軸溫報警器檢測平臺的設計與實現

張玉欣，賈君賢，葛文奇

(1. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033；2. 中國科學院 研究生院，北京 100039；3. 北華大學 電氣信息工程學院，吉林 132021；4. 常州紡織服裝職業技術學院 機電系，常州 213164）

0 引言

現在鐵路部門大量使用的車載型火車軸溫報警器，它能實時地檢測、記錄運行中火車車軸的溫度，超過安全溫度則發出報警信號。在列車運行中由于震蕩、溫度等環境因素的影響有可能使其設備中的器件老化、損壞導致其輸出的電信號不能夠客觀地反映出車軸的真實溫度，對火車的安全運行產生很大的影響。因此我們設計了一款檢測平臺，專門對車載型火車軸溫報警器的性能進行測試，保證軸溫報警器正常工作從而保證火車安全運行。

在設計的過程中，考慮到PC機的廣泛應用以及PC機人機交互界面使用的簡捷、易操作，我們采用串行通信的方式以PC機作為上位機進行顯示、控制雙重功能。

1 軸溫報警器簡介

軸溫報警器[1,2]主要由溫度傳感器采集火車車軸溫度信號，然后通過內部電路進行信號處理、顯示及報警等。根據使用的傳感器類型分為模擬式、數字式兩種。

模擬式軸溫報警器所使用的雙PN結傳感器，數字式軸溫報警器采用DS18B20數字溫度傳感器。模擬式軸溫報警器、數字式軸溫報警器各有八路通道，即各外接八個溫度傳感器，主機內有八路處理電路，可以實現對八點軸位的溫度檢測。在以下的介紹中，我們把軸溫報警器整機分成傳感器和軸溫報警器主機兩個部分。

2 檢測平臺測試原理

2.1 模擬式軸溫報警器的檢測原理

采用三端可調式集成恒流源LM334構成300μA恒流源通過由555構成的八路環形時序發生器順序加到八個被檢測PN結上，通過基準電壓電路、窗口比較電路等實現對PN結傳感器的檢測，允許誤差范圍是±1℃。

對模擬式軸溫報警器主機內部恒流源的檢測采用電流-電壓轉換法，將恒流源加到精密電阻上，根據誤差范圍計算出上、下限電壓值并利用基準電壓電路輸出該電壓值加到電壓窗口電較電路，輸出信號通過單穩態觸發電路后送單片機。同時，為了測量第一路恒流源的精確值，將第一路輸出信號加到精密電阻上并采用TLC1550I A/D轉換器將該電壓模擬量轉換成數字量存儲到單片機，并上傳到PC機顯示。

計算出在恒定電流300μA時P-N結在0℃、30℃、50℃、80℃、90℃五個溫度下的電壓值，用硬件電路仿真出這五個電壓值加到軸溫報警器主機上的傳感器接口上，觀察軸溫報警器的液晶顯示是不是相對應的溫度，如果是，說明軸溫報警器的溫度檢測及信號處理裝置工作正常。

2.2 數字式軸溫報警器的檢測原理

對DS18B20數字溫度傳感器性能的檢測也采用單點溫度測試的方法，把DS18B20數字溫度傳感器放入恒溫箱，溫度控制為60℃，此溫度下DS18B20數字溫度傳感器輸出的數字值是0078H，根據廠家要求，允許誤差范圍是±1℃，因此只要此溫度下DS18B20數字溫度傳感器輸出的數字值在0076H-0080H之間，就可判定其性能優良。

我們采用直接給軸溫報警器主機內部的控制器傳送不同溫度對應的數字量的方法來仿真出DS18B20數字溫度傳感器的特性。觀察軸溫報警器的液晶顯示是不是相對應的溫度，如果是，說明軸溫報警器的溫度檢測及信號處理裝置工作正常。

