摘 要：本測量系統(tǒng)主要使用ATMEGA16L 單片機(jī)和邦納公司生產(chǎn)Q45ULIU64ACR 型超聲波傳感器。本文介紹了該測量系統(tǒng)的工作原理、硬軟件設(shè)計、軟件流程，并對實驗結(jié)果進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：車鉤；測距；超聲波傳感器；單片機(jī)
1. 引言
貨車、客車車輛在補修、段修和廠修時必須檢測車鉤到軌道的垂直距離，為了便于連掛和行車安全必須規(guī)定車鉤高度（車鉤中心線到鐵軌上表面的垂直距離）在一定的范圍內(nèi)[1] （客車：880mm，允許＋10mm，－5mm 的誤差；貨車：880mm，±10mm 的誤差）。車輛在進(jìn)行段修時，由于要對轉(zhuǎn)向架、車鉤若測量不準(zhǔn)，將嚴(yán)重影響列車的行車安全。而目前我國鐵路各車輛段均采用比較原始的手工測量方法，誤差大，效率低，費時又費力，無法滿足鐵路列車高速重載的發(fā)展要求 [2]。針對以上問題，本文闡述了車鉤高度超聲波測量系統(tǒng)的功能原理及軟硬件設(shè)計。
2. 工作原理
測量系統(tǒng)采用超聲波傳感器，自車鉤中心線向下豎直發(fā)射超聲波，并由放置在鐵軌面的的薄板反射回來，傳感器接收到回波，由于光波在空氣中的傳播速度一定，通過計時器所計得的時間即可算出車鉤的高度。圖1 為測距原理的示意圖。
圖1 測距原理示意圖
整個系統(tǒng)由測量距離的單片機(jī)控制和用于系統(tǒng)安裝定位的機(jī)械部分組成。除了主要的高度測試功能，系統(tǒng)采用智能化、人性化設(shè)計，還具有以下幾個特色：
（１）設(shè)有小鍵盤和液晶屏。用于控制測試及其他功能，液晶屏顯示測量結(jié)果，方便查看。
（２）單片機(jī)控制系統(tǒng)擴(kuò)展一個存儲器，可存儲不少于1000 個測試數(shù)據(jù)。各個測量數(shù)據(jù)都標(biāo)有序號和相關(guān)的信息，方便用戶查詢。
（３）帶有電源電量信息采集電路，并將電量信息顯示在液晶顯示器中，幫助用戶了解電量使用情況，并提醒用戶及時更換電池。
（４）系統(tǒng)設(shè)計了某些特殊情況出錯時的應(yīng)急處理程序，最大限度地保證測試的可靠和數(shù)據(jù)的安全。
（５）采用I2C 總線，可方便與微機(jī)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
3. 硬件設(shè)計
硬件系統(tǒng)包括：單片機(jī)控制系統(tǒng)、超聲波傳感器、鍵盤和顯示電路以及直流電源部分。其組成結(jié)構(gòu)見圖2。
圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
單片機(jī)為ATmega16L-8pu 型AVR 單片機(jī)；傳感器選用美國邦納Q45ULIU64ACR 型超聲波傳感器；顯示器選用天正達(dá)TS12864 圖形液晶屏，電源采用9Ｖ的電池。
Q45ULIU64ACR 型超聲波傳感器將測量的距離值轉(zhuǎn)換為模擬量（電壓或電流）輸出。可檢測范圍為100mm～3.0m，分辨率為距離的0.1%（最小0.25mm）,線性度為滿量程的1%，并帶有溫度補償。由于車鉤的標(biāo)稱高度大多在880mm 左右，允許檢測誤差為±0.2%，因此該傳感器能夠滿足系統(tǒng)要求。Ｑ45Ｕ傳感器接線方式如圖3 所示，圖中棕線、藍(lán)線和黑線分別為傳感器電源正極、負(fù)極和電壓輸出。其中模擬量0～10Ｖ線性對應(yīng)于一定范圍的距離值，其輸出經(jīng)分壓電路（將0～10Ｖ降為0～5Ｖ以適應(yīng)單片機(jī)Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換器的輸入要求）接入單片機(jī)的Ａ/D 轉(zhuǎn)換器。由Ａ/D 轉(zhuǎn)換器采樣測得電壓值，經(jīng)程序處理得出高度值。
圖3 傳感器接線圖
鍵盤設(shè)有系統(tǒng)啟動鍵、測試鍵、保存健、查詢、翻頁鍵、刪除鍵等功能鍵以方便用戶的使用。圖形液晶可顯示中文、英文、數(shù)字等字符，用于顯示歡迎界面、操作提示、測試結(jié)果以及電源電量等信息。電源電量提示功能可由Ａ/D 對電源電壓采樣進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)需要向微機(jī)導(dǎo)出數(shù)據(jù)時，可通過I2C 總線進(jìn)行連接實現(xiàn)通信。
4. 軟件設(shè)計
系統(tǒng)要求實現(xiàn)測距、保存數(shù)據(jù)和查詢歷史數(shù)據(jù)的功能。這些功能相應(yīng)地在軟件上進(jìn)行設(shè)計。系統(tǒng)主程序的流程見圖4。
圖4 主程序流程圖
按下開關(guān)鍵啟動系統(tǒng)后，系統(tǒng)將進(jìn)行各部件的初始化，等待鍵盤的輸入。若按下測距鍵，系統(tǒng)將控制超聲波傳感器發(fā)射超聲波，接收回波，處理數(shù)據(jù)，得出測量值并通過顯示器顯示出來，供用戶保存或其它處理；若按下保存鍵，系統(tǒng)自動對測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存供用戶以后查詢；若按下查詢鍵，即可對歷史測量數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢訪問，鍵盤上還設(shè)有向上和向下翻頁的按鍵，方便用戶查詢。
根據(jù)上述內(nèi)容，可設(shè)計如圖５所示的測距子程序。
圖5 測距子程序流程圖
5. 實驗結(jié)果分析
表１為常溫下在880±15mm 測量范圍的實驗數(shù)據(jù)。經(jīng)過大量測試實驗，發(fā)現(xiàn)在測量范圍（本系統(tǒng)為100mm～1.4m）內(nèi)系統(tǒng)測量誤差小于±3mm，并且測量穩(wěn)定，重復(fù)精度高，受環(huán)境影響小。由此可見只須正確操作，排除人為使用不當(dāng)造成的誤差，系統(tǒng)的測試效果非常理想。
表1 實驗數(shù)據(jù)
6. 結(jié)束語
本系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)代超聲波測距傳感器，采用單片機(jī)控制技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采樣，濾波，并做數(shù)據(jù)處理，利用液晶屏顯示，完成車鉤與軌道的垂直距離的智能檢測。本裝置將具有體積小，精度高，功耗低，自動化程度高的特點，可作為現(xiàn)場檢測人員理想的便攜式工具。
