光机电一体化测控系统课程设计1教材

1、光机电一体化测控系统光机电一体化测控系统综合实践综合实践北京交通大学机电学院机械工程实验教学中心一、本课程设计的目的一、本课程设计的目的l光机电一体化测控系统综合实践是测控技术与仪器专业重要的实践环节，是制定机电大类专业培养计划后新增加一个实践环节，体现硬件、软件与工程应用的结合。l该课程是在系统地学习了专业基础课程之上的一门综合实践课程，以传感器原理及应用、微机原理及接口技术、测控电路、自动控制原理、计算机控制技术、信号与系统、光电信息技术、智能仪器仪表技术等课程为支撑，综合以上课程所学内容，将机械知识、电子电路知识、光学知识以及微机系统的应用融合在一起的一门实践课程。一、本课程设计的目的一

2、、本课程设计的目的l学生从传感器的选择、信号的调理、与单片机或PC机系统的接口、执行机构的设计以及装置模型的机械结构设计全部由学生独立完成。二、本课程设计的选题背景二、本课程设计的选题背景动车组核心技术动车组核心技术列车网络控制列车网络控制 二、本课程设计的选题背景二、本课程设计的选题背景l动车组技术人才培训计划我院承担动车组人才培训任务我院为动车基地输送毕业生二、本课程设计的选题背景二、本课程设计的选题背景l本课程设计完成动车组列车网络控制系统的模型设计。l动车组列车控制模型系统的组成结构包括车载中央处理单元和多个节点单元，它们之间采用列车通信网络联系在一起。lMPU单元是控制系统的核心，它

3、负责监控、协调各个控制节点单元的运行和信息传输、共享，并通过无线通信模块将车载系统的运行状态、故障信息传递给地面检修系统。 二、本课程设计的选题背景二、本课程设计的选题背景GWGWMPUMPUMc2M2STPM2T2TPBMHMc1Train bus列列车车总总线线Vehicle bus车车辆辆总总线线Vehicle bus车车辆辆总总线线Vehicle name车车辆辆名名称称三、本课程设计的分组题目三、本课程设计的分组题目MPU动车组主控制单元无线通信模块动车检修基地检修站计算机TCU列车控制单元HVAC单元DOOR门控制节点PIS旅客信息系统WC控制系统列车通信网络-485通信网无线通信

4、模块1.列车通信网络设计-485通信l 在动车组车载控制系统中列车通信网络是非在动车组车载控制系统中列车通信网络是非常关键的一个环节，它将车载的各个控制单元常关键的一个环节，它将车载的各个控制单元连接在一起，是控制命令、数据信息、和联络连接在一起，是控制命令、数据信息、和联络信号的传输通道。该通信网络连接的节点有信号的传输通道。该通信网络连接的节点有PCPC机、单片机，机、单片机，PCPC机作为机作为485485通信中的主机，单通信中的主机，单片机的节点作为从机。传输的数据采用简化的片机的节点作为从机。传输的数据采用简化的（或自定义的）列车通信网络（或自定义的）列车通信网络（TCNTCN）协议

5、。）协议。 本组任务：l为实现PC机与多单片机节点（2点）的485通信，设计硬件接口电路，建立物理层的连接通道。l查阅学习串行通信协议：485协议，简化标准通信协议定义模型系统的数据传输协议l设计多机通信的软件，包括主机（PC机）通信程序(获取和显示单片机节点信息)，控制节点单片机的通信程序（模拟其它节点发送多种信息）。主机程序可以采用VB等编写。技术重点与难点：（1）485通信网络物理层通信通道的设计（2）列车通信网络（TCN）协议的定义与实施2. 列车无线通信系统设计列车无线通信系统设计l无线通信系统是动车组与地面检修基地进行数据传输的通道。采用无线通信模块实现车载系统数据向地面的无线传输

6、，及接收地面系统发来的控制信号。车载系统主要由MPU主机单元（PC机）负责与地面检修站计算机（PC机）通信，但在某些特殊情况下，列车控制节点也会以无线通信方式直接与地面发送/接收数据。本组任务：本组任务：l选择无线通信模块，设计PC机与PC机、PC机与单片机的无线硬件接口电路及通信通道。l定义无线通信的协议，设计无线通信的软件，包括PC机通信程序及单片机的通信程序。l设计地面PC的信息显示界面。 技术重点与难点：（1）无线数据通信原理与硬件接口电路设计（2）单片机通信程序设计（3）PC机高级语言应用程序的设计3.动车组主控制单元（动车组主控制单元（MPU）取）取消消动车组司机室布置图l主控制单

