测温设计方案
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无缝线路轨温实时监测系统
设
计
方
案
无缝线路钢轨温度实时监测系统
1研究背景及现状
现今世界各国铁路都在大力发展无缝轨道，因为无缝线路是铁路轨道现代化的重要内容，经济效益显著。据有关部门方面统计，与普通线路相比，无缝线路至少能节省15%的经常维修费用，延长25%的钢轨使用寿命。此外，无缝线路还具有减少行车阻力、降低行车振动及噪声等优点。无缝轨道的特点是钢轨中间不留间际，但无缝钢轨因热胀冷缩所带来的长度变化会产生巨大的温度应力作用，若钢轨应力散放控制得不好，天热时可能会造成胀轨跑道，天冷时可能会出现拉断钢轨的情况。因此，自无缝轨道问世以来，轨温监测工作就被放到了一个非常重要的地位。目前，我国的铁路轨温监测主要是靠人工定点定时测量完成。这种测温方法所获得的监测数据密度小，难以捕捉日、月、年内的最高轨温和最低轨温；占用劳动力多、测量误差大、实时性差，因此难以为铁路工务作业提供及时、准确、科学的决策依据。在我国北方的部分城市也实现了无缝线路钢轨温度的实时监测，但由于北方的天气气候和南方的不同，这种监测系统很难准确的反映出南方铁路的轨温变化。
因此，我们提出了适合南方天气和实际情况下的无缝线路钢轨温度实时监测系统。通过该系统能够时实监测轨温，通过数据分析处理得到不同地区不过轨道上的温度变化以做出正确的钢轨锁定，以保证无缝线路钢轨冬天不被拉断，夏天不致胀轨跑道，保障行车安全。 2系统指标
根据监测对象的特点，在系统设计中我们遵循以下的系统性能要求和功能要求。其中，系统时钟频率是提供单片机工作和发射接收网络工作的晶振频率。
2.1 系统性能指标
(1) 系统静态误差： 优于±2%
(2) 系统最大动态误差： 优于±10%
(3) 温度量程范围：-55℃-+125℃
(4) 测量精度: ±0.5℃
(5) 测量分辨率：0.0625℃
(6) 系统时钟频率： 12.0MHz
(7) 最高采样频率：
2.2 系统功能指标
(1)数据无线发射传输
(2)系统数据时实存储
(3)系统损坏自动报警
(4)软件可读取数据、显示曲线；数字信号处理
3系统总体设计方案
3.1设计原则
根据无缝线路钢轨温度实时监测技术的现状和测试要求，提出在方案设计中主要考虑的方面有：
1） 系统数据采用无线发射接收以减少线路铺设困难
2）在大威力振动环境下，测试正常，记录可靠，装置保护完好。
3）系统基础模块有良好的互换性。
4）传感器和发射系统应满足铁路系统的安装局限性。
3.2 系统组成
整个监测系统主要由传感器、信号采集发射与接收、壳体和计算机等几部分组成，如图 和 所示。
（机械图）
（对图进行说明）
3.3 电路模块方案设计
对电路模块的设计包括性能要求和功能要求，在前面的系统指标已经提到了系统的性能要求和功能要求，其实电路的性能加上传感器的性能就是系统的性能，而电路和软件的配合就完成了系统的功能。所以在电路模块设计时就应该和传感器和软件配合来考虑。
电路模块的结构如图3.2所示，采用了以STC89C51 单片机为控制中心的原理设计。
自检电路STC 单片机收发电路收发电路STC 单片机报警电路接口电路信号
图3.2 电路模块结构图
（1）自检电路
在监测过程中，自检电路一但检测到某个测试信号出错或没有信号输入时，单片机就会产生一个错误代码有收发电路传给上位机，用以检测系统的可靠性
（2）收发电路
此模块在系统中起传输数据作用，通过模块电路实现远距离的操作测试模块。 （3）报警电路
报警电路是存在于用户终端，用于提示前端设备有故障，通过状态灯的不同显示来提示错误等级，数码管将显示错误代码。根据预先设置的错误代码信息很快找到错误问题及出错的位置。
（4）接口电路
接口电路将实现测试数据与计算机的通信，
（5）MCU
处的MCU才用STC单片机实现数据的采集和输入传输，分析通信转换等功能。
3.4 系统软件结构设计
软件是整个监测系统的一个重要部分，通过软件将实现数据的分析，处理和曲线生成等功能。
3.4.1 系统配置
这部分软件负责了测试前与装置通信和参数设置、自检、调节、静标等所有监测准备和检查工作。。这部分软件完全使用VB 编程语言完成，要求界面友好，简洁明了。
3.4.2 数据采集
数据采集主要设计到单片机系统对传感器的测试数据处理、传输和分析。
3.4.3 数据处理编程原理
4具体实施方案
4.1 系统功能模块图
收发模块 数据采集模块 测温模块
控制模块通信模块
图4.1 系统功能模块图
4.2 系统硬件设计
DS18B20 -1DS18B20 - nStc89c51NewMsg - Rf1100NewMsg - Rf1100Stc89c51MAX 232自检电路报警电路无线传输Pt100
图4.2 系统硬件结构图
4.2.1 传感器的分析与选择
考虑到铁路系统的特殊性，测温传感器需要有良好的稳定性和抗振动能力以及数据传输等特点。所以我们仍然选择抗干扰性强，适合恶劣环境测量温度的“一线总线”数字化温度传感器DS18B20。其具体特点如下：
• 独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯
• 简单的多点分布应用
• 无需外部器件
• 可通过数据线供电
• 零待机功耗
• 测温范围-55~+125℃，以 0.5℃递增。华氏器件-67~+2570F，以 0.90F递增
• 温度以 9 位数字量读出
• 温度数字量转换时间 200ms（典型值）
• 用户可定义的非易失性温度报警设置
• 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件
• 应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统
DS18B20与单片机的接口电路如图4.3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）。
图4.3 DS18B20连接图 4.2.2 数据采集模块
此模块主要涉及到单片机的程序设计和外围扩张以及和DS18B20的通信,通过单片机来实现测量信号到发射信号的数据转换。
4.2.3数据发送接收模块
发射接受模块将采用成品设计模块NewMsg RF1100无线收发模块，该模块稳定性能好、灵敏度高、传输距离远、体积较小、消耗功率小等特点。
图4.4 NewMsg RF1100模块引脚图
表4.1 NewMsg RF1100 引脚说明
4.3.3数据分析处理通信模块 数据分析处理模块主要是用来处理收发模块的信号和自检电路的代码分析处理，最后完成接口电路的扩展。所用芯片仍然是STC89C51单片机。
图4.5 STC89C51单片机引脚图
图4.6 通信接口电路连接图 4.3 系统软件设计
系统软件设计包括两个方面，一是单片机程序设计，二是用户计算机监测软件的设计。
4.3.1 数据采集传输程序设计
单片机控制程序用C语言编写。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。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4.7所示：
图4.7 对温度传感器的控制流程图
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（低电负。），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。 4.3.2 用户应用软件设计
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；同时对测过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15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。
5关键技术
5.1 传感器的安装
5.2 数据的分析与处理
6质量保证措施
6.1
6.2
7预算
7.1
7.2
