无缝线路轨温实时监测系统的实现和应用

摘要：为简便实时地监测无缝线中的钢轨温度，应对钢轨进行应力散放作业。介绍了无缝线路轨温实时监测系统的硬件及软件设计。在该系统中，利用单片机对传感器进行远程控制和数据传输，借助串行通信实现人机交互控制。该系统目前已投入使用，通过对轨温的实时测量和数据统计，为轨道监测和维护作业提供了科学的依据。
　　关键词：无缝线路轨温温度应力传感器控制串口通信
　　
　　当今，世界各国铁路都在大力发展无缝轨道。无缝轨道的特点是钢轨中间不留间际，但无缝钢轨因热胀冷缩所带来的长度变化会产生巨大的温度应力作用，若钢轨应力散放控制得不好，天热时可能会造成胀轨跑道，天冷时可能会出现拉断钢轨的情况。因此，自无缝轨道问世以来，轨温监测工作就被放到了一个非常重要的地位。目前，我国的铁路轨温监测主要是靠人工定点定时测量完成。这种测温方法所获得的监测数据密度小，难以捕捉日、月、年内的最高轨温和最低轨温；占用劳动力多、测量误差大、实时性差，因此难以为铁路工务作业提供及时、准确、科学的决策依据。
　　
　　本文所提出的无缝铁路轨温实时监测系统就是针对这一情况而设计的。通过控制远程传感器实现对负轨温度测量。并把测得的轨温数据传入计算机进行存储、处理和分析，极大方便了铁道工作者对轨温的测量和监控以及制定相应的轨道维护策略。
　　
　　1系统框图
　　
　　本系统利用89C51单片机及其外围电路完成对DS18B20单总线数字传感器的控制和数据传输，利用以nRF401无线收发芯片为核心构建的无线收发器完成数据的远程传输，借助单片机和计算机之间的串行通信完成人机交互控制，并用VB语言开发了适应于铁路温度测量系统的个性化交互办是非界面。图1所示是无线轨温实时监测系统的原理图，这种方式具有方便、快捷和灵活的优点、同时克服了工程中布线的困难。
　　
　　2硬件实现
　　
　　按照系统原理图的设计，整个系统中需要用到的硬件芯片主要包括DS18B20单总线数字传感器、nRF401无线收发芯片、MCS-51单片机、MAX232等，这些芯片配以相应的外围电路，构成系统的基本硬件结构。下面对各硬件的特点及其在本系统中使用的相应电路分别进行介绍。
　　
　　2.1DS18B20单总线数字传感器
　　
　　DALLAS公司的DS18B20单总线数字传感器工作温度范围是-55℃～125℃，在-30℃～85℃范围内温度测量精度为±5℃；具有温度报警功能，用户可设置最高和最低报警温度，且设置值掉电不丢失；采用DALLAS公司特有的单总线通信协议，只用一条数据线就可实现与MCU的通信；此外，DS18B20能够直接从数据线获得电源，无需外部电池供电。
　　
　　DS18B20与单片机的接口电路如图2所示。DQ为数字信号输入/输出端，GND为电源地，VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
　　
　　DS18B20主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的。相当于给每个DS18B20分配了一个独一无二的64比特地址序列码，这就允许多个DS18B20工作同条一线总线上，从而大大简化了分布式温度传感系统的应用。温度传感器完成对温度的测量，温度报警触发器TH和TL以及配置寄存器的设置值均以一个字节的形式存储在EEPROM中，使用一个存储功能命令可对其写入。
　　
　　2.2nRF401无线收发芯片
　　
　　nRF401是NORDIC公司最新推出的单片无线收发一体化芯片中。该芯片采用蓝牙核心技术设计。在一个20脚的芯片，包括高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调、多频道切换等功能，是目前集成最高的无线数传产品。
　　
　　图3
　　
　　它的功能特点如下：
　　
　　（1）工作频率为国际通用的数传频率433MHz。
　　
　　（2）FSK调制、直接数据输入输出、抗干扰能力强，特别适合工业控制场合。
　　
　　（3）采用DSS+PLL频率合成技术，频率稳定性极好。
　　
　　（4）灵敏主度高达-105dBm。
　　
　　（5）功耗小，接收待机状态时仅为8μA。
　　
　　（6）最大发射功率达+10dBm。
　　
　　（7）工作电压为2.7V，可满足低功耗设备的要求。
　　
　　（8）具有多个频道，可方便地切换工作频率，满足需要多信道工作的特殊场合的应用。
　　
　　（9）工作速率最高可达20kbit/s。
　　
　　（10）仅外妆一晶体和几个电阻、电容、电感元件，基本无需调试。
　　
　　（11）低发射功率、高接收灵敏度，开阔地的使用距离最远可达1000m。
　　
　　图3

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