2.3 檢測平臺主要功能

軸溫報警器檢測平臺主控制器選用AT89C51單片機，可實現系統鍵盤、上位PC機雙重控制，測試結果在PC機顯示器上顯示。

檢測平臺主要功能：

1）實現對八個P-N結傳感器的性能同時檢測；對八個DS18B20數字溫度傳感器的性能同時檢測。

2）測試模擬式軸溫報警器八路恒流源輸出是否滿足大小300μA，誤差范圍 ±6μA，并精密檢測第一路恒流源值并輸出其大小。

3）測試軸溫報警器在0℃、30℃、60℃、80℃、90℃五個溫度下的顯示值是否正確，允許溫度誤差范圍為±1℃，以及在90℃時軸溫報警器是否報警。

4）測試模擬式軸溫報警主機八個通道性能；測試數字式軸溫報警主機八個通道性能。

3 檢測平臺硬件電路

檢測平臺硬件電路主要有以下幾個部分：八個555構成的八路環形時序發生器、LM334構成的零溫度系數恒流源、仿真P-N結結電壓電路、TL431構成的基準電壓源電路、LM393電壓窗口比較器、555單穩態觸發電路、TLC1550I A/D轉換電路、開關轉換及工作狀態控制電路、多個DS18B20與單片機使用一條數據線連接電路、檢測數字軸溫報警器主機電路、串行通信電平轉換電路等構成。電路較多，篇幅有限這里只介紹其中兩個電路的設計[4]。

3.1 開關轉換及工作狀態控制電路

開關轉換及工作狀態控制電路如下圖1所示。繼電器電路，主要實現恒流源檢測電路和模擬式軸溫報警器主機檢測電路的切換。繼電器的控制是由單片機P1.6口完成的。P1.6輸出高電平時繼電器的常開觸點吸合，常閉觸點斷開，此時進行恒流源檢測。單片機輸出低電平時繼電器的常開觸點斷開，常閉觸點吸合，此時將仿真出的P-N結電壓輸出到模擬式軸溫報警器主機的傳感器接口，對軸溫報警器測試。HCC4051的通道選擇引腳A、B、C由單片機的P1.0 、P1.1和P1.2控制。

3.2 串行通信電平轉換電路

RS232串行通信在控制領域里應用非常廣泛，多用于傳輸距離不超過15米，所傳輸數據量較小的PC機與單片機間的通信，符合本系統的設計要求。在本系統中，AT89C51與PC機串行通信電路如圖2所示，采用3線制RXD、TXD、GND軟握手的MODEM方式。

圖2 串行通信電平轉換電路

4 PC機顯示界面的設計

Microsoft Communications Control（以下簡稱MSComm）是Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，它為應用程序提供了通過串行接口收發數據的簡便方法[4]，由VB編寫的PC機顯示界面如圖3所示。

圖3 PC機顯示界面

PC機與單片機串行通信控制界面由三個部分組成：操作控制區、測試溫度選擇區、測試結果顯示區。

操作控制區中當“送電壓值”選項被選定時，測試溫度選擇區的5個溫度按鈕有效，這時只要按下相應的溫度鍵，單片機將執行此溫度相應的操作。當“測試恒流源”選項被選定時，測試溫度選擇區的5個溫度按鈕無效，這時單片機會控制檢測平臺對恒流源的值進行檢測并將結果送PC機界面顯示。當“PN結傳感器型”選項被選定時，按下測試溫度選擇區相應的溫度按鈕時，PC機控制單片機把硬件測試電路中仿真出的相應溫度的電壓值送到模擬式軸溫報警器主機進行測試。當“數字傳感器型”選項被選定時，按下測試溫度選擇區相應的溫度按鈕時，PC機控制單片機把DS1820型數字傳感器在此溫度下的數字量值送到數字式軸溫報警器主機進行測試。

第一個組合框是串行通信的波特率選擇框，選項有：110，300，600，1200，2400，4800，9600，14400，19200。默認值是4800。第二個組合框是選擇串行通信端口號，選項有：COM1、COM2、COM3、COM4分別代表串口1～4。

測試溫度選擇區中按下相應的溫度鍵，根據選項按鈕選擇的軸溫報警器類型輸出相應的模擬式、數字式仿真值通過串口傳送給軸溫報警器主機。

5 結論

該檢測平臺經過實驗驗證性能良好，PC機界面操作非常簡單、直觀使得該檢測平臺有很大的應用前景和開發價值。在下一步的開發完善中將注重人機交互界面設計的美觀性與實用性，讓各項檢測結果的顯示更豐富更清晰，同時加載更多的功能。

[1] 刁月華,楊正儀.淺論機車的軸溫檢測[J].內燃機車,2001,9:46-49.

[2] 劉小丹.主從式軸溫測試系統[J].齊齊哈爾大學學報,2004,9(3):34-36.

[3] 劉沖,吳成百,張文濤,等.微小型燃料電池測試系統的氣體流量控制.光學精密工程[J],2008,16(3):459-466.

[4] 仵浩,齊燕杰,宋文超,等.Visual Basic串口通信工程開發實例導航[M].人民郵電出版社,2003:1-55.