張玉欣，賈君賢，葛文奇

(1. 中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033；2. 中國(guó)科學(xué)院 研究生院，北京 100039；3. 北華大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，吉林 132021；4. 常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，常州 213164）

0 引言

現(xiàn)在鐵路部門(mén)大量使用的車(chē)載型火車(chē)軸溫報(bào)警器，它能實(shí)時(shí)地檢測(cè)、記錄運(yùn)行中火車(chē)車(chē)軸的溫度，超過(guò)安全溫度則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在列車(chē)運(yùn)行中由于震蕩、溫度等環(huán)境因素的影響有可能使其設(shè)備中的器件老化、損壞導(dǎo)致其輸出的電信號(hào)不能夠客觀地反映出車(chē)軸的真實(shí)溫度，對(duì)火車(chē)的安全運(yùn)行產(chǎn)生很大的影響。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了一款檢測(cè)平臺(tái)，專門(mén)對(duì)車(chē)載型火車(chē)軸溫報(bào)警器的性能進(jìn)行測(cè)試，保證軸溫報(bào)警器正常工作從而保證火車(chē)安全運(yùn)行。

在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，考慮到PC機(jī)的廣泛應(yīng)用以及PC機(jī)人機(jī)交互界面使用的簡(jiǎn)捷、易操作，我們采用串行通信的方式以PC機(jī)作為上位機(jī)進(jìn)行顯示、控制雙重功能。

1 軸溫報(bào)警器簡(jiǎn)介

軸溫報(bào)警器[1,2]主要由溫度傳感器采集火車(chē)車(chē)軸溫度信號(hào)，然后通過(guò)內(nèi)部電路進(jìn)行信號(hào)處理、顯示及報(bào)警等。根據(jù)使用的傳感器類(lèi)型分為模擬式、數(shù)字式兩種。

模擬式軸溫報(bào)警器所使用的雙PN結(jié)傳感器，數(shù)字式軸溫報(bào)警器采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器。模擬式軸溫報(bào)警器、數(shù)字式軸溫報(bào)警器各有八路通道，即各外接八個(gè)溫度傳感器，主機(jī)內(nèi)有八路處理電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)八點(diǎn)軸位的溫度檢測(cè)。在以下的介紹中，我們把軸溫報(bào)警器整機(jī)分成傳感器和軸溫報(bào)警器主機(jī)兩個(gè)部分。

2 檢測(cè)平臺(tái)測(cè)試原理

2.1 模擬式軸溫報(bào)警器的檢測(cè)原理

采用三端可調(diào)式集成恒流源LM334構(gòu)成300μA恒流源通過(guò)由555構(gòu)成的八路環(huán)形時(shí)序發(fā)生器順序加到八個(gè)被檢測(cè)PN結(jié)上，通過(guò)基準(zhǔn)電壓電路、窗口比較電路等實(shí)現(xiàn)對(duì)PN結(jié)傳感器的檢測(cè)，允許誤差范圍是±1℃。

對(duì)模擬式軸溫報(bào)警器主機(jī)內(nèi)部恒流源的檢測(cè)采用電流-電壓轉(zhuǎn)換法，將恒流源加到精密電阻上，根據(jù)誤差范圍計(jì)算出上、下限電壓值并利用基準(zhǔn)電壓電路輸出該電壓值加到電壓窗口電較電路，輸出信號(hào)通過(guò)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路后送單片機(jī)。同時(shí)，為了測(cè)量第一路恒流源的精確值，將第一路輸出信號(hào)加到精密電阻上并采用TLC1550I A/D轉(zhuǎn)換器將該電壓模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量存儲(chǔ)到單片機(jī)，并上傳到PC機(jī)顯示。

計(jì)算出在恒定電流300μA時(shí)P-N結(jié)在0℃、30℃、50℃、80℃、90℃五個(gè)溫度下的電壓值，用硬件電路仿真出這五個(gè)電壓值加到軸溫報(bào)警器主機(jī)上的傳感器接口上，觀察軸溫報(bào)警器的液晶顯示是不是相對(duì)應(yīng)的溫度，如果是，說(shuō)明軸溫報(bào)警器的溫度檢測(cè)及信號(hào)處理裝置工作正常。

