光機電一體化測控系統

綜合實踐北京交通大學機電學院機械工程實驗教學中心一、本課程設計的目的《光機電一體化測控系統綜合實踐》是測控技術與儀器專業重要的實踐環節，是制定機電大類專業培養計劃后新增加一個實踐環節，體現硬件、軟件與工程應用的結合。該課程是在系統地學習了專業基礎課程之上的一門綜合實踐課程，以傳感器原理及應用、微機原理及接口技術、測控電路、自動控制原理、計算機控制技術、信號與系統、光電信息技術、智能儀器儀表技術等課程為支撐，綜合以上課程所學內容，將機械知識、電子電路知識、光學知識以及微機系統的應用融合在一起的一門實踐課程。一、本課程設計的目的學生從傳感器的選擇、信號的調理、與單片機或PC機系統的接口、執行機構的設計以及裝置模型的機械結構設計全部由學生獨立完成。二、本課程設計的選題背景動車組核心技術列車網絡控制二、本課程設計的選題背景動車組技術人才培訓計劃我院承擔動車組人才培訓任務我院為動車基地輸送畢業生二、本課程設計的選題背景本課程設計完成動車組列車網絡控制系統的模型設計。動車組列車控制模型系統的組成結構包括車載中央處理單元和多個節點單元，它們之間采用列車通信網絡聯系在一起。MPU單元是控制系統的核心，它負責監控、協調各個控制節點單元的運行和信息傳輸、共享，并通過無線通信模塊將車載系統的運行狀態、故障信息傳遞給地面檢修系統。二、本課程設計的選題背景三、本課程設計的分組題目MPU動車組主控制單元無線通信模塊動車檢修基地檢修站計算機TCU列車控制單元HVAC單元DOOR門控制節點PIS旅客信息系統WC控制系統①列車通信網絡-485通信網②③④⑤⑥⑦⑧無線通信模塊1.列車通信網絡設計-485通信

