王 慧

(神華神東煤炭集團(tuán)有限公司 設(shè)備維修中心一廠, 陜西 神木 719315)

0 引 言

在大型礦用設(shè)備的維修制造中,需要間斷性地對(duì)出廠入廠設(shè)備及所屬部件進(jìn)行多點(diǎn)的溫度監(jiān)控、記錄,而人工機(jī)械性測(cè)量、記錄使用的是單點(diǎn)測(cè)量的紅外溫度檢測(cè)儀器,該儀器有溫度信息傳遞不及時(shí)、精度不準(zhǔn)確等缺點(diǎn),不利于測(cè)試人員依據(jù)溫度變化及時(shí)做出決定和撰寫測(cè)試報(bào)告(影響準(zhǔn)確性);存在多次進(jìn)入測(cè)試設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域而產(chǎn)生的安全隱患。本文設(shè)計(jì)一種能夠同時(shí)測(cè)量多個(gè)采集點(diǎn)的溫度測(cè)量系統(tǒng),并且具有實(shí)時(shí)性高、精度高等特點(diǎn),能夠綜合處理數(shù)據(jù),并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、打印。

1 硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

溫度傳感器在工業(yè)的基礎(chǔ)應(yīng)用非常廣泛,在選型過程中應(yīng)充分考慮作業(yè)環(huán)境、測(cè)量范圍、信號(hào)形式、安裝方式等因素。設(shè)計(jì)選用DS18B20元件為溫度采集端,以通用型芯片AT89S52單片機(jī)為核心,圍繞集成控制、多點(diǎn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸與儲(chǔ)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(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。

DS18B20將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合為一根信號(hào)線,實(shí)現(xiàn)一信號(hào)線上進(jìn)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(gòu)成更趨于簡單化。

驅(qū)動(dòng)DS18B20測(cè)溫流程如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)DS18B20測(cè)溫流程

2 系統(tǒng)的組成

2.1 上位機(jī)

設(shè)計(jì)第一層選用一臺(tái)Windows環(huán)境的PC機(jī)作為上位機(jī),負(fù)責(zé)全系統(tǒng)的控制和管理,通過串行通信線按應(yīng)答式通信規(guī)約與第二層的1個(gè)下位機(jī)組成兩級(jí)主從分布式測(cè)溫系統(tǒng),具有收集、整理、采集、顯示、打印等功能;選用單片機(jī)作為第二層下位機(jī),具有接口簡單、數(shù)據(jù)傳輸方便、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。上、下位機(jī)之間的關(guān)系為上位機(jī)向下位機(jī)下達(dá)工作方式命令。

2.2 下位機(jī)

下位機(jī)以AT89S52單片機(jī)為處理核心,MAX232ESE線路驅(qū)動(dòng)器為通信模塊,通過RS-232串口轉(zhuǎn)USB通信總線連接上位機(jī),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制,避免設(shè)備在同一時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)。

結(jié)合LCD12864顯示屏和SW-PB觸電按鈕等其他電子元件組合,實(shí)現(xiàn)下位機(jī)完整功能。下位機(jī)采用獨(dú)立供電單元,保證其在正常工作中不受外界干擾,實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(gè)DS18B20溫度參數(shù),并存放在單片機(jī)中,上位機(jī)通過RS-232C串口將字節(jié)數(shù)據(jù)定時(shí)接收。通信方式是由上位機(jī)發(fā)出通信命令,單片機(jī)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(yīng)先編制DS18B20的序列號(hào)讀出子程序,將n片DS18B20的序列號(hào)讀出,并存放在單片機(jī)的溫度采集程序中,這樣在進(jìn)行溫度采集時(shí)只要依序列號(hào)對(duì)各個(gè)DS18B20操作。該系統(tǒng)需上位機(jī)編制軟件,實(shí)現(xiàn)多種人機(jī)對(duì)話方式,操作簡便,下位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用51單片機(jī)程序開發(fā),因硬件設(shè)計(jì)只進(jìn)行讀取,需確定讀取數(shù)量及編譯設(shè)置值,綜合考慮實(shí)際工況和顯示數(shù)值,開發(fā)主框架,對(duì)數(shù)據(jù)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。選取8個(gè)采集點(diǎn)數(shù),數(shù)值轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制轉(zhuǎn)10進(jìn)制,波特率為9 600,開關(guān)量二進(jìn)制。

3.1.1 DS18B20的讀時(shí)序

DS18B20的讀時(shí)序分讀0時(shí)序和讀1時(shí)序兩個(gè)過程。讀時(shí)序是主機(jī)先把單總線拉低,在l5 μs內(nèi)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(gè)讀時(shí)序至少需要60 μs。

3.1.2 DS18B20的寫時(shí)序

DS18B20的寫時(shí)序也分為寫0時(shí)序和寫1時(shí)序兩個(gè)過程。寫0時(shí)序和寫1時(shí)序的要求不同,寫0時(shí)序時(shí),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(shí)序時(shí),單總線被拉低,在15 μs內(nèi)須釋放單總線。

DS18B20復(fù)位后,就可以編程控制讀到其內(nèi)部RAM所采集到的溫度值(通過P0.7),并且讀取數(shù)據(jù)時(shí)低位在前,高位在后。讀出數(shù)據(jù)后,需判斷對(duì)應(yīng)的溫度是正值還是負(fù)值,當(dāng)溫度值為正值時(shí),直接將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制;當(dāng)溫度值為負(fù)值時(shí),先將二進(jìn)制補(bǔ)碼變?yōu)樵a,再轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制。

3.2 PC端軟件設(shè)計(jì)

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(jìn)行。

3.2.1 設(shè)計(jì)邏輯

(1) 通信自檢:確?？刂谱x取軟件與下位機(jī)通信正常。

(2) 高溫預(yù)警設(shè)置:因不同設(shè)備、不同部位采集點(diǎn)的溫度預(yù)警值不同,需設(shè)置可供采集人員操作。

(3) 時(shí)間過濾:下位機(jī)只供實(shí)時(shí)傳輸和顯示數(shù)據(jù),因此上位機(jī)軟件需要自行過濾采集時(shí)間,結(jié)合操作工人現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境,測(cè)試設(shè)備、部位的時(shí)間點(diǎn)可在30 min內(nèi)。

(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(shè)置輸出文件為文本格式。

(5) 預(yù)警提示:采用界面與揚(yáng)聲器同步輸出,方便測(cè)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(cè)設(shè)備相關(guān)要求條件設(shè)置采樣結(jié)果,并儲(chǔ)存和打印,出具檢測(cè)結(jié)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(yīng)用的,安裝文件類型為Msi,運(yùn)行為可執(zhí)行文件.exe,方便基礎(chǔ)工作人員的安裝和使用。

4 結(jié) 語

以DS18B20元件為采集端,結(jié)合軟硬件開發(fā),設(shè)計(jì)了多點(diǎn)溫度測(cè)量應(yīng)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(lǐng)域推廣應(yīng)用。