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无缝线路轨温实时监测系统的实现和应用
摘要：为简便实时地监测无缝线中的钢轨温度，应对钢轨进行应力散放作业。介绍了无缝线路轨温实时监测系统的硬件及软件设计。在该系统中，利用单片机对传感器进行远程控制和数据传输，借助串行通信实现人机交互控制。该系统目前已投入使用，通过对轨温的实时测量和数据统计，为轨道监测和维护作业提供了科学的依据。关键词：无缝线路轨温温度应力传感器控制串口通信
当今，世界各国铁路都在大力发展无缝轨道。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。
本文所提出的无缝铁路轨温实时监测系统就是针对这一情况而设计的。通过控制远程传感器实现对负轨温度测量。并把测得的轨温数据传入计算机进行存储、处理和分析，极大方便了铁道工作者对轨温的测量和监控以及制定相应的轨道维护策略。
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。
2.1DS18B20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±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。
2.2nRF401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。
2.3MCS-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2.1×105Mpa，
F——钢轨断面积，
α——钢轨线膨胀系数，为11.8×10-6/℃，
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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