城市轨道交通车辆检测课程设计.doc

检测与传感技术课程设计

列车司机综合监测系统（DMS）设计

学 院：城市轨道交通学院
系(教研室)：车辆工程系
课程名称：检测与传感技术
课程代号：109147
适用专业：机械工程及自动化（城市轨道交通车辆工程）
姓 名： 潘汪洋
学 号：101112215
指导教师：尧辉明

上海工程技术大学
城市轨道交通学院
2015.11

检测与传感技术课程设计
目录
1. 概述 1
2. 总体方案 1
2.1技术条件 2
2.2总体方案 3
3. 个人项目具体分工 4
4. 单片机的选择 5
4.1单片机的简介…………………………...………..…………...5
4.2 STM32单片机的技术参数 ………………………………….6
5. 设计过程 6
5.1硬件的连接……………………………………………………7
5.2编写程序…………………………..……………………….……………………8
5.3照度传感器的程序调试………………….…………………..18
6. 总结 18
7. 结束语 19
8. 参考文献 20

列车司机综合监测系统（DMS）设计

1. 概述
现如今城市轨道交通在中国的很多城市交通中占有着举足轻重的作用，在未来的时间里它还将在更多的城市发展，人们对地铁列车安全性和舒适性等方面的要求也越来越高。因而它吸引了一大批人对其发展和完善的关注。作为城市轨道交通学院的学生，我们对城市轨道的关注度和敏感度不亚于任何人。
轨道车辆的空调和照明系统作为新型轨道车辆的舒适度系统,随着技术的进步，空调温度和湿度的调控变得更加智能化和实时化，客室的照明系统能够根据背景的光照强度自动调节。但也增加了轨道车辆车厢舒适度系统的复杂性。
同时，轨道车辆的轴承始终处于高速运动中，机车和钢轨的频发冲击会造成车辆轴承的发热，当轴承磨损和产生缺陷时，会造成机损从而影响车辆的正常运行，甚至出现热切轴，直接导致车辆发生故障翻车，给国家和社会在铁路运输造成巨大的经济损失。
如何保障轨道车辆车厢空调、照明系统和车辆运行的安全、可靠性已经越来越受到人们的关注。进行客室温湿度、照度以及轴温的实时监测、从而进行故障诊断与监测是保证轨道车辆车厢空调和照明系统正常运行,保障旅客行车安全性和舒适性的有效方法。而让司机进行实时监控，保证车辆的运行安全以及乘客的乘坐舒适度也是城轨发展的大势所趋。
2.总体技术条件
2.1技术条件
根据GB9673-1996《公共交通工具卫生标准》：
本标准规定了旅客列车车厢、轮船客舱、飞机客舱的微小气候、空气质量、噪声、照度等标准值及其卫生要求。 本标准适用于旅客列车车厢、轮船客舱、飞机客舱等场所。
空调温度：冬季 18~20 ℃ 夏季 24~28℃ 非空调 ＞14 ℃
相对湿度： 40~70%
照度： 客室≥75lx
根据《铁道技规》：
走行部监测装置报警现象及处理 第二十六条 走行部监测装置报警现象及处理： 1.相对温升报警：列车在运行中，某轴位温升超过55℃（含55℃）而显示的该轴位实际温度未达90℃时，设备声光报警。乘务员应密切注意相应轴位温升情况，同时加强后部了望，如观察走行部无异常情况且温度未升至90℃，可维持运行回段（或运用整备点）报活处理。 2.绝对温度报警：当某轴位温度显示达到或超过90℃时，乘务员应在前方
最近的站内停车(注意不要大减压或紧急停车)，停车后用手背接触检查确认该轴位温度，在确认温度达到90℃时，在应急处理无效时应请求更换机车。
2.2总体方案
设计思路：
为了监测客室的温湿度和照度，我们需要购买采用相应的传感器进行采集。随后我们要将采集到的数据传输到单片机上。由于传感器和单片机的传输距离比较近，因此我们直接采用杜邦线来传输。既经济又方便，然后我们要将采集到的数据存储到对用的存储设备中。应该思考我们采用了我们都较为熟悉的sd卡。最后则是将数据传输到司机室的显示屏上。由于传输的距离较远，在一百米左右。因此我们考虑采用2.4G无线传输，能够达到传输距离的要求。司机室的单片机接受到数据之后，将其传输到显示屏上显示出来。
设计步骤：
1、 查找资料并进行实地调研选取设计方案；
2、 基于相关资料进行传感器的选型；
3、 数据采集系统的选择；
4、 组装调试编写代码；
5、 传感器信号的调理和采集；
6、 对接受的数据进行显示、评价和分析。
系统结构图如下：

