火车轴承的温度检测系统研究DOC.docx

火车轴承的温度检测系统研究DOC.docx

《火车轴承的温度检测系统研究DOC.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《火车轴承的温度检测系统研究DOC.docx（56页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

火车轴承的温度检测系统研究DOC

摘要

随着铁路系统的现代化及自动化水平的迅速提高，火车车辆的提速、重载及运行时长无疑对国民经济的快速发展发挥着重要的促进作用。

但是由于火车车辆轴承的不正常发热,轻则热轴固死造成机破，影响火车的正常运转，重则造成热切轴，车毁人亡，严重影响铁路运输安全，对国家造成巨大的经济损失。

为此需要研制开发出一种能及时、可靠、准确的对火车轴温进行监侧的报警装置，确保火车车辆的安全运行。

在这种情况下，提出了研究开发新型的火车轴温报警装置，使其功能、性能更加完善，在铁路安全运行中发挥重要的作用。

　　本论文主要阐述了基于STC89C51单片机关于火车轴承的温度检测系统设计原理、主要电路设计及软件设计等。

该系统采用STC89C51单片机作为控制器，DS18B20作为温度传感器.主要目的是能够及时、可靠、准确地检测火车轴箱fag轴承、牵引电机fag轴承及提速车的轮对空心轴fag轴承（抱fag轴承）的温度变化情况.发现超温需要及时报警，提醒司机停车检修，确保安全。

关键词STC89C51；火车轴承；温度检测;DS18B20

ABSTRACT

Withthemodernizationoftherailwaysystemandtherapidincreaseinthelevelofautomation,thespeedofthetrainvehicles,heavy-dutyandlongrunundoubtedlytherapiddevelopmentofthenationaleconomyplaysanimportantroleinpromoting.However,duetotheabnormallyhottrainvehiclebearing,rangingfromhot-axissoliddeathcausedbymachinebroken,affectingthenormaloperationofthetrain,itcausedheavydamageeagerlyaxis,carcrash,seriouslyaffectthesafetyofrailwaytransportation,thecountrycausinghugeeconomiclosses.Tothisenddevelopedatimely,reliableandaccuratemonitoringsideofthetrainHotboxalarmdevice,ensurethesafeoperationofthetrainvehicles.Inthiscase,theresearchanddevelopmentofnewthetrainHotboxalarmapparatus,itsfunctionandperformanceismoreperfect,playanimportantroleinthesafeoperationoftherailway.

ThispapermainlyelaboratesSTC89C51microcontrolleronthetrainbearingtemperaturedetectionsystemdesignprinciples,circuitdesignandsoftwaredesign.ThesystemusesSCMSTC89C51asacontrollertheDS18B20asatemperaturesensor.Mainpurposeistimely,reliableandaccuratedetectionoftrainaxleboxfagbearings,tractionmotorthefagbearingandspeedcarwheelthehollowshaftfagbearing（holdfagbearing）temperaturechangesover-temperaturealarmtoreminddriverstoshutdownformaintenance,toensuresafety.

Keywords：

STC89C51;trainbearings;temperaturedetection;DS18B20

目录

摘要I

ABSTRACTII

第一章绪论1

1.1选题背景1

1.2轴温检测技术的发展现状1

1.3研究的目的和意义2

1.4本文主要工作2

第二章温度检测系统的总体设计3

2.1系统特点3

2.2系统总体结构设计3

2.2.1数据采集系统3

2.2.2单片机的E2ROM存储器4

2.2.3键盘显示系统4

2.2.4报警电路4

2.2.5看门狗电路及E2ROM4

第三章硬件设计5

3.1微处理器5

3.1.151单片机的主要特性5

3.1.2STC89C51的引脚具体介绍5

3.1.3STC89C51的最小系统7

3.2温度测量电路的实现7

3.2.1温度传感器的选择7

3.2.2DS18B20温度传感器8

3.2.3温度采集电路9

3.2.4键盘显示电路10

3.2.5看门狗报警电路19

第四章软件设计及编程22

4.1主程序的设计22

4.2子程序设计22

4.2.1显示子程序22

4.2.2键盘输入子程序23

4.2.3E2PROM、看门狗子程序24

4.2.4超温报警子程序25

设计总结27

参考文献28

致谢29

附录：

30

第一章绪论

1.1选题背景

高速行驶的列车在行驶过程中常因列车车轴温度过高而造成机车破损、机车故障，甚至造成重大的列车出轨事故，为了避免出现这样的行车事故，国家在铁路沿线都设有机车检修所，大量的铁路工人以手工的办法来检测机车车轴的状态，但随着中国铁路的不断提速，机车技术的不断更新，传统的检测办法早已不能满足铁路运输的安全需求。