7、元由PC机承担，能输入司机号、交路、车次等基本信息，并能显示列车的运行状态如速度、运行方向、编组情况等；同时还要显示列车上一些监控设备的信息，如门的状态、空调的状态等；及各个节点的运行状态信息。并负责协调、调度节点与主控单元、主控单元与地面的各种通信。本组任务：取消本组任务：取消本组任务：取消本组任务：取消l设计列车管理信息系统的结构设计列车管理信息系统的结构l设计显示屏按照显示内容实现分屏多帧信息设计显示屏按照显示内容实现分屏多帧信息显示。（具体显示信息可由指导教师提供）显示。（具体显示信息可由指导教师提供）l采用第一小组的成果，实现与各个节点之间采用第一小组的成果，实现与各个节点之间的数据

8、通信传输。的数据通信传输。l采用第二小组的成果，实现与地面计算机的采用第二小组的成果，实现与地面计算机的无线数据传输。无线数据传输。技术重点与难点：取消（2）PC机高级语言应用程序的设计（1）列车管理信息系统总体结构设计（3）列车通信网络的协调、调度4.列车控制单元（列车控制单元（TCU）l列车控制单元模拟动车组牵引、制动系统的功列车控制单元模拟动车组牵引、制动系统的功能。能。l采用万向开关模拟司机操纵手柄位，列车动力采用万向开关模拟司机操纵手柄位，列车动力单元采用小直流电机替代。操作人员通过万向单元采用小直流电机替代。操作人员通过万向开关控制电机的启动、停止、加速、减速等动开关控制电机的启动

9、、停止、加速、减速等动车组运行工况。车组运行工况。TCUTCU单元检测并显示列车运行单元检测并显示列车运行速度，同时速度，同时TCUTCU需将本单元的运行参数等信息需将本单元的运行参数等信息传输给主控单元，并接受主控单元的有关控制传输给主控单元，并接受主控单元的有关控制命令。命令。本组任务：本组任务：l采用单片机为核心设计列车控制单元。采用单片机为核心设计列车控制单元。l采用万向开关控制电机的启动、停止、加速、采用万向开关控制电机的启动、停止、加速、减速。减速。l完成电机转速检测，采用完成电机转速检测，采用LEDLED七段数码管显示七段数码管显示器显示转速。器显示转速。技术重点与难点：（1）电

10、机的转速控制技术（2）转速检测与显示5.HVAC控制节点控制节点l HVAC控制节点负责车厢内环境的监控。对车厢内的温度、湿度、光照度、车厢内外的气压等项目进行监测与控制。本组任务：本组任务：l采用单片机为核心设计HVAC控制节点。l对车厢内的温度、湿度、光照度、车厢内外的气压等项目进行检测。l并控制风扇、遮光帘（步进电机）、电灯等执行机构的动作。技术重点与难点：（1）HVAC控制节点各检测项目传感器选择 及电路设计（2）HVAC控制节点执行机构的模拟与控制6.门控制节点门控制节点l列车上的门有两类，旅客上下门及各节车厢之间的风挡门。旅客门要根据当前列车运行速度允许开启，当车速不为0时，开门使

11、能按钮（此按钮只管是否允许门打开）无效，门不能开启。列车停稳后，可以开门（通过开门按钮）。车速信号通过通信网络从主控单元获得。l风挡门在正常运行时，当检测到有人需要通过时，自动开启，也可手动开启；但在车厢内发生火警时，就不能再自动或手动开启。本组模拟车上的门控制单元的功能，门的开启关闭采用直流电机实现，并有限位开关限制门的最大开启度。采用热释电红外传感器检测是否有人，采用红外二极管检测火警信号。本组任务：本组任务：6.门控制节点门控制节点l采用单片机为核心设计门控制节点，根据以上要求实现两类门的自动控制。l对执行机构进行设计选型，并制作模拟门，实现两种门的开闭功能l设计调试热释电红外传感器的检

12、测电路，要求避免误动作。技术重点与难点：（1）门控制节点的模拟与控制（2）门控制节点的安全控制规则的设计与实现7.旅客信息系统（旅客信息系统（PIS）车厢内显示屏旅客信息系统分为车厢内显示屏和车厢外显示屏。车内分屏显示车厢号、前方到站等，还需要显示车厢内的温度、湿度、车厢内外的气压等项目；车外显示车次、始发站、终点站等内容。两显示屏均采用液晶显示屏。7.旅客信息系统（旅客信息系统（PIS）l采用单片机为核心设计PIS系统，实现内外屏的信息显示。l使旅客信息定时自动显示切换，并可以由旅客在车厢内采用按键进行一些信息查询。l温度、湿度、压力、前方到站等信息来自主控单元（模拟能够收到）。本组任务：本