轴温传感器

轴温监测系统

照度传感器

客室舒适度监测系统

司机监测系统（带显示屏）

室温传感器

3．个人项目具体分工
黎萱：车辆轴温监测系统的安装工装设计
陈凯豪：车辆轴温监测系统的传感器的数据采集模块设计
孙大吉：车辆轴温监测系统的SD卡的存储或其他存储模块设计
钟国浩：基于无线射频技术轴温监测系统的数据传输模块设计

康炯杰：客室空调温湿度监测系统的安装工装设计
林立：客室照度监测系统的安装工装设计
潘汪洋：客室舒适度监测系统的传感器的数据采集模块设计
张志豪：客室舒适度监测系统的SD卡存储或其他存储模块设计
张飞翔：基于无线射频技术的客室舒适度监测系统的数据传输模块设计

管晓杰：列车司机综合监测系统的数据接收模块设计
庄雪儿：列车司机综合监测系统的单片机显示模块设计
4.单片机的选择
4.1单片机的简介
单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等

4.2 STM32单片机的技术参数
STM32F103ZE 参数
STM32F103ZE 存储器
程序存储器类型
Flash
Prog. (Bytes)
512 K
RAM (Bytes)
64 K
STM32F103ZE 性能参数
工作频率
72 MHz
16-bit 定时器
4
SPI
3
I2S
2
I2C
2
USART
5
USB
1
CAN
1
SDIO
1
GPIOs
112
引脚
144
电压 (V)
2 to 3.6
STM32F103ZE 封装与引脚
LQFP144

5．设计过程
5.1硬件的连接
• 按照DHT11的说明书，传感器的Vcc口接单片机的5v电源口，传感器的Data口接单片机的PC6口，传感器的GND口接单片机的GND口。连接方式为杜邦线。随后将J-link ARM仿真器连接到单片机上。
如图所示。

5.2编写程序
5.2.1软件选择
编写程序采用keil编程软件
Keil是美国Keil Software公司出品的单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部分组合在一起。

5.2温湿度传感器数据采集模块的调试
5.2.1温湿度传感器的程序编写
DHT11.C的编写
#include "DHT11.h"
#include "delay.h"

/*
* 函数名：DHT11_GPIO_Config
* 描述 ：配置DHT11用到的I/O口
* 输入 ：无
* 输出 ：无
*/
void DHT11_GPIO_Config(void)
{
/*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

/*开启GPIOD的外设时钟*/
RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);

/*选择要控制的GPIOD引脚*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;

/*设置引脚模式为通用推挽输出*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;

/*设置引脚速率为50MHz */
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

/*调用库函数，初始化GPIOD*/
GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);

/* 拉高GPIOD12 */
GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_6);
}

/*
* 函数名：DHT11_Mode_IPU
* 描述 ：使DHT11-DATA引脚变为输入模式
* 输入 ：无
* 输出 ：无
*/
static void DHT11_Mode_IPU(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

/*选择要控制的GPIOD引脚*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;

/*设置引脚模式为浮空输入模式*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU ;

/*调用库函数，初始化GPIOD*/
GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
}

/*
* 函数名：DHT11_Mode_Out_PP
* 描述 ：使DHT11-DATA引脚变为输出模式
* 输入 ：无
* 输出 ：无
*/
static void DHT11_Mode_Out_PP(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

/*选择要控制的GPIOD引脚*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;

/*设置引脚模式为通用推挽输出*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;

/*设置引脚速率为50MHz */
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

/*调用库函数，初始化GPIOD*/
GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
}

static uint8_t Read_Byte(void)
{

uint8_t i, temp=0;

for(i=0;i<8;i++)
{

/*每bit以50us低电平标置开始，轮询直到从机发出 的50us 低电平 结束*/
while(DHT11_DATA_IN()==Bit_RESET);