随着智能温度微机检测系统不断发展，机车轴温检测也走进了高效率的时代。

以智能温度传感器DS18B20为代表的新型单总线数字式温度传感器集温度测量和A/D转换于一体，直接输出数字量，对温度进行测量又能设定所需要控制的温度，并对温度值能把温度值由二进制转化为十进制。

多个DS18B20可以并联在惟一的三在线，实现多点检测。

所以多个DS18B20对温度进行检测，具有准确性高，控制方便，灵活简单。

基于以上优点本系统采用智能温度传感器DS18B20进行多点测温，将测得的温度值用数字信号传送到单片机，由单片机进行数据的处理，进行实时检测与显示，并且可以采用单片机对温度进行控制。

1.2轴温检测技术的发展现状

1.红外轴温探测系统

红外探测方式是铁路轴温检测系统主要采用的技术，红外线探头按照一定的距离间隔被安装在铁路沿线并对经过的列车车轴温度进行检测，但这种检测方式，探头暴露在外比较容易被破坏，需要大量的检测人员对红外探头进行维护。

并且列车只有在经过安装了此种装置的线路才能被检测，不能保证永远在线检测。

2.车载轴温探测系统

车载探测装置主要用于轴温探测及警报系统。

该系统同时安装了温度和振动传感器，能同时对车轴的振动频率及温度进行探测，组合传感器体积小，被组装在轴箱轴承的密封系统中，检测精度高。

与其它的检测方式相比，车载探测系统直接安装在机车上，系统结构紧凑、体积小、安装方便，可以免除外界干扰。

同时，地面设备及相关维护人员的人力投资可以免除，有效的减少了设备维护成本。

3.轴承故障声学诊断系统

该装置应用类似于麦克风的探头对通过列车运行声响频率进行采集分析，

从中发现轴承的早期故障。

美国TTCI公司开发的声学探测系统（TADS），加入了神经网络理论，诊断准确率高，同时TTCI还开发了基于互联网的数据库管理系统InteRRISTM，用来接收所有道旁探测系统的数据。

这种方式同红外热轴探测系统存在同样的缺点，探头容易遭到外界的破坏，需要大量的工作人员对麦克风探头进行维护，成本高，不能保证永远在线检测。

4.便携式检测装置

便携式检测装置除具有常规的红外线轴温探测器外，一般还具有超声波探伤和磁粉探伤功能，并且还针对车轮热损伤，加入了残余应力检测装置，X射线衍射技术，用来测量车轮的残余应力。

这些技术的应用，极大的丰富了便线衍射技术，用来测量车轮的残余应力。

这些技术的应用，极大的丰富了便携式检测装置的功能，进一步提高了该类装置的可靠性，便携式检测装置也是保证列车行车安全不可或缺的方式。

5.智能传感器温度检测系统

系统由一个单片机电路和多个DS18B20数字传感器构成,结构简单,功耗较低,测量范围为-55℃～+125℃。

若所测温度超出设定范围,单片机上的器件就会自动报警，能实时对机车温度进行采集和监控，无需大量的检测人员，维修成本低.

