之差，輛溫升差為該輛車各軸溫升與該輛車同側(cè)平均溫升之差。

圖1 發(fā)送終端系統(tǒng)框圖

圖2 接收終端系統(tǒng)框圖

表1 熱軸預(yù)報標(biāo)準(zhǔn) ℃

首先軸溫測量傳感器的溫度測量范圍應(yīng)該滿足現(xiàn)有熱軸預(yù)報檢測標(biāo)準(zhǔn)的要求；其次由于需要測量溫升，軸承溫度測量值必須與環(huán)境溫度進(jìn)行比較，故硬件設(shè)計中還需加入環(huán)境溫度測量功能。綜合兩方面因素，環(huán)境溫度測量傳感器采用具備I2C接口的LM75A型溫度傳感器，可滿足最小0.125 ℃的測量精度要求；軸承溫度傳感器采用MAX6675芯片加K型熱電偶的方案，可以滿足冷端-20 ℃～+85 ℃、熱端0 ℃～+1 023.75 ℃、最小0.25 ℃的測量精度要求。

1.2 軸溫檢測傳感器硬件電路設(shè)計

軸溫檢測對傳感器的外型及機械強度有一定的要求，鎧裝熱電偶由于具備可彎曲、耐高壓、熱響應(yīng)時間短和堅固耐用等優(yōu)點成為了本文設(shè)計中軸溫測量傳感器的首選[10]。在使用時熱電偶參考端通常需要恒定的溫度，參考端的穩(wěn)定程度極大地影響熱電偶的測量精度。在軸溫測量電路中采用MAX6675芯片作為K型熱電偶的冷端補償及數(shù)據(jù)采集電路，具體的電路圖如圖3所示。

圖3 軸溫測量電路

其中鎧裝K型熱電偶通過插件U7與MAX6675的T+(3腳)與T-(2腳)相連，雖然MAX6675支持SPI(串行外設(shè)接口)，但是只支持主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入和從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，因此在本文設(shè)計中采用單片機I/O接口模擬SPI時序的方式實現(xiàn)與MAX6675芯片的數(shù)據(jù)通信，在具體電路中通過單片機的PB12、PB13、PB14引腳實現(xiàn)該功能。

1.3 發(fā)光報警及無線收發(fā)電路設(shè)計

1)發(fā)光報警電路。

鐵路貨車在編組時車廂的節(jié)數(shù)最多可達(dá)100節(jié)，單節(jié)普通貨車車廂有8個軸箱。軸箱中的軸承出現(xiàn)過熱故障時列車檢修人員無法快速確認(rèn)故障的位置。本文采用NE555定時器設(shè)計的多諧振蕩器實現(xiàn)了LED的閃爍報警功能，具體的電路如圖4所示。當(dāng)軸箱過熱時,單片機會使繼電器RELAY1得電，常開觸點RELAY1使繼電器RELAY2得電,從而使多諧振蕩器得電驅(qū)動LED發(fā)出閃爍紅光，檢修人員可以用肉眼確認(rèn)發(fā)光點的位置，快速找到故障點。故障產(chǎn)生時的狀態(tài)需要鎖定，設(shè)計中采用自鎖電路對報警狀態(tài)進(jìn)行鎖定，具體電路如圖5所示。當(dāng)檢修人員到達(dá)故障處理點并處理完故障后,可以通過RESET按鍵對設(shè)備進(jìn)行復(fù)位操作。

圖4 發(fā)光報警電路

圖5 故障狀態(tài)鎖定電路

2)無線收發(fā)電路。

列車編組長且軸箱檢測點多，當(dāng)檢修人員到達(dá)故障點時,所測得的溫度數(shù)據(jù)并不是故障時的實時數(shù)據(jù)，容易造成故障漏檢。RF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸模塊具有功耗小、成本低、容易實現(xiàn)多對一數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點[11]。本文采用RF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與STM32F103C8單片機的標(biāo)準(zhǔn)SPI接口連接，實現(xiàn)故障歷史溫度數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收。檢修人員可以通過手持終端查看軸承的歷史故障數(shù)據(jù)。具體的RF24L01模塊接口電路如圖6所示。

圖6 RF24L01模塊接口電路

2 軸承溫度檢測程序設(shè)計

軸承溫度檢測也就是MAX6675芯片將軸承實時溫度的變化通過A/D轉(zhuǎn)換為12位二進(jìn)制數(shù)，并通過A/D轉(zhuǎn)換模型計算溫度值。因此，如果要計算軸承的溫度值就必須準(zhǔn)確建立A/D轉(zhuǎn)換模型。

2.1 軸溫計算模型的建立

以鉑電阻溫度計為參考標(biāo)準(zhǔn)，使用MAX6675對K型熱電偶進(jìn)行A/D值采樣，具體采樣數(shù)據(jù)見表2。

表2 K型熱電偶溫度A/D采樣值

根據(jù)最小二乘法對采樣值進(jìn)行線性擬合與二次曲線擬合，可得[12]：

L(x)=0.119 7+0.258 1x

(1)

Q(x)=-0.981 2+0.284 2x-0.000 100 1x2

(2)