/*DHT11 以27~28us的高电平表示“0”，以70us高电平表示“1”，
通过检测60us后的电平即可区别这两个状态*/

// Delay_us(6); //延时60us
delay_us(60);

if(DHT11_DATA_IN()==Bit_SET)//60us后仍为高电平表示数据“1”
{
/*轮询直到从机发出的剩余的 30us 高电平结束*/
while(DHT11_DATA_IN()==Bit_SET);

temp|=(uint8_t)(0x01<<(7-i)); //把第7-i位置1

}
else //60us后为低电平表示数据“0”
{
temp&=(uint8_t)~(0x01<<(7-i)); //把第7-i位置0
}
}
return temp;
}

uint8_t Read_DHT11(DHT11_Data_TypeDef *DHT11_Data)
{
/*输出模式*/
DHT11_Mode_Out_PP();
/*主机拉低*/
DHT11_DATA_OUT(LOW);
/*延时18ms*/
// Delay_ms(18);
delay_ms(18);

/*总线拉高 主机延时30us*/
DHT11_DATA_OUT(HIGH);

// Delay_us(3); //延时30us
delay_us(30);

/*主机设为输入 判断从机响应信号*/
DHT11_Mode_IPU();

/*判断从机是否有低电平响应信号 如不响应则跳出，响应则向下运行*/
if(DHT11_DATA_IN()==Bit_RESET) //T !
{

/*轮询直到从机发出 的80us 低电平 响应信号结束*/
while(DHT11_DATA_IN()==Bit_RESET);

/*轮询直到从机发出的 80us 高电平 标置信号结束*/
while(DHT11_DATA_IN()==Bit_SET);

/*开始接收数据*/
DHT11_Data->humi_int= Read_Byte();

DHT11_Data->humi_deci= Read_Byte();

DHT11_Data->temp_int= Read_Byte();

DHT11_Data->temp_deci= Read_Byte();

DHT11_Data->check_sum= Read_Byte();

/*读取结束，引脚改为输出模式*/
DHT11_Mode_Out_PP();
/*主机拉高*/
DHT11_DATA_OUT(HIGH);

/*检查读取的数据是否正确*/
if(DHT11_Data->check_sum == DHT11_Data->humi_int + DHT11_Data->humi_deci + DHT11_Data->temp_int+ DHT11_Data->temp_deci)
return SUCCESS;
else
return ERROR;
}
else
{
return ERROR;
}

}

/*************************************END OF FILE******************************/

main.c的编写
/**
******************************************************************************
* @file ADC/ADC1_DMA/main.c
* @author MCD Application Team
* @version V3.3.0
* @date 04/16/2010
* @brief Main program body
******************************************************************************
* @copy
*
* THE PRESENT FIRMWARE WHICH IS FOR GUIDANCE ONLY AIMS AT PROVIDING CUSTOMERS
* WITH CODING INFORMATION REGARDING THEIR PRODUCTS IN ORDER FOR THEM TO SAVE
* TIME. AS A RESULT, STMICROELECTRONICS SHALL NOT BE HELD LIABLE FOR ANY
* DIRECT, INDIRECT OR CONSEQUENTIAL DAMAGES WITH RESPECT TO ANY CLAIMS ARISING
* FROM THE CONTENT OF SUCH FIRMWARE AND/OR THE USE MADE BY CUSTOMERS OF THE
* CODING INFORMATION CONTAINED HEREIN IN CONNECTION WITH THEIR PRODUCTS.
*
* <h2><center>&copy; COPYRIGHT 2010 STMicroelectronics</center></h2>
*/

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f10x.h"
#include <stdio.h>
#include "delay.h"
#include "dht11.h"

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* Private define ------------------------------------------------------------*/
DHT11_Data_TypeDef DHT11_Data;
/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void RCC_Configuration(void);
void GPIO_Configuration(void);
void USART_Configuration(void);
//printf函数
int fputc(int ch, FILE *f);
int GetKey(void);

/* Private functions ---------------------------------------------------------*/

/**
* @brief Main program
* @param None
* @retval None
*/
int main(void)
{

/* System clocks configuration ---------------------------------------------*/
RCC_Configuration();

delay_init(72);
/* GPIO configuration ------------------------------------------------------*/
GPIO_Configuration();

