无缝线路轨温实时监测系统的实现和应用

是nRF401在本系统中应用的电路原理图，可直接应用232串口异步传输。从图中可以看到，外围元件很少，包括一个基准晶体及几个无源器件，没有调试部件，这给研制及生产带来了极大的方便。图中L1电感需要采用高Q高精度的巾片绕线高频电感（Q>45），晶体X1城需要采用高稳定度晶体，电容元件应选用高稳定贴片元件（如NPO高稳定电容）以确保性能稳定可靠。
　　
　　2.3MCS-51单片机
　　
　　单片机是在一块硅片上集成了各种部件的微型计算机，这些部件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。MCS-51是一种使用最广泛的单片机，本系统中用它对温度传感器进行控制和与计算机进行串口数据通信。
　　
　　2.4串口通信
　　
　　EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定，在TxD和RxD上：逻辑1（MARK）取值范围为-3V--15V；逻辑0（SPACE）取范围为+3V--+15V。在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通、ON状态、正电压）取值范围为3V--+15V；信号无效（断开、OFF状态、负电压）取值范围为为-3V---15V。EIA-RS-232C是用正负电压表示逻辑状态的，与TTL器件以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的转换。MAX232芯片可完成TTL与EIA的双向电平转换。在通信速率低于20kb/s时，RS-232C所能直接连接的最大物理距离为15m。
　　
　　3软件实现
　　
　　3.1单片控制程序
　　
　　这里使用单片机的C语言编写单片机控制程序。和汇编语言相比，单片机的C语言具有可读性高、易移植等优点。该控制程序主要对温度传感器进行控制，并收集温度传感器测得的轨温数据。对每个温度器的控制流程如图4所示。根据系统的需求，还可以用单总线方式对多个温度传感器进行控制，从而完成多点测量任务。控制流程如图5所示。
　　
　　3.2串口通信程序
　　
　　串行接口有异步和同步两种基本通信方式。异步通信采用异步传磅格式。数据发送和接收均将起始位和停止位作为开始和结束的标志。在该轨温监测系统中，系统通信速率为1200bit/s，帧格式为N.8.1。发送时，先发送一个起始位（低电平），接着按低位在先的顺序发送8位数据，最后发送停止位。接收时，先判断接收端品时否有起始低电平出现，如有则按低位在先的顺序接收8位数；最后判断接收端口是否有停止高电平出现，如有则完成了一个数据的接收，否则继续等待。软件编写严格按照异步通信的时序进行，每比特位传送的时间间隔按通信速率为1200bit/s计算，为833μs。
　　
　　3.3监控计算机用户界面和数据库部分
　　
　　使用VB语言对系统用户界面和数据库部分编程，生成性能良好的人机界面，使得用户能够方便快捷地对系统进行管理；同时对测昨的轨温数据进行存储和分析，从而达到研究铁轨温度应力、及时改善轨道状况的目的。系统默认设定为10分钟测量一次轨温，测得的数据存储于专用的数据库中。根据数据库中的这些温度值，用户可以通过软件预设的功能生成相应的曲线图，从而清楚地观测到当天、当月、当年温度的变化规律和统计峰值，进行相应的应力分析和研究。
　　
　　4应用
　　
　　无缝线路由于在结构上限制了钢轨的伸缩，所以当轨温发生变化时就会产生巨大的纵向温度力，这是在受力方面与与标准轨线路的最大区别。这一区别也使得跑道与断轨的可能性增大。
　　
　　根据无缝线路钢轨温度力计算公式：
　　
　　P=EfαΔt
　　
　　其中：P——钢轨温度力，
　　
　　E——钢轨弹性模量，为2.1×105Mpa，
　　
　　F——钢轨断面积，
　　
　　α——钢轨线膨胀系数，为11.8×10-6/℃，
　　
　　Δt——相对于零应力轨温的轨温变化幅度。
　　
　　可得温度应力与轨温变化的关系曲线，如图6所示。
　　
　　钢轨内的温度力仅与轨温变化幅度有关，然而即使在一天当中，轨温也是不停地变化着的。一般说来，锁定轨温（即通常理解的零应力轨温）是一个常量，如果准确地掌握了实际锁定轨温，便可以知道任意轨温时的轨温变化幅度以及相应的温度力。
　　
　　该无缝线路轨温实时监没轨温进行远程实时全天候测量，并对测得的轨温数所进行相应的存储、统计处理，用户界面生动，操作简单，可协助铁道工作人员完成轨温测量这一重要而又繁冗的工作。根据监测结果，对在温度应力作用下的轨道状况进行巡检，及时发现无缝线路出现的异常，按规定采取必要的应中以解救，进行无缝线路应力放散作

《无缝线路轨温实时监测系统的实现和应用(第2页)》