13、组任务：技术重点与难点：（1） 双液晶显示屏显示模式设计（2） 单片机显示屏编程调试8.WC控制节点控制节点WC控制感应洗手池WC实现车内厕所的控制。能够进行有人/无人检测显示，能够在旅客离开后自动进行冲洗。并监测污物容器的液位，在液位达到限度时关闭厕所8.WC控制节点控制节点l采用MCS-51单片机为核心设计WC控制系统，包括液位检测、有人无人检测、占用状态显示、冲水控制等。l设计调试红外热释电传感器的检测电路，要求避免误动作本组任务：本组任务：技术重点与难点：（1）WC节点的模拟与控制（2）WC节点的传感器选择与电路设计四、课程设计的总要求四、课程设计的总要求l本次课程设计时间为3周。设计

14、题目共7个，每4-5人一组，有两小组设计相同的题目。l分组-学生自由组合。每组确定一位同学作为组长，负责组织本小组的设计任务分配等事宜。五、时间安排五、时间安排 l（1）分组、选题、调试计算机： 1天l（2）资料收集、方案设计和任务分配： 2天（软硬件总体结构，特殊传感器和元器件的选购），下周三提交设计方案，并领取硬件。l（3）制作安装调试，以及设计说明书撰写：10天l（4）演示答辩：1天六、成绩评定六、成绩评定l平时设计表现；l是否按设计任务书完成全部工作；l课程设计成果演示，实验结果和程序运行是否正确；l答辩表现；l设计说明书撰写是否规范。七、课程设计说明书撰写规范七、课程设计说明书撰写规

15、范l1 1说明书格式说明书格式l说明书手写、打印均可，手写要用用黑或兰墨水工整书写，说明书手写、打印均可，手写要用用黑或兰墨水工整书写，打印用小四号字，行间距为打印用小四号字，行间距为1.251.25行，行，B5B5纸，上下左右各留纸，上下左右各留20mm20mm。l2 2说明书结构及要求说明书结构及要求l1 1）封面）封面 封面包括：题目、院系、班级、学生姓名及时间（年、月、封面包括：题目、院系、班级、学生姓名及时间（年、月、日）日）l2 2）任务书）任务书l3 3）摘要）摘要 摘要是论文内容的简短陈述，一般不超过摘要是论文内容的简短陈述，一般不超过300300字。字。 关键词应为反映论文主

16、题内容的通用技术词汇，一般为关键词应为反映论文主题内容的通用技术词汇，一般为4 4个个左右，一定要在摘要中出现。左右，一定要在摘要中出现。 七、课程设计说明书撰写规范七、课程设计说明书撰写规范l4 4）目录）目录l目录要层次清晰，要给出标题及页次，目录的最后一目录要层次清晰，要给出标题及页次，目录的最后一项是无序号的项是无序号的“参考文献资料参考文献资料”。l5 5）正文）正文l正文应按目录中编排的章节依次撰写，要求计算正确，正文应按目录中编排的章节依次撰写，要求计算正确，论述清楚，文字简练通顺，插图简明，书写整洁。文论述清楚，文字简练通顺，插图简明，书写整洁。文中图、表及公式不能徒手绘制和书

17、写。中图、表及公式不能徒手绘制和书写。l6 6）参考文献（资料）参考文献（资料）l参考文献必须是学生在课程设计中真正阅读过和运用参考文献必须是学生在课程设计中真正阅读过和运用过的，文献按照在正文中的出现顺序排列。过的，文献按照在正文中的出现顺序排列。 八、设计期间基本要求八、设计期间基本要求l1 1学习态度学习态度l要有勤于思考、刻苦钻研的学习精神和严肃认真、一丝不苟、要有勤于思考、刻苦钻研的学习精神和严肃认真、一丝不苟、有错必改、精益求精的工作态度，对有抄袭他人设计（论文）有错必改、精益求精的工作态度，对有抄袭他人设计（论文）或找他人代画设计图纸、代做等行为的弄虚作假者一律按不或找他人代画设

18、计图纸、代做等行为的弄虚作假者一律按不及格记成绩，并根据学校有关规定给予处理。及格记成绩，并根据学校有关规定给予处理。l要积极主动参与设计，努力多承担任务，争取做主力队员。要积极主动参与设计，努力多承担任务，争取做主力队员。l要敢于创新，勇于实践，注意培养创新意识和工程意识。要敢于创新，勇于实践，注意培养创新意识和工程意识。l扎实掌握课程的基本理论和基本知识，概念清楚，设计正确，扎实掌握课程的基本理论和基本知识，概念清楚，设计正确，结构设计合理，实验数据可靠，软件程序运行良好，绘图符结构设计合理，实验数据可靠，软件程序运行良好，绘图符合标准，说明书撰写规范，答辩中回答问题正确。合标准，说明书撰写规范，答辩中回答问题正确。 八、设计期间基本要求八、设计期间基本要求l2 2学习纪律学习纪律l要严格遵守学习纪律，遵守作息时间，不得迟到、要严格遵守学习纪律，遵守作息时间，不得迟到、早退和旷课，每天出勤不少于早退和旷课，每天出勤不少