USART_Configuration();
DHT11_GPIO_Config();

while (1)
{
printf("Let measure the temperature and humidity\n");
/*调用Read_DHT11读取温湿度，若成功则输出该信息*/
if( Read_DHT11(&DHT11_Data)==SUCCESS) //“\”表示转向一下行
printf("\r\n系统正常运行中!\r\n\r\n 当前客室湿度:%d.%d ％RH ,当前客室温度: %d.%d℃ \r\n",\
DHT11_Data.humi_int,DHT11_Data.humi_deci,DHT11_Data.temp_int,DHT11_Data.temp_deci);
else
printf("Read DHT11 ERROR!\r\n");
delay_ms(1000);
}
}

void USART_Configuration(void)
{
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
/* USART1 and USART2 configuration ------------------------------------------------------*/
/* USART and USART2 configured as follow:
- BaudRate = 230400 baud
- Word Length = 8 Bits 用9位避免出错
- One Stop Bit
- Even parity
- Hardware flow control disabled (RTS and CTS signals)
- Receive and transmit enabled
*/
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 19200;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_9b; //注意此处为9位
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_Even;
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;

/* Configure USART1 */
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

/* Enable the USART1 */
USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

int fputc(int ch, FILE *f)
{
USART_SendData(USART1, (unsigned char) ch);// USART1 可以换成 USART2 等
while (!(USART1->SR & USART_FLAG_TXE));
return (ch);
}
// 接收数据
int GetKey (void)
{
while (!(USART1->SR & USART_FLAG_RXNE));
return ((int)(USART1->DR & 0x1FF));
}

/**
* @brief Configures the different system clocks.
* @param None
* @retval None
*/
void RCC_Configuration(void)
{
/* Enable peripheral clocks ------------------------------------------------*/
/* Enable DMA1 clock */

/* Enable ADC1 and GPIOC clock */
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
}

/**
* @brief Configures the different GPIO ports.
* @param None
* @retval None
*/
void GPIO_Configuration(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

/* Configure USART1 Tx (PA.09) as alternate function push-pull */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

/* Configure USART1 Rx (PA.10) as input floating */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD; // GPIO_Mode_IN_FLOATING
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}

#ifdef USE_FULL_ASSERT

/**
* @brief Reports the name of the source file and the source line number
* where the assert_param error has occurred.
* @param file: pointer to the source file name
* @param line: assert_param error line source number
* @retval None
*/
void assert_failed(uint8_t* file, uint32_t line)
{
/* User can add his own implementation to report the file name and line number,
ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */

/* Infinite loop */
while (1)
{
}
}
#endif

/**
* @}
*/

/**
* @}
*/

/******************* (C) COPYRIGHT 2010 STMicroelectronics *****END OF FILE****/

5.2.2程序烧录
采用FlyMcu V0.100 单片机在线编程专家进行调试：

5.2.3调试
使用串口调试助手进行程序调试：

经过不懈努力，程序调试成功！
5.3 照度传感器的程序调试
由于在购买照度传感器时，卖家并没有给我对应的资料，导致我在编程时遭遇了较大的阻碍。最后编写的程序未能成功。
6.总结
这次课程设计最大的难点是和单片机有关，而我们之前所学的课程和单片机没有太大的关系，所以我们遇到的第一个障碍是理论知识不足。
作为整个组的组长，我的第一任务就是引导全体组员去学习单片机的知识。为此，我们在网上和图书馆找了很多的资料，费了一番功夫终于弄清楚了单片机的工作原理。而单片机的编写，很幸运，由于我们之前学过c语言，因此我们上手还是较为迅速的。在完成了理论的学习之后，我们上淘宝挑选单片机的型号，最终选定了STM32f103单片机。选择的理由是价格便宜，功能齐全。
随后我们遇到的第二大难题是编程，要理解资料上已经编好的程序不算难事，但是要自己动手编程却比之间想象的要难得多。我在做我个人任务的时候，一开始编完程序，但是调试软件里只能显示一堆乱码，程序看了好几遍，完全不知道问题出来哪里。最后我彻彻底底的检查了一遍，最后发现是传感器的data口插错了，随后改到了pc6口之后，成功显示了温湿度。但是在想进行照度的编程时，由于卖家并没有给我们照度传感器的资料，因此我在编程时也是困难重重。最后由于时间紧迫且能力有限，最后没能完成照度传感器，也算是一个遗憾吧。
最后就是单片机的无线数据传输和显示器的显示了。这也是整个系统最难的部分。虽然负责无线传输和显示器部分的同学付出了巨大的努力去完成，当中也请教了通信信号专业的同学，但是由于我们所学的专业课并不涵盖单片机，因此最终也未能成功。
虽然说这次课程设计的难度很大，整个设计过程也非常的艰辛，结果也不是最为圆满。但是在过程中，我们学会了单片机的编程，硬件安装。提高了我们解决问题的能力。体会到了团队合作的重要性。最终也为我们下次课程设计打下了坚实的基础。