1.3研究的目的和意义

本文的研究目的在于设计出机车车轴温度检测及高温预警系统，通过采集机车轴箱、抱轴等处轴承的温度信号，依靠功能强大的单片机和智能传感器组成的微型计算机系统，对采集到的温度信号进行及时的分析处理,以便能及时、可靠、准确的对机车轴温进行监测报警，确保机车车辆的安全运行。

1.4本文主要工作

（1）DS18B20数字温度传感器等硬件的选取

（2）系统原理结构的设计

（3）轴承温度的采集（4）键盘显示（LED）电路设计及软件设计与编程。

（5）看门狗报警电路设计及软件设计与编程。

第二章温度检测系统的总体设计

2.1系统特点

本系统实时地对温度信号进行采集，并送单片机处理，处理结果送LED显示。

该系统还可以将采集到的值与报警值比较，若超出报警值，则发出声光报警。

本系统有如下特点：

1.采用数字式温度传感器，与单片机接口简单，采集到的数据准确可靠。

2．实现4路温度检测，由于采用单总线温度传感器，扩展容易，只要将器件挂接在单总线上即可。

3.EEPROM保存键盘输入参数，系统掉电后保存的参数不会丢失。

2.2系统总体结构设计

该系统由数据采集电路，键盘显示电路及E2PROM组成。

主控机采用AT89C51单片机，完成对4个测温点温度信号的采集、显示。

系统结构框图如图2.2所示。

图2.2系统结构框图

2.2.1数据采集系统

本系统采用数字式温度传感器DS18B20完成对4个测温点温度的数据采集。

DS18B20可以把温度信号直接转换为数字量，而无须A/D转换器与数据调理电路，既简化电路，又提高电路的可靠性。

采用单总线原理，易于电路扩展，只需在相应单总线上继续挂接器件即可，是现代集成式温度传感器的首选器件。

2.2.2单片机的E2ROM存储器

单片机的E2ROM存储器本电路采用Xicor公司的X25045芯片。

X25045是可编程看门狗监控E2ROM，它把看门狗电路、电压监控和E2ROM组合在一起，降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。

此芯片实时检测单片机，使其正常工作。

一旦单片机因干扰而程序走失，可通过复位电路使单片机复位，保证系统可靠运行。

该芯片还含有内部512字节的E2ROM，可存储键盘输入的温度报警值以及数字式温度传感器DS18B20的序列号，保证掉电时不丢失信息，因而不必每次开机时重新写入这些数据。

X25045还具有允许简单的三线总线工作的串行外设接口和软件协议。

2.2.3键盘显示系统

本系统采用HD7279完成数据输入与数据显示。

HD7279是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管的智能显示驱动芯片，该芯片同时能对多达8×8的键盘矩阵的按键情况进行监视，具有自动消除键抖动并识别按键代码的功能，从而可以提高CPU工作的效率。

HD7279和微处理器之间采用串行接口，其接口电路和外围电路简单，占用口线少，具有较高的性能价格比。

2.2.4报警电路

本电路完成系统报警功能，即在温度超出报警值时，发光二极管灯亮，蜂鸣器响，显示报警状态。

2.2.5看门狗电路及E2ROM

看门狗电路及E2ROM本电路采用Xicor公司的X25045芯片。

X25045是可编程看门狗监控E2ROM，它把看门狗电路、电压监控和E2ROM组合在一起，降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。

此芯片实时检测单片机，使其正常工作。

一旦单片机因干扰而程序走失，可通过复位电路使单片机复位，保证系统可靠运行。

该芯片还含有内部512字节的E2ROM，可存储键盘输入的温度报警值以及数字式温度传感器DS18B20的序列号，保证掉电时不丢失信息，因而不必每次开机时重新写入这些数据。

X25045还具有允许简单的三线总线工作的串行外设接口和软件协议。

第三章硬件设计

本温度控制系统使用STC89C51作为控制器，用DS18B20实现对温度测测量，并采用HD7279A将采集的的数据显示。

现将系统硬件设计表述如下。

3.1微处理器

微处理器是控制系统的核心部件。

具有控制功能强，体积小，功耗小等一系列的优点，它在工业控制、智能仪表、节能技术改造、通讯系统、信号处理及家用电器产品中都得到了广泛的应用。

本设计采用STC89C51作为微处理器。

3.1.151单片机的主要特性

51单片机的主要特性如表3.1.1所示。

表3.1.1STC89C51主要特性表

主要功能特性

兼容MCS51指令系统

8K可反复擦写FlashROM

32个双向I/O口

256x8bit内部RAM

3个16位可编程定时/计数器中断

时钟频率0-24MHz

2个串行中断

可编程UART串行通道

2个外部中断源

共6个中断源

2个读写中断口线

3级加密位

低功耗空闲和掉电模式

软件设置睡眠和唤醒功能

3.1.2STC89C51的引脚具体介绍

STC89C51系列单片机是宏晶科技推出的新一代高速∕低功耗∕超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机。