2.2 數(shù)字式軸溫報(bào)警器的檢測(cè)原理

對(duì)DS18B20數(shù)字溫度傳感器性能的檢測(cè)也采用單點(diǎn)溫度測(cè)試的方法，把DS18B20數(shù)字溫度傳感器放入恒溫箱，溫度控制為60℃，此溫度下DS18B20數(shù)字溫度傳感器輸出的數(shù)字值是0078H，根據(jù)廠家要求，允許誤差范圍是±1℃，因此只要此溫度下DS18B20數(shù)字溫度傳感器輸出的數(shù)字值在0076H-0080H之間，就可判定其性能優(yōu)良。

我們采用直接給軸溫報(bào)警器主機(jī)內(nèi)部的控制器傳送不同溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)字量的方法來(lái)仿真出DS18B20數(shù)字溫度傳感器的特性。觀察軸溫報(bào)警器的液晶顯示是不是相對(duì)應(yīng)的溫度，如果是，說(shuō)明軸溫報(bào)警器的溫度檢測(cè)及信號(hào)處理裝置工作正常。

2.3 檢測(cè)平臺(tái)主要功能

軸溫報(bào)警器檢測(cè)平臺(tái)主控制器選用AT89C51單片機(jī)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)鍵盤(pán)、上位PC機(jī)雙重控制，測(cè)試結(jié)果在PC機(jī)顯示器上顯示。

檢測(cè)平臺(tái)主要功能：

1）實(shí)現(xiàn)對(duì)八個(gè)P-N結(jié)傳感器的性能同時(shí)檢測(cè)；對(duì)八個(gè)DS18B20數(shù)字溫度傳感器的性能同時(shí)檢測(cè)。

2）測(cè)試模擬式軸溫報(bào)警器八路恒流源輸出是否滿足大小300μA，誤差范圍 ±6μA，并精密檢測(cè)第一路恒流源值并輸出其大小。

3）測(cè)試軸溫報(bào)警器在0℃、30℃、60℃、80℃、90℃五個(gè)溫度下的顯示值是否正確，允許溫度誤差范圍為±1℃，以及在90℃時(shí)軸溫報(bào)警器是否報(bào)警。

4）測(cè)試模擬式軸溫報(bào)警主機(jī)八個(gè)通道性能；測(cè)試數(shù)字式軸溫報(bào)警主機(jī)八個(gè)通道性能。

3 檢測(cè)平臺(tái)硬件電路

檢測(cè)平臺(tái)硬件電路主要有以下幾個(gè)部分：八個(gè)555構(gòu)成的八路環(huán)形時(shí)序發(fā)生器、LM334構(gòu)成的零溫度系數(shù)恒流源、仿真P-N結(jié)結(jié)電壓電路、TL431構(gòu)成的基準(zhǔn)電壓源電路、LM393電壓窗口比較器、555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、TLC1550I A/D轉(zhuǎn)換電路、開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換及工作狀態(tài)控制電路、多個(gè)DS18B20與單片機(jī)使用一條數(shù)據(jù)線連接電路、檢測(cè)數(shù)字軸溫報(bào)警器主機(jī)電路、串行通信電平轉(zhuǎn)換電路等構(gòu)成。電路較多，篇幅有限這里只介紹其中兩個(gè)電路的設(shè)計(jì)[4]。

3.1 開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換及工作狀態(tài)控制電路

開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換及工作狀態(tài)控制電路如下圖1所示。繼電器電路，主要實(shí)現(xiàn)恒流源檢測(cè)電路和模擬式軸溫報(bào)警器主機(jī)檢測(cè)電路的切換。繼電器的控制是由單片機(jī)P1.6口完成的。P1.6輸出高電平時(shí)繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，此時(shí)進(jìn)行恒流源檢測(cè)。單片機(jī)輸出低電平時(shí)繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，常閉觸點(diǎn)吸合，此時(shí)將仿真出的P-N結(jié)電壓輸出到模擬式軸溫報(bào)警器主機(jī)的傳感器接口，對(duì)軸溫報(bào)警器測(cè)試。HCC4051的通道選擇引腳A、B、C由單片機(jī)的P1.0 、P1.1和P1.2控制。