7.结束语
随着城市轨道交通技术的不断进步，人民生活水平的不断提高。人们对城市轨道车辆的客室舒适度的要求和对车辆运行安全的要求也在不断提高。因此必须要开发一套设备来对客室的温湿度照度以及轴温进行实时监测。我们小组的课题就是如此。虽然我们小组的系统并未在实际的车体上进行试验，系统运行稳定性，安全性并没有经过严格的检验和测试。因此，我们本次课设系统的实用性也无法得到保证。但我们此次课设的目的是为后人的研究和开发提供了一个全新的思路。例如：传感器和单片机的连接是否也可以采用无线传输，司机在司机室中能否根据监测到的客室温湿度照度和轴温情况直接通过系统进行控制（变“监测”为“监控”）。希望后人们站在我们的肩膀上，让乘客们在乘坐城市轨道交通时更加的舒适，也让城市轨道交通的运行更加安全可靠，让城市轨道交通的明天更加辉煌！
8.参考文献
[1]浅谈轴温监测技术及其在地铁车辆上的应用_梁汝军 鞠丽丽
[2] GB9673-1996《公共交通工具卫生标准》
[3]《铁道部技术管理规定》
[4] 十天学会单片机基础目 录
第1章 项目概况与项目建设的必要性 1
1.1项目概况 1
1.1.1项目名称 1
1.1.2项目主管单位 1
1.1.3 项目建设单位 1
1.1.4项目建设单位负责人 1
1.1.5项目建设性质 1
1.1.6项目建设地点 1
1.1.7项目建设期 2
1.1.8项目建设内容和规模 2
1.1.9项目投资估算 2
1.1.10项目资金筹措方案 3
1.1.11项目建设效益 3
1.2项目建设背景 3
1.2.1地理气候条件 3
1.2.2工业园区发展规划 4
1.2.3工业区已具产业规模 5
1.2.4项目提出的理由与过程 6
1.3项目建设必要性分析 9
1.3.1某某市“十一五发展规划”的要求 9
1.3.2某某市总体规划的要求 10
1.3.3某某市经济发展的要求 11
1.3.4园区发展的要求 12
1.4项目社会效益分析 13
1.4.1扩大内需，促进经济增长 13
1.4.2改善工业园区投资环境 14
1.4.3促进生产发展和提高人民生活水平 15
1.4.4促进园区的可持续发展 15
1.4.5带动园区周边土地增值及房地产发展 16
1.5项目建设可行性分析 17
1.5.1政府支持 17
1.5.2资金支持 17
1.5.3建设条件满足 18
1.6结论 18
第2章 项目建设内容及方案 19
2.1项目建设内容 19
2.1.1项目建设地点 19
2.1.2项目建设内容 19
2.1.3项目建设规模 19
2.2项目建设方案 20
2.2.1项目建设目标 20
2.2.2项目建设方案 20
2.2.3项目功能分析 23
2.3项目建设原则 26
2.3.1以人为本与可持续发展的原则 26
2.3.2集聚发展原则 27
2.3.3因地制宜原则 27
2.3.4环境保护原则 27
2.3.5节能降耗原则 27
2.3.6抗震原则 28
2.4建筑造型 28
第3章 项目建设和进度安排 29
3.1项目工程建设管理 29
3.1.1施工组织管理 29
3.1.2项目资金管理 29
3.1.3严格执行工程监理制度 29
3.2建设期安排与实施计划 30
3.2.1建设工期 30
3.2.2项目实施进度安排 30
3.2.3工程进度表