STC89C51单片机的外形结构为40引脚双列直插式封装，其外部管脚如图3.1.2所示。

图3.1.2STC89C51外部引脚图

STC89C51的引脚含义具体介绍如下：

1.主电源引脚（2根）

VCC（Pin40）：

电源输入，接＋5V电源GND（Pin20）：

接地线

2.外接晶振引脚（2根）

XTAL1（Pin19）：

片内振荡电路的输入端

XTAL2（Pin20）：

片内振荡电路的输出端

3.控制引脚（4根）

RST/VPP（Pin9）：

复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG（Pin30）：

地址锁存允许信号

PSEN（Pin29）：

外部存储器读选通信号

EA/VPP（Pin31）：

程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

4.可编程输入/输出引脚（32根）

STC89C51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。

PO口（Pin39～Pin32）：

8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7

P1口（Pin1～Pin8）：

8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7

P2口（Pin21～Pin28）：

8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7

P3口（Pin10～Pin17）：

8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7

3.1.3STC89C51的最小系统

单片机最小系统是是单片机可以工作的最小单元，包括电源、地、复位电路和晶振电路。

在此基础上可扩展外围电路。

STC89C51的最小系统如图3.1.3所示。

图3.1.3STC89C51的最小系统

3.2温度测量电路的实现

测温模块采用数字温度传感器DS18B20，它能代替模拟温度传感器和信号处理电路，直接与单片机沟通，完成温度采集和数据处理。

DS18B20与AT89C51结合实现最简温度检测系统，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境下进行现场温度测量，有广泛的应用前景。

3.2.1温度传感器的选择

温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。

超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎。

我们选择DS18B20作为温度传感器。

3.2.2DS18B20温度传感器

DS18B20具有独特的单总线接口方式，仅需使用1个端口就能实现与单片机的双向通讯。

全数字温度转换及输出提高了信号抗干扰能力和温度测量精度。

它具有多样封装形式，适应不同硬件系统。

它的工作电压使用范围宽（3．0～5．5V），可以采用外部供电方式，也可以采用寄生电源方式，即当总线DQ为高电平时，窃取信号能量给DS18B20供电。

它还有负压特性，电源极性接反时，DS18B20不会因接错线而烧毁，但不能正常工作。

可以通过编程实现9～12位的温度转换精度设置。

DS18B20采用3脚TO-92封装，形如三极管，同时也有8脚SOIC封装，还有6脚的TSOC封装，如图3.2.2所示。

图3.2.2DS18B20的封装

其测温范围为－55～+125℃，在-10～85℃范围内，精度为±0．5℃。

每一个DS18B20芯片的ROM中存放了一个64位ID号：

前8位是产品类型编号，随后48位是该器件的自身序号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。

因此，一条总线上可以同时挂接多个DS18B20，实现多点测温系统。

另外用户还可根据实际情况设定非易失性温度报警上下限值TH和TL。

DS18B20检测到温度值经转换为数字量后，自动存入存储器中，并与设定值TH或TL进行比较，当测量温度超出给定范围时，就输出报警信号，并自动识别是高温超限还是低温超限。