在動車組車載控制系統中列車通信網絡是非常關鍵的一個環節，它將車載的各個控制單元連接在一起，是控制命令、數據信息、和聯絡信號的傳輸通道。該通信網絡連接的節點有PC機、單片機，PC機作為485通信中的主機，單片機的節點作為從機。傳輸的數據采用簡化的（或自定義的）列車通信網絡（TCN）協議。本組任務：為實現PC機與多單片機節點（2點）的485通信，設計硬件接口電路，建立物理層的連接通道。查閱學習串行通信協議：485協議，簡化標準通信協議定義模型系統的數據傳輸協議設計多機通信的軟件，包括主機（PC機）通信程序(獲取和顯示單片機節點信息)，控制節點單片機的通信程序（模擬其它節點發送多種信息）。主機程序可以采用VB等編寫。技術重點與難點：（1）485通信網絡物理層通信通道的設計（2）列車通信網絡（TCN）協議的定義與實施2.列車無線通信系統設計無線通信系統是動車組與地面檢修基地進行數據傳輸的通道。采用無線通信模塊實現車載系統數據向地面的無線傳輸，及接收地面系統發來的控制信號。車載系統主要由MPU主機單元（PC機）負責與地面檢修站計算機（PC機）通信，但在某些特殊情況下，列車控制節點也會以無線通信方式直接與地面發送/接收數據。本組任務：選擇無線通信模塊，設計PC機與PC機、PC機與單片機的無線硬件接口電路及通信通道。定義無線通信的協議，設計無線通信的軟件，包括PC機通信程序及單片機的通信程序。設計地面PC的信息顯示界面。技術重點與難點：（1）無線數據通信原理與硬件接口電路設計（2）單片機通信程序設計（3）PC機高級語言應用程序的設計3.動車組主控制單元（MPU）取消動車組司機室布置圖主控制單元由PC機承擔，能輸入司機號、交路、車次等基本信息，并能顯示列車的運行狀態如速度、運行方向、編組情況等；同時還要顯示列車上一些監控設備的信息，如門的狀態、空調的狀態等；及各個節點的運行狀態信息。并負責協調、調度節點與主控單元、主控單元與地面的各種通信。本組任務：取消本組任務：取消設計列車管理信息系統的結構設計顯示屏按照顯示內容實現分屏多幀信息顯示。（具體顯示信息可由指導教師提供）采用第一小組的成果，實現與各個節點之間的數據通信傳輸。采用第二小組的成果，實現與地面計算機的無線數據傳輸。技術重點與難點：取消（2）PC機高級語言應用程序的設計（1）列車管理信息系統總體結構設計（3）列車通信網絡的協調、調度4.列車控制單元（TCU）列車控制單元模擬動車組牽引、制動系統的功能。采用萬向開關模擬司機操縱手柄位，列車動力單元采用小直流電機替代。操作人員通過萬向開關控制電機的啟動、停止、加速、減速等動車組運行工況。TCU單元檢測并顯示列車運行速度，同時TCU需將本單元的運行參數等信息傳輸給主控單元，并接受主控單元的有關控制命令。本組任務：采用單片機為核心設計列車控制單元。采用萬向開關控制電機的啟動、停止、加速、減速。完成電機轉速檢測，采用LED七段數碼管顯示器顯示轉速。技術重點與難點：（1）電機的轉速控制技術（2）轉速檢測與顯示5.HVAC控制節點HVAC控制節點負責車廂內環境的監控。對車廂內的溫度、濕度、光照度、車廂內外的氣壓等項目進行監測與控制。本組任務：采用單片機為核心設計HVAC控制節點。對車廂內的溫度、濕度、光照度、車廂內外的氣壓等項目進行檢測。并控制風扇、遮光簾（步進電機）、電燈等執行機構的動作。技術重點與難點：（1）HVAC控制節點各檢測項目傳感器選擇及電路設計（2）HVAC控制節點執行機構的模擬與控制6.門控制節點列車上的門有兩類，旅客上下門及各節車廂之間的風擋門。旅客門要根據當前列車運行速度允許開啟，當車速不為0時，開門使能按鈕（此按鈕只管是否允許門打開）無效，門不能開啟。列車停穩后，可以開門（通過開門按鈕）。車速信號通過通信網絡從主控單元獲得。風擋門在正常運行時，當檢測到有人需要通過時，自動開啟，也可手動開啟；但在車廂內發生火警時，就不能再自動或手動開啟。本組模擬車上的門控制單元的功能，門的開啟關閉采用直流電機實現，并有限位開關限制門的最大開啟度。采用熱釋電紅外傳感器檢測是否有人，采用紅外二極管檢測火警信號。本組任務：6.門控制節點采用單片機為核心設計門控制節點，根據以上要求實現兩類門的自動控制。對執行機構進行設計選型，并制作模擬門，實現兩種門的開閉功能設計調試熱釋電紅外傳感器的檢測電路，要求避免誤動作。技術重點與難點：（1）門控制節點的模擬與控制（2）門控制節點的安全控制規則的設計與實現7.旅客信息系統（PIS）車廂內顯示屏旅客信息系統分為車廂內顯示屏和車廂外顯示屏。車內分屏顯示車廂號、前方到站等，還需要顯示車廂內的溫度、濕度、車廂內外的氣壓等項目；車外顯示車次、始發站、終點站等內容。兩顯示屏均采用液晶顯示屏。7.旅客信息系統（PIS）采用單片機為核心設計PIS系統，實現內外屏的信息顯示。使旅客信息定時自動顯示切換，并可以由旅客在車廂內采用按鍵進行一些信息查詢。溫度、濕度、壓力、前方到站等信息來自主控單元（模擬能夠收到）。本組任務：技術重點與難點：（1）雙液晶顯示屏顯示模式設計（2）單片機顯示屏編程調試8.WC控制節點WC控制感應洗手池WC實現車內廁所的控制。能夠進行有人/無人檢測顯示，能夠在旅客離開后自動進行沖洗。并監測污物容器的液位，在液位達到限度時關閉廁所8.WC控制節點采用MCS-51單片機為核心設計WC控制系統，包括液位檢測、有人無人檢測、占用狀態顯示、沖水控制等。設計調試紅外熱釋電傳感器的檢測電路，要求避免誤動作本組任務：技術重點與難點：（1）WC節點的模擬與控制（2）WC節點的傳感器選擇與電路設計四、課程設計的總要求本次課程設計時間為3周。設計題目共7個，每4-5人一組，有兩小組設計相同的題目。分組-學生自由組合。每組確定一位同學作為組長，負責組織本小組的設計任務分配等事宜。五、時間安排（1）分組、選題、調試計算機：1天（2）資料收集、方案設計和任務分配：2天（軟硬件總體結構，特殊傳感器和元器件的選購），下周三提交設計方案，并領取硬件。（3）制作安裝調試，以及設計說明書撰寫：10天（4）演示答辯：1天六、成績評定平時設計表現；是否按設計任務書完成全部工作；課程設計成果演示，實驗結果和程序運行是否正確；答辯表現；設計說明書撰寫是否規范。七、課程設計說明書撰寫規范1．說明書格式說明書手寫、打印均可，手寫要用用黑或蘭墨水工整書寫，打印用小四號字，行間距為1.25行，B5紙，上下左右各留20mm。2．說明書結構及要求1）封面封面包括：題目、院系、班級、學生姓名及時間（年、月、日）2）任務書3）摘要摘要是論文內容的簡短陳述，一般不超過300字。關鍵詞應為反映論文主題內容的通用技術詞匯，一般為4個左右，一定要在摘要中出現。七、課程設計說明書撰寫規范4）目錄目錄要層次清晰，要給出標題及頁次，目錄的最后一項是無序號的“參考文獻資料”。5）正文正文應按目錄中編排的章節依次撰寫，要求計算正確，論述清楚，文字簡練通順，插圖簡明，書寫整潔。文中圖、表及公式不能徒手繪制和書寫。6）參考文獻（資料）參考文獻必須是學生在課程設計中真正閱讀過和運用過的，文獻按照在正文中的出現順序排列。八、設計期間基本要求1．學習態度要有勤于思考、刻苦鉆研的學習精神和嚴肅認真、一絲不茍、有錯必改、精益求精的工作態度，對有抄襲他人設計（論文）或找他人代畫設計圖紙、代做等行為的弄虛作假者一律按不及格記成績，并根據學校有關規定給予處理。要積極主動參與設計，努力多承擔任務，爭取做主力隊員。要敢于創新，勇于實踐，注意培養創新意識和工程意識。扎實掌握課程的基本理論和基本知識，概念清楚，設計正確，結構設計合理，實驗數據可靠，軟件程序運行良好，繪圖符合標準，說明書撰寫規范，答辯中回答問題正確。八、設計期間基本要求2．學習紀律要嚴格遵守學習紀律，遵守作息時間，不得遲到、早退和曠課，每天出勤不少于8小時。如因事、因病不能上課，則需請假，凡未請假或未獲準假擅自不參加者，均按曠課論處。3．公共道德要愛護公物，搞好環境衛生，保證實驗室整潔、衛生、文明、安靜。嚴禁在實驗室內進行與課程設計無關的活動。九、各組工具及元器件元器件清單：序號名稱數量序號名稱數量189C51（燒寫程序時再發）1628155173LED8*8(B1288)18474LS1429510注：以上元器件不能直接焊在板上。十、參考書及其他資源《傳感器原理及工程應用》西安電子科技大學出版社《單片機原理及其接口技術》清華大學出版社《測控電路》

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