式中：L(x)為線性擬合函數(shù)；Q(x)為二次曲線擬合函數(shù)；x為A/D轉(zhuǎn)換值。

由式(2)可知，二次曲線擬合函數(shù)Q(x)中因子x2的系數(shù)為-0.000 100 1，可以忽略二次項，因此軸溫計算函數(shù)可以直接用式(1)計算。

2.2 溫度轉(zhuǎn)換與報警指示程序設(shè)計

1)溫度轉(zhuǎn)換程序設(shè)計。

溫度轉(zhuǎn)換程序是將STM32F103C8單片機的PB12、PB13、PB14引腳與MAX6675模塊的CS、SCK、SO引腳連接，通過模擬SPI時序的方式實現(xiàn)MAX6675的通訊功能[13]，其中CS為片選信號輸入端(低電平有效)，SCK為A/D轉(zhuǎn)換時鐘信號輸入端，SO為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端。在CS引腳有效的情況下，單片機在SCK引腳模擬高電平持續(xù)時間100 μs、低電平持續(xù)時間100 μs的時鐘信號，在SO端得到軸承溫度A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。由于MAX6675芯片轉(zhuǎn)換的結(jié)果存儲在AD變量的高12位，因此需要在變量AD中將結(jié)果數(shù)據(jù)右移3位得到實際A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，最后將12位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果代入式(1)計算得到溫度值。具體的MAX6675溫度轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖7所示。

2)報警指示程序設(shè)計。

列車熱軸故障的判斷依據(jù)為軸承本體溫度超過90 ℃或本體溫度超過環(huán)境溫度40 ℃。在報警指示程序中首先調(diào)用MAX6675芯片的溫度轉(zhuǎn)換程序讀取K型熱電偶的數(shù)據(jù)，其次調(diào)用LM75A芯片的溫度轉(zhuǎn)換程序讀取環(huán)境溫度。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時采用取10組溫度數(shù)據(jù)去掉最大值和最小值并求平均值的方法對溫度檢測結(jié)果進(jìn)行數(shù)字濾波，若軸承溫度超過90 ℃，判斷為激熱故障，單片機將記錄

圖7 溫度轉(zhuǎn)換程序流程圖

最高的溫度值并啟動無線數(shù)據(jù)發(fā)送功能，發(fā)光報警裝置閃爍示警。當(dāng)軸承溫度大于環(huán)境溫度40 ℃時，判斷為軸承溫度異常，程序的處理措施與激熱時一致。具體的報警指示程序流程圖如圖8所示。

圖8 報警指示程序流程圖

3 設(shè)備安裝測試與實驗結(jié)果分析

3.1 設(shè)備安裝測試

1)設(shè)備安裝說明。

車輛無線軸溫報警儀采用鋁合金外殼加灌膠封裝工藝，可以滿足列車在行駛過程中的強度及防水要求，具體的實物圖如圖9所示。車輛無線軸溫報警儀內(nèi)部安裝有釹磁鐵，可以將設(shè)備直接吸附在列車轉(zhuǎn)向架的側(cè)架上，發(fā)光報警裝置安裝在輪對軸端用以指示故障點的位置，熱電偶傳感器通過螺栓安裝在軸溫檢測點，具體的設(shè)備布置圖如圖10所示。

圖9 車輛無線軸溫報警儀實物圖

圖10 車輛無線軸溫報警儀的布置圖

2)設(shè)備測試。

為了對車輛無線軸溫報警儀的測溫準(zhǔn)確性進(jìn)行測試，采用主動加熱的方式對轉(zhuǎn)向架軸承進(jìn)行加熱。首先用鉑電阻溫度計測得軸承的溫度(標(biāo)準(zhǔn)值)，然后將列車無線軸溫報警儀測得的溫度與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，來檢驗車輛無線軸溫報警儀的準(zhǔn)確性。具體的實驗結(jié)果見表3。

表3 實驗結(jié)果 ℃

3.2 實驗結(jié)果分析

令δ為誤差率,δ=誤差/標(biāo)準(zhǔn)值×100%[14]，在0～100 ℃范圍內(nèi)，將設(shè)備測量值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，可以擬合得出誤差率變化曲線如圖11所示。

圖11 誤差率變化曲線

由圖11可以看出，K型熱電偶在低溫下的測量誤差大于高溫的誤差，這說明熱電偶一般適用于中高溫測量的場合，在0～100 ℃的測量范圍內(nèi)該設(shè)備的最大誤差小于0.7 ℃。因此可以滿足鐵路車輛軸承溫度測量靜態(tài)標(biāo)定在溫升40 ℃時誤差不大于±2 ℃、溫升在70 ℃時誤差不大于±3 ℃的精度要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款鐵路車輛無線軸溫報警儀，該設(shè)備采用實時檢測方式克服了現(xiàn)有系統(tǒng)實時性差的不足；采用發(fā)光報警電路主動指示故障點解決了現(xiàn)場檢修人員無法快速定位故障點的弊端；采用無線數(shù)據(jù)傳輸電路實現(xiàn)了軸承歷史數(shù)據(jù)查詢的功能，方便現(xiàn)場檢修人員進(jìn)一步確認(rèn)故障。實驗證明，該檢測設(shè)備可以滿足鐵路車輛軸溫檢測的精度要求。