王 慧

(神華神東煤炭集團有限公司 設備維修中心一廠, 陜西 神木 719315)

0 引 言

在大型礦用設備的維修制造中,需要間斷性地對出廠入廠設備及所屬部件進行多點的溫度監(jiān)控、記錄,而人工機械性測量、記錄使用的是單點測量的紅外溫度檢測儀器,該儀器有溫度信息傳遞不及時、精度不準確等缺點,不利于測試人員依據(jù)溫度變化及時做出決定和撰寫測試報告(影響準確性);存在多次進入測試設備運轉區(qū)域而產生的安全隱患。本文設計一種能夠同時測量多個采集點的溫度測量系統(tǒng),并且具有實時性高、精度高等特點,能夠綜合處理數(shù)據(jù),并實現(xiàn)數(shù)據(jù)儲存、打印。

1 硬件設計基礎

溫度傳感器在工業(yè)的基礎應用非常廣泛,在選型過程中應充分考慮作業(yè)環(huán)境、測量范圍、信號形式、安裝方式等因素。設計選用DS18B20元件為溫度采集端,以通用型芯片AT89S52單片機為核心,圍繞集成控制、多點監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸與儲存打印、溫度變化區(qū)間(20～95 ℃)、抗環(huán)境效果、方便安裝與拆卸等因素進行硬件設計。

DS18B20將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合為一根信號線,實現(xiàn)一信號線上進行雙向數(shù)據(jù)傳輸,最大限度地使通信線數(shù)量減到最少,使系統(tǒng)構成更趨于簡單化。

驅動DS18B20測溫流程如圖1所示。

圖1 驅動DS18B20測溫流程

2 系統(tǒng)的組成

2.1 上位機

設計第一層選用一臺Windows環(huán)境的PC機作為上位機,負責全系統(tǒng)的控制和管理,通過串行通信線按應答式通信規(guī)約與第二層的1個下位機組成兩級主從分布式測溫系統(tǒng),具有收集、整理、采集、顯示、打印等功能;選用單片機作為第二層下位機,具有接口簡單、數(shù)據(jù)傳輸方便、價格低等優(yōu)點。上、下位機之間的關系為上位機向下位機下達工作方式命令。

2.2 下位機

下位機以AT89S52單片機為處理核心,MAX232ESE線路驅動器為通信模塊,通過RS-232串口轉USB通信總線連接上位機,實現(xiàn)遠距離控制,避免設備在同一時間發(fā)送數(shù)據(jù)。

結合LCD12864顯示屏和SW-PB觸電按鈕等其他電子元件組合,實現(xiàn)下位機完整功能。下位機采用獨立供電單元,保證其在正常工作中不受外界干擾,實現(xiàn)信號采集的穩(wěn)定性、連續(xù)性。

2.3 溫度采集軟件流程

DS18B20溫度傳感器溫度采集程序如圖2所示。

圖2 DS18B20溫度傳感器溫度采集程序

數(shù)據(jù)采集循環(huán)n個DS18B20溫度參數(shù),并存放在單片機中,上位機通過RS-232C串口將字節(jié)數(shù)據(jù)定時接收。通信方式是由上位機發(fā)出通信命令,單片機接收該命令后通過串口中斷逐一發(fā)送數(shù)據(jù)。在讀該程序前應先編制DS18B20的序列號讀出子程序,將n片DS18B20的序列號讀出,并存放在單片機的溫度采集程序中,這樣在進行溫度采集時只要依序列號對各個DS18B20操作。該系統(tǒng)需上位機編制軟件,實現(xiàn)多種人機對話方式,操作簡便,下位機程序實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與上位機的數(shù)據(jù)通信。

3 軟件設計

3.1 單片機程序設計

應用51單片機程序開發(fā),因硬件設計只進行讀取,需確定讀取數(shù)量及編譯設置值,綜合考慮實際工況和顯示數(shù)值,開發(fā)主框架,對數(shù)據(jù)流程進行設計。選取8個采集點數(shù),數(shù)值轉換為16進制轉10進制,波特率為9 600,開關量二進制。

3.1.1 DS18B20的讀時序

DS18B20的讀時序分讀0時序和讀1時序兩個過程。讀時序是主機先把單總線拉低,在l5 μs內必須釋放單總線,以便將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20完成一個讀時序至少需要60 μs。

3.1.2 DS18B20的寫時序

DS18B20的寫時序也分為寫0時序和寫1時序兩個過程。寫0時序和寫1時序的要求不同,寫0時序時,單總線要被拉低至少60 μs,保證DS18B20能夠在15～45 μs之間正確采樣I/O總線上的“0”電平。寫1時序時,單總線被拉低,在15 μs內須釋放單總線。

DS18B20復位后,就可以編程控制讀到其內部RAM所采集到的溫度值(通過P0.7),并且讀取數(shù)據(jù)時低位在前,高位在后。讀出數(shù)據(jù)后,需判斷對應的溫度是正值還是負值,當溫度值為正值時,直接將二進制數(shù)轉換為十進制;當溫度值為負值時,先將二進制補碼變?yōu)樵a,再轉換為十進制。

3.2 PC端軟件設計

PC端開發(fā)程序環(huán)境較成熟,功能優(yōu)化非常方便,因此將數(shù)據(jù)處理和功能執(zhí)行放在PC端進行。

3.2.1 設計邏輯

(1) 通信自檢:確?？刂谱x取軟件與下位機通信正常。

(2) 高溫預警設置:因不同設備、不同部位采集點的溫度預警值不同,需設置可供采集人員操作。

(3) 時間過濾:下位機只供實時傳輸和顯示數(shù)據(jù),因此上位機軟件需要自行過濾采集時間,結合操作工人現(xiàn)場工作環(huán)境,測試設備、部位的時間點可在30 min內。

(4) 文件輸出與保存:為保證輸出文件的通用性和可操作性,設置輸出文件為文本格式。

(5) 預警提示:采用界面與揚聲器同步輸出,方便測試人員直觀感知。

3.2.2 溫度記錄軟件

溫度記錄軟件界面如圖3所示。操作人員可依據(jù)被測設備相關要求條件設置采樣結果,并儲存和打印,出具檢測結果。

圖3 溫度記錄軟件界面

該軟件執(zhí)行是基于普通Windows系統(tǒng)的.NET環(huán)境下開發(fā)應用的,安裝文件類型為Msi,運行為可執(zhí)行文件.exe,方便基礎工作人員的安裝和使用。

4 結 語

以DS18B20元件為采集端,結合軟硬件開發(fā),設計了多點溫度測量應用系統(tǒng),可減少人身傷害與噪聲污染,可在高低溫工作環(huán)境以及特殊的冷庫、熔爐等工業(yè)領域推廣應用。