DS18B20的6个功能指令：

（1）温度转换指令（44H）。

这个命令用于启动温度转换，无实质的数据要求。

如果微控制器在该命令之后输出读操作命令，那么DS18B20将使DQ端为低电平，表示DS18B20正忙于温度转换，不能响应该命令。

（2）写便笺式存储器（4EH）。

写便笺式存储器从TH存储单元开始，三个字节的数据将被定位在2到4号便笺式存储器单元。

所有的三个字节必须在复位钳写入便笺式存储器。

（3）读便笺式存储器（BEH）。

该指令读取便笺式存储器的内容，读出的数据将从Byte0（存储器的0号单元）开始直到第9字节（CRC校验字）被读走。

但如果不想读完所有字节，微控制器可以再任何时候输出复位信号中断其传输。

（4）复制便笺式存储器指令（48H）。

把2、3、4号存储单元的内容存储到非易失性SRAM中去。

复制期间，如果有读指令，DS18B20将把DQ置为低电平，直到转换结束，把DQ置为高电平。

（5）回读SRAM（B8H）。

将存储在SRAM中的温度报警上下限、分别率配置的内容写回相应的便笺式存储器。

（6）读电源配置结构指令（B4H）。

主控制设备发出该指令后在输出读时序，器件即会送出所使用的电源信息：

0为寄生电源，1为外接电源。

DS18B20的ROM指令共有5条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。

在进行DS18B20操作时一般有以下步骤：

（1）初始化DS18B20。

（2）ROM指令操作。

（3）便笺式存储器功能指令操作。

（4）处理或数据传送。

每一次DS18B20的操作都必须满足以上步骤，若是缺少或顺序混乱，期间将不会返回值。

3.2.3温度采集电路

采用DS18B20数字温度传感器测量温度，DS18B20与单片机是单线双向通信。

其连接电路如图3.2.3所示。

图3.2.3DS18B20的测温电路（DQ端接51的P2.7）

3.2.4键盘显示电路

§1.概述

键盘实质上是一组按键开关的集合。

通常按键所用开关为机械弹性开关，均利用了机械触点的断合作用。

键的闭合与否，反映在电压上就是呈高电平或低点平。

如果高电平表示断开的话，那么低电平则表示闭合。

所以通过电平的高低状态的检测，便可确定健的闭合与否。

按键按连接方式可分为独立式按键和矩阵式按键。

独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键的工作状态不会影响另一根。

因此，通过检测输入线上的电平状态就可以很容易判断哪个健按下。

独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。

但每个键都需要一根输入线相连，故这种按键一般用在按键较少而速度较高的场合。

矩阵式键盘运用于按键较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行线和列线的交叉点上。

很明显，在按键较多的场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省好多的I/O口。

LED显示器是由发光二极管显示字段组成的显示器，有共阴极和共阳极之分。

共阴极LED各发光二极管阴极连在一起，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。

LED显示器包含两种显示方式：

静态显示方式和动态显示方式。

静态显示器的亮度较高，而动态显示方显示亮度相对较低，且软件实现要比静态显示复杂。

我们采用显示与键盘操作控制芯片HD7279A与STC89C51单片机进行串行通讯并通过相应的程控实现了这部分的功能。

其相对于常用的Intel8279可编程键盘、显示接口芯片来讲，具有以下特点：

·数据传输采用串行方式，可以少占用CPU的I/O口线

·可以直接驱动LED，减少硬件的开销

·具有段寻址指令，可方便独立控制LED

·自身带有定时电路，外加定时元件可完成对键盘和现实的扫描

§2.HD7279A的结构及特点

HD7279A是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。

其内部含有译码器，可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有2种译码方式，此外，还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。

HD7279A还具有片选信号，可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口。

HD7279A可以应用于仪器仪表，工业控制，条形显示器，控制面板。

1．典型应用

仪器仪表，工业控制器，条形显示器，控制面板等。

2．特点

　·串行接口，无需外围组件可直接驱动LED

　·各位独立控制译码／不译码及消隐和闪烁属性

　·（循环）左移／（循环）右移指令

　·具有段寻址指令，方便控制独立的LED

　·键盘控制器，内含去抖动电路

3．HD7279A引脚图如图3－2所示

4．引脚说明如表3.2.1所示。

5．工作原理

HD7279A采用串行方式与微处理器进行通讯，串行数据从DATA引脚送入

芯片，并由CLK同步。

当片选信号变为低电平后，DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入HD7279A的缓冲寄存器。

表3.2.1引脚说明

引脚

名称

说明

1，2

VDD

正电源

3，5

NC

无连接，必须悬空

4

VSS

接地

6

CS

片选输入端，此引脚为低电平时，可向芯片发送指令及读取键盘数据

7

CLK

同步时钟输入端，向芯片发送数据及读取键盘数据时，此引脚电平上升