1、基于 STM32 机车轴温检测装置的设计 郑俊飞 翟军勇 东南大学自动化学院 摘 要： 机车行驶时轴承极易发热磨损, 若轴温太高时不能及时检测出来并发出报警, 将对机车行驶造成一定的安全隐患。将轴温检测装置安装在机车的每一个转向架上, 最后将整列机车上的机车轴温检测装置的数据通过总线发送至上层的轴温处理器进行集中处理。机车轴温检测装置以 STM32 模块为核心, 还包括温度采集模块、电源模块、通信模块以及屏蔽盒。关键词： 轴温; 转向架; STM32; 收稿日期：2017.7.20Design of Locomotive Axle Temperature Detection Device Ba
2、sed on STM32Abstract： When the locomotive is running, the bearing is easy to generate heat and wear.If the axle temperature is too high, it cant be detected in time and alarm, which will cause certain safety hazard to the locomotive running.The axle temperature detecting device is installed on each
3、bogie of the locomotive, and finally, the data of the locomotive axle temperature detection device on the whole locomotive is sent to the upper axle temperature processor by the bus for centralized processing.The locomotive axle temperature detection device takes STM32 module as the core, including
4、DS18 B20 temperature acquisition module, power module, communication module and shielding box.Keyword： axle temperature; bogie; STM32; Received： 2017.7.20近年来随着机车的快速发展, 在铁路运输中对控制和检测方面提出了更高的要求1。为保证机车安全运行, 要求对机车各关键部分及其运行状态进行实时监测。而轴承温度就是关键参数, 轴承是机车转向机构的主要部件之一, 是保证机车安全运行的重要部件2。机车行驶时与钢轨容易产生冲击, 加上机车自身重量和载重
5、量较大, 从而导致机车轴承发热、磨损。目前广泛使用的机车轴温检测装置存在很多缺限, 例如非接触式红外线轴温探测设备存在成本高、适应环境能力差、测量误差大、可靠性差等缺点4, 而以往的接触式轴温检测装置则存在结构复杂、抗干扰性能低、功耗大等缺点。本文设计一种结构简单、响应速度快、低功耗、抗干扰性能强的机车轴温检测装置。1 硬件结构轴温检测装置由 STM32 模块、温度采集模块、通信模块、电源模块组成, 然后将硬件安装于屏蔽盒中。图 1 轴温检测装置硬件结构图 下载原图1) STM32 模块, 用于接收和处理温度采集模块采集的温度数据, 判断温度数据是否满足报警条件, 若满足报警条件则发出相应的报
6、警代码至上层处理器。单片机每隔一段时间将温度数据等信息经通信模块发送至上层处理器。STM32 模块由 STM32F103T8U6 芯片, 时钟以及复位等组成。芯片 STM32F103T8U6 只有 36引脚, 结构简单且具有低功耗、响应速度快等特点。2) 温度采集模块, 包含 5 路温度传感器, 均采用数字式温度传感器 DS18B205,具有体积小、功耗低、精度高、抗干扰能力强等特点。轴温传感器 DS18B20 安装在每个转向架的车轴轴箱上, 轴温传感器探头采用不锈钢材质, 在轴箱上开一个螺纹孔, 此螺纹长度可根据实际开孔深度进行调节。转向架上的 4 个轴温传感器通过连接单片机不同的 I/O
