无缝线路轨温实时监测系统的实现和应用
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。 2.1 DS18B20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%26;#177;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。 2.2 nRF401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是nRF401在本系统中应用的电路原理图，可直接应用232串口异步传输。从图中可以看到，外围元件很少，包括一个基准晶体及几个无源器件，没有调试部件，这给研制及生产带来了极大的方便。图中L1电感需要采用高Q高精度的巾片绕线高频电感（Q>45），晶体X1城需要采用高稳定度晶体，电容元件应选用高稳定贴片元件（如NPO高稳定电容）以确保性能稳定可靠。 2.3 MCS-51单片机 单片机是在一块硅片上集成了各种部件的微型计算机，这些部件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。MCS-51是一种使用最广泛的单片机，本系统中用它对温度传感器进行控制和与计算机进行串口数据通信。 2.4 串口通信 EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定，在TxD和RxD上：逻辑1（MARK）取值范围为-3V--15V；逻辑0（SPACE）取范围为+3V--+15V。在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通、ON状态、正电压）取值范围为3V--+15V；信号无效（断开、OFF状态、负电压）取值范围为为-3V---15V。EIA-RS-232C是用正负电压表示逻辑状态的，与TTL器件以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的转换。MAX232芯片可完成TTL与EIA的双向电平转换。在通信速率低于20kb/s时，RS-232C所能直接连接的最大物理距离为15m。 3 软件实现 3.1 单片控制程序 这里使用单片机的C语言编写单片机控制程序。
和汇编语言相比，单片机的C语言具有可读性高、易移植等优点。该控制程序主要对温度传感器进行控制，并收集温度传感器测得的轨温数据。对每个温度器的控制流程如图4所示。根据系统的需求，还可以用单总线方式对多个温度传感器进行控制，从而完成多点测量任务。控制流程如图5所示。 3.2 串口通信程序 串行接口有异步和同步两种基本通信方式。异步通信采用异步传磅格式。数据发送和接收均将起始位和停止位作为开始和结束的标志。在该轨温监测系统中，系统通信速率为1200bit/s，帧格式为N.8.1。发送时，先发送一个起始位（低电平），接着按低位在先的顺序发送8位数据，最后发送停止位。接收时，先判断接收端品时否有起始低电平出现，如有则按低位在先的顺序接收8位数；最后判断接收端口是否有停止高电平出现，如有则完成了一个数据的接收，否则继续等待。软件编写严格按照异步通信的时序进行，每比特位传送的时间间隔按通信速率为1200bit/s计算，为833μs。 3.3 监控计算机用户界面和数据库部分 使用VB语言对系统用户界面和数据库部分编程，生成性能良好的人机界面，使得用户能够方便快捷地对系统进行管理；同时对测昨的轨温数据进行存储和分析，从而达到研究铁轨温度应力、及时改善轨道状况的目的。系统默认设定为10分钟测量一次轨温，测得的数据存储于专用的数据库中。根据数据库中的这些温度值，用户可以通过软件预设的功能生成相应的曲线图，从而清楚地观测到当天、当月、当年温度的变化规律和统计峰值，进行相应的应力分析和研究。
4 应用 无缝线路由于在结构上限制了钢轨的伸缩，所以当轨温发生变化时就会产生巨大的纵向温度力，这是在受力方面与与标准轨线路的最大区别。这一区别也使得跑道与断轨的可能性增大。 根据无缝线路钢轨温度力计算公式： P=EfαΔt 其中：P——钢轨温度力， E——钢轨弹性模量，为2.1%26;#215;105Mpa， F——钢轨断面积， α——钢轨线膨胀系数，为11.8%26;#215;10-6/℃， Δt——相对于零应力轨温的轨温变化幅度。 可得温度应力与轨温变化的关系曲线，如图6所示。 钢轨内的温度力仅与轨温变化幅度有关，然而即使在一天当中，轨温也是不停地变化着的。一般说来，锁定轨温（即通常理解的零应力轨温）是一个常量，如果准确地掌握了实际锁定轨温，便可以知道任意轨温时的轨温变化幅度以及相应的温度力。
该无缝线路轨温实时监没轨温进行远程实时全天候测量，并对测得的轨温数所进行相应的存储、统计处理，用户界面生动，操作简单，可协助铁道工作人员完成轨温测量这一重要而又繁冗的工作。根据监测结果，对在温度应力作用下的轨道状况进行巡检，及时发现无缝线路出现的异常，按规定采取必要的应中以解救，进行无缝线路应力放散作业，消除隐患。特别是应根据秀节特点，在冬、夏季最低轨温和最高轨温时间段加强无缝线路的巡检，以便发现无缝线路的钢轨折磨或胀轨路道的先兆，合理安排线路维修 计划，确保行车安全。结合无缝线路的锁定轨温和线路状态，维修计划的原则为：在气温较低的季节安排锁字轨温较低地段的综合维修，在气温较高的季节安排锁定轨温高地段的综合维修。 表1所示为部分实验室调度阶段测得的温度值统计示例。表1 轨温监测值数据库示例 空气温度/℃年月日时 间钢轨温度/℃27.220028921：43：5427.227.120028921：53：5527.228.3200281019：12：0928.128.4200281019：29：1828.128.5200281019：29：2428.128.5200281019：29：3028.228.5200281019：50：1728.228.5200281020：00：1828.127.1200281110：30：5226.927200281110：41：0326.927.2200281110：51：1027该无缝线路轨温实时监测系统从2002年10月开始在天津铁路分局天津东车辆段试用，经过近一年的时间，已经测量并积累了大量的轨温数据。同时，在使用的过程中，也对线路连接的一些工程问题进行了不断的完善，防止因接口接触不良而导致传感器不能正常工作，使得系统的性能更加稳定。温度传感器的安置和固定也是一个很有技术性的工作，需保证与外界空气隔绝且牢靠地固定在轨道上，不会因列车的经过而移动或损坏。
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