多点综合温度测量系统设计

王 慧

(神华神东煤炭集团有限公司 设备维修中心一厂, 陕西 神木 719315)

0 引 言

在大型矿用设备的维修制造中,需要间断性地对出厂入厂设备及所属部件进行多点的温度监控、记录,而人工机械性测量、记录使用的是单点测量的红外温度检测仪器,该仪器有温度信息传递不及时、精度不准确等缺点,不利于测试人员依据温度变化及时做出决定和撰写测试报告(影响准确性);存在多次进入测试设备运转区域而产生的安全隐患。本文设计一种能够同时测量多个采集点的温度测量系统,并且具有实时性高、精度高等特点,能够综合处理数据,并实现数据储存、打印。

1 硬件设计基础

温度传感器在工业的基础应用非常广泛,在选型过程中应充分考虑作业环境、测量范围、信号形式、安装方式等因素。设计选用DS18B20元件为温度采集端,以通用型芯片AT89S52单片机为核心,围绕集成控制、多点监控、数据传输与储存打印、温度变化区间(20～95 ℃)、抗环境效果、方便安装与拆卸等因素进行硬件设计。

DS18B20将地址线、数据线、控制线合为一根信号线,实现一信号线上进行双向数据传输,最大限度地使通信线数量减到最少,使系统构成更趋于简单化。

驱动DS18B20测温流程如图1所示。

图1 驱动DS18B20测温流程

2 系统的组成

2.1 上位机

设计第一层选用一台Windows环境的PC机作为上位机,负责全系统的控制和管理,通过串行通信线按应答式通信规约与第二层的1个下位机组成两级主从分布式测温系统,具有收集、整理、采集、显示、打印等功能;选用单片机作为第二层下位机,具有接口简单、数据传输方便、价格低等优点。上、下位机之间的关系为上位机向下位机下达工作方式命令。

2.2 下位机

下位机以AT89S52单片机为处理核心,MAX232ESE线路驱动器为通信模块,通过RS-232串口转USB通信总线连接上位机,实现远距离控制,避免设备在同一时间发送数据。

结合LCD12864显示屏和SW-PB触电按钮等其他电子元件组合,实现下位机完整功能。下位机采用独立供电单元,保证其在正常工作中不受外界干扰,实现信号采集的稳定性、连续性。

2.3 温度采集软件流程

DS18B20温度传感器温度采集程序如图2所示。

图2 DS18B20温度传感器温度采集程序

数据采集循环n个DS18B20温度参数,并存放在单片机中,上位机通过RS-232C串口将字节数据定时接收。通信方式是由上位机发出通信命令,单片机接收该命令后通过串口中断逐一发送数据。在读该程序前应先编制DS18B20的序列号读出子程序,将n片DS18B20的序列号读出,并存放在单片机的温度采集程序中,这样在进行温度采集时只要依序列号对各个DS18B20操作。该系统需上位机编制软件,实现多种人机对话方式,操作简便,下位机程序实现数据采集系统与上位机的数据通信。

3 软件设计

3.1 单片机程序设计

应用51单片机程序开发,因硬件设计只进行读取,需确定读取数量及编译设置值,综合考虑实际工况和显示数值,开发主框架,对数据流程进行设计。选取8个采集点数,数值转换为16进制转10进制,波特率为9 600,开关量二进制。

3.1.1 DS18B20的读时序

DS18B20的读时序分读0时序和读1时序两个过程。读时序是主机先把单总线拉低,在l5 μs内必须释放单总线,以便将数据传输到单总线上。DS18B20完成一个读时序至少需要60 μs。

3.1.2 DS18B20的写时序

DS18B20的写时序也分为写0时序和写1时序两个过程。写0时序和写1时序的要求不同,写0时序时,单总线要被拉低至少60 μs,保证DS18B20能够在15～45 μs之间正确采样I/O总线上的“0”电平。写1时序时,单总线被拉低,在15 μs内须释放单总线。

DS18B20复位后,就可以编程控制读到其内部RAM所采集到的温度值(通过P0.7),并且读取数据时低位在前,高位在后。读出数据后,需判断对应的温度是正值还是负值,当温度值为正值时,直接将二进制数转换为十进制;当温度值为负值时,先将二进制补码变为原码,再转换为十进制。

3.2 PC端软件设计

PC端开发程序环境较成熟,功能优化非常方便,因此将数据处理和功能执行放在PC端进行。

3.2.1 设计逻辑

(1) 通信自检:确保控制读取软件与下位机通信正常。

(2) 高温预警设置:因不同设备、不同部位采集点的温度预警值不同,需设置可供采集人员操作。

(3) 时间过滤:下位机只供实时传输和显示数据,因此上位机软件需要自行过滤采集时间,结合操作工人现场工作环境,测试设备、部位的时间点可在30 min内。

(4) 文件输出与保存:为保证输出文件的通用性和可操作性,设置输出文件为文本格式。

(5) 预警提示:采用界面与扬声器同步输出,方便测试人员直观感知。

3.2.2 温度记录软件

温度记录软件界面如图3所示。操作人员可依据被测设备相关要求条件设置采样结果,并储存和打印,出具检测结果。

图3 温度记录软件界面

该软件执行是基于普通Windows系统的.NET环境下开发应用的,安装文件类型为Msi,运行为可执行文件.exe,方便基础工作人员的安装和使用。

4 结 语

以DS18B20元件为采集端,结合软硬件开发,设计了多点温度测量应用系统,可减少人身伤害与噪声污染,可在高低温工作环境以及特殊的冷库、熔炉等工业领域推广应用。