7、口来识别传感器对应的机车车轴位置, 余下1 个 DS18B20 传感器用于采集环境温度。轴温传感器外观如图 2 所示。图 2 轴温传感器结构图 下载原图3) 通信模块, 用于单片机与上层处理器之间通信, 采用 CAN 总线, 选取SN65HVD230 作为 CAN 收发芯片。该芯片 CANH、CANL 两根线分别挂接在连接整列机车通信的 CAN 总线上对应的 CANH、CANL, CAN 总线两端连接终端电阻120, 以提高数据通信的可靠性和抗干扰性。4) 电源模块, 用于给温度采集模块、单片机、通信模块供电。电源模块将DC110V (波动范围 DC77138V) 降至 5V 和 3.3V 给
8、上述模块供电。此外, 需将模拟地和数字地用零欧电阻隔离, 以提高整体电路系统的稳定性及对外抗干扰性能。5) 屏蔽盒, 用于屏蔽干扰和保护硬件电路板, 同时提高轴温检测装置的使用寿命。它采用铝制外壳, 表面需要喷塑处理。将包含 STM32 模块、电源模块、通信模块、温度采集模块 (除传感器之外) 的电路板安装在屏蔽盒内部, 从而屏蔽干扰信号, 延长轴温检测装置的使用寿命。屏蔽盒结构图如图 3 所示。其中X1、X2、X3、X4 为轴温传感器接口, X5 为环温传感器接口, X6、X7 为 CAN 总线接口, X8 为电源接口。2 软件设计机车运行时一旦给轴温检测装置上电, 单片机开始自检。检测到端
9、口无连接或连接错误则发送端口错误代码至上层处理器。单片机自检无误后, 便开始正常工作。轴温检测装置的软件部分主要是对环境温度传感器和机车车轴上的 4 路温度传感器进行实时温度采集, 并形成轴温记录每隔一段时间发送至上层处理器保存下来。同时采用 4 种轴温报警方式处理轴温数据是否达到报警条件, 满足报警条件则发出报警代码至上层处理器。本装置有以下 4 种轴温报警方式可供使用。图 3 屏蔽盒结构图 下载原图1) 基于环境温度报警方式的报警条件:TTA1+T1, 其中, T 为测量的轴温, TA1 为环境温度, T1 为设定的温升值, 40T160, 温度单位为;2) 基于平均温度报警方式的报警条件
10、:TTA2+T2, 其中, T 为测量的轴温, TA2 为平均温度, T2 为设定的温升值, 10T240, 温度单位为;3) 基于温升报警方式的报警条件:TT3, 其中, T 为测量轴温在经历时间 n 分钟之后升高的数值;T3 为设定的温升值, 10T380, 1n30, 温度单位为;4) 基于超温报警方式的报警条件:TTALM, 其中, T 为测量的轴温, TALM 为超温度报警温度限值, 设定 TALM=100。温度单位为。图 4 是利用软件编写的上位机轴温报警界面。该报警界面包含整列机车的轴温报警情况, 每台轴温检测装置采集 4 个不同轴温, 依次对应 4 个指示灯, 红色为报警状态,
11、 绿色显示正常。若每个轴温满足上述报警条件中的一种, 则对应的轴温指示灯变红, 显示报警。此外, 若传感器连接异常时, 无法正常采集温度, 单片机在一定的时间内无法获得轴温数据, 也会发送异常代码, 将上位机的对应轴温状态变成红色。图 4 上位机轴温报警界面 下载原图图 5 是利用软件实现的轴温曲线图。每节车厢的转向架上都安装一台轴温检测装置, 每节车厢都包括 4 个轴温曲线图, 对应 4 个不同位置的轴温, 在上位机可实时显示轴温动态变化。图 5 上位机轴温曲线图 下载原图3 结束语机车轴温检测装置实时检测轴温, 满足报警条件则发出相应的报警代码, 在上位机可显示轴温变化曲线及报警情况。与传统的轴温检测装置相比, 本轴温检测装置具有结构简单、测量范围广、测量精度高、响应速度快、低功耗、可靠性高等特点, 轴温检测装置的消耗总功率不超过 3W。参考文献1陈大名.铁道车辆制动M.北京:中国铁道出版社, 2005 2刘涛.高速铁路列车轴温探测系统的研究与设计D.成都:西南交通大学, 2008:12 3吴春夏, 许建忠, 王海生.机车轴温报警仪显示仪研制与应用J.铁道机车车辆, 1999 4陈殿奎, 张进德.红外线轴温检测技术的开发和应用J.设备管理, 1987 5粟慧龙, 韩雪.基于 USB 海量存储的机车轴温监测装置设计J.自动化技术与应用, 2013 (32) :76-78