3.2 串行通信電平轉(zhuǎn)換電路

RS232串行通信在控制領(lǐng)域里應(yīng)用非常廣泛，多用于傳輸距離不超過(guò)15米，所傳輸數(shù)據(jù)量較小的PC機(jī)與單片機(jī)間的通信，符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。在本系統(tǒng)中，AT89C51與PC機(jī)串行通信電路如圖2所示，采用3線制RXD、TXD、GND軟握手的MODEM方式。

圖2 串行通信電平轉(zhuǎn)換電路

4 PC機(jī)顯示界面的設(shè)計(jì)

Microsoft Communications Control（以下簡(jiǎn)稱MSComm）是Microsoft公司提供的簡(jiǎn)化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，它為應(yīng)用程序提供了通過(guò)串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)便方法[4]，由VB編寫(xiě)的PC機(jī)顯示界面如圖3所示。

圖3 PC機(jī)顯示界面

PC機(jī)與單片機(jī)串行通信控制界面由三個(gè)部分組成：操作控制區(qū)、測(cè)試溫度選擇區(qū)、測(cè)試結(jié)果顯示區(qū)。

操作控制區(qū)中當(dāng)“送電壓值”選項(xiàng)被選定時(shí)，測(cè)試溫度選擇區(qū)的5個(gè)溫度按鈕有效，這時(shí)只要按下相應(yīng)的溫度鍵，單片機(jī)將執(zhí)行此溫度相應(yīng)的操作。當(dāng)“測(cè)試恒流源”選項(xiàng)被選定時(shí)，測(cè)試溫度選擇區(qū)的5個(gè)溫度按鈕無(wú)效，這時(shí)單片機(jī)會(huì)控制檢測(cè)平臺(tái)對(duì)恒流源的值進(jìn)行檢測(cè)并將結(jié)果送PC機(jī)界面顯示。當(dāng)“PN結(jié)傳感器型”選項(xiàng)被選定時(shí)，按下測(cè)試溫度選擇區(qū)相應(yīng)的溫度按鈕時(shí)，PC機(jī)控制單片機(jī)把硬件測(cè)試電路中仿真出的相應(yīng)溫度的電壓值送到模擬式軸溫報(bào)警器主機(jī)進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)“數(shù)字傳感器型”選項(xiàng)被選定時(shí)，按下測(cè)試溫度選擇區(qū)相應(yīng)的溫度按鈕時(shí)，PC機(jī)控制單片機(jī)把DS1820型數(shù)字傳感器在此溫度下的數(shù)字量值送到數(shù)字式軸溫報(bào)警器主機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

第一個(gè)組合框是串行通信的波特率選擇框，選項(xiàng)有：110，300，600，1200，2400，4800，9600，14400，19200。默認(rèn)值是4800。第二個(gè)組合框是選擇串行通信端口號(hào)，選項(xiàng)有：COM1、COM2、COM3、COM4分別代表串口1～4。

測(cè)試溫度選擇區(qū)中按下相應(yīng)的溫度鍵，根據(jù)選項(xiàng)按鈕選擇的軸溫報(bào)警器類(lèi)型輸出相應(yīng)的模擬式、數(shù)字式仿真值通過(guò)串口傳送給軸溫報(bào)警器主機(jī)。

5 結(jié)論

該檢測(cè)平臺(tái)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證性能良好，PC機(jī)界面操作非常簡(jiǎn)單、直觀使得該檢測(cè)平臺(tái)有很大的應(yīng)用前景和開(kāi)發(fā)價(jià)值。在下一步的開(kāi)發(fā)完善中將注重人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)的美觀性與實(shí)用性，讓各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果的顯示更豐富更清晰，同時(shí)加載更多的功能。

[1] 刁月華,楊正儀.淺論機(jī)車(chē)的軸溫檢測(cè)[J].內(nèi)燃機(jī)車(chē),2001,9:46-49.

[2] 劉小丹.主從式軸溫測(cè)試系統(tǒng)[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào),2004,9(3):34-36.

[3] 劉沖,吳成百,張文濤,等.微小型燃料電池測(cè)試系統(tǒng)的氣體流量控制.光學(xué)精密工程[J],2008,16(3):459-466.

[4] 仵浩,齊燕杰,宋文超,等.Visual Basic串口通信工程開(kāi)發(fā)實(shí)例導(dǎo)航[M].人民郵電出版社,2003:1-55.