齒輪箱是機(jī)械設(shè)備中十分常用的部件，如何保障它的正常工作，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行有著非常重要的意義。由于齒輪間的摩擦，會(huì)使得潤(rùn)滑油的溫度升高。一般情況下，齒輪箱的潤(rùn)滑油溫度都應(yīng)限制在允許范圍內(nèi)。但在工作異常情況下，如循環(huán)不良會(huì)導(dǎo)致齒輪箱溫度很快超出極限值。因而對(duì)齒輪箱溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，能夠有效地預(yù)警系統(tǒng)工作狀態(tài)，避免生產(chǎn)安全事故的發(fā)生。

溫度監(jiān)測(cè)是目前成熟的技術(shù)，工業(yè)中廣泛應(yīng)用的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多數(shù)還是采用有線方式傳輸信號(hào)的，然而對(duì)于工作環(huán)境惡劣、供電布線復(fù)雜且今后維護(hù)困難的場(chǎng)合，有線方式則帶有相當(dāng)?shù)木窒扌浴２捎脽o(wú)線方式傳輸數(shù)據(jù)，可以有效避免這些問(wèn)題。與RF、WLAN、藍(lán)牙等無(wú)線方式相比，紅外無(wú)線傳輸以其安全性高、體積小、成本低廉、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)更適用于鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的齒輪箱系統(tǒng)。

由于采集端靠近被測(cè)對(duì)象，布線和維護(hù)困難，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上要解決供電和信號(hào)傳輸有效性的問(wèn)題。布線上的局限使得采集端只能采用電池供電模式，而在線監(jiān)測(cè)又需要24小時(shí)不間斷工作，因此采集端的功耗必須非常低，在器件的選擇上必須滿(mǎn)足低電壓支持和低功耗要求。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，干擾大，則必須對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行編碼和譯碼，以保證信號(hào)傳輸?shù)挠行浴?/p>

采集發(fā)射端硬件設(shè)計(jì)

采集發(fā)射系統(tǒng)主要由AT89C2051單片機(jī)、DS18B20數(shù)字溫度傳感器、MC145026編碼器、TLC555時(shí)基集成電路、PH303紅外發(fā)射管等構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 采集發(fā)射端結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字溫度傳感器將溫度信號(hào)以12位數(shù)字量的方式輸出，而編碼器每次只可完成4位二進(jìn)制資料信息的發(fā)送，當(dāng)單片機(jī)接收到12位溫度信號(hào)時(shí)，先將其拆分為高、中、低4位，然后給每位匹配以相應(yīng)的地址信號(hào)，再送給編碼器。采用這種分址傳輸?shù)姆椒捎行У乇苊獠煌恍畔鬏敾靵y的問(wèn)題。

有效作用距離是衡量采集發(fā)射端性能指標(biāo)的一個(gè)重要參數(shù)。由于發(fā)射紅外線時(shí)，其發(fā)射距離與發(fā)射功率成正比。當(dāng)紅外發(fā)射管工作于脈沖狀態(tài)時(shí)，脈動(dòng)光有效傳送距離與脈沖的峰值電流成正比，所以提高峰值電流，便可增加紅外光的發(fā)射距離。在不增加系統(tǒng)功耗的前提下，通過(guò)減小產(chǎn)生的載波脈沖占空比，可有效提高峰值電流，增加紅外發(fā)射的作用距離。

監(jiān)控接收端硬件設(shè)計(jì)

接收端的主要功能是接收紅外信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行解碼以及后續(xù)處理。監(jiān)控接收系統(tǒng)主要由AT89C51單片機(jī)、HS0038A2紅外接收頭、MC145027解碼器、MC14511數(shù)碼驅(qū)動(dòng)器、MAX232串口通訊芯片等構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控接收端結(jié)構(gòu)圖

接收解碼紅外信號(hào)采用查詢(xún)方式進(jìn)行，單片機(jī)先把事先約定好的對(duì)應(yīng)地址信號(hào)送入解碼器，解碼器可對(duì)接收的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行校對(duì)、譯碼和糾錯(cuò)，然后從并行數(shù)據(jù)口輸出。如果接收到的串行數(shù)據(jù)中包含的地址信息與本地地址信息不符，即視為無(wú)效數(shù)據(jù)。地址校驗(yàn)正確后，解碼器才開(kāi)始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，完成后接收數(shù)據(jù)有效輸出端輸出高電平，表示譯碼有效。當(dāng)單片機(jī)查詢(xún)到譯碼有效標(biāo)志后再把下一組地址信號(hào)送入解碼器。

在譯碼過(guò)程中采用了積分環(huán)節(jié)，即解碼器并不直接對(duì)接收到的脈沖信號(hào)進(jìn)行解碼，而是將輸入信號(hào)積分后進(jìn)行解碼。由于積分電路能濾除瞬間的尖脈沖干擾，因此解碼器接收的編碼信號(hào)即使受到某種程序的干擾，依然能夠進(jìn)行正確的解碼，這對(duì)于環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)尤為重要。

系統(tǒng)顯示部分采用兩種顯示方式。一種方式是利用串行數(shù)據(jù)傳輸方式與上位PC機(jī)通訊，利用PC機(jī)豐富的圖形界面顯示出當(dāng)前被測(cè)設(shè)備的溫度；另一種方式是通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)控接收端的數(shù)碼管顯示溫度。采用這種方法可同時(shí)滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)的要求。

軟件設(shè)計(jì)

溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件由三部分組成。運(yùn)行于AT89C2051片內(nèi)FLASH中的溫度采集以及發(fā)送程序；運(yùn)行于AT89C51片內(nèi)FLASH中的接收顯示及串口發(fā)送程序；運(yùn)行于遠(yuǎn)端PC機(jī)上的圖形界面和串行接收程序。

溫度采集發(fā)送程序用C51語(yǔ)言編寫(xiě)，主要完成如下幾個(gè)功能：（1）DS18B20溫度值的讀取。由于DS18B20是一線式數(shù)字溫度傳感器，對(duì)時(shí)序及電特性參數(shù)要求較高，所以采集程序必須嚴(yán)格按照DS18B20的時(shí)序要求操作。（2）編碼器地址和數(shù)據(jù)信號(hào)的匹配。由于數(shù)字溫度傳感器是以12位串行方式輸出溫度信號(hào)，而編碼器每次最大只能傳輸4位信號(hào)，為了保證溫度信號(hào)的正確性和完整性，采用分址方式編碼，即每次溫度信號(hào)中的高中低4位信號(hào)分別匹配不同的地址送入編碼器，在接收端分配給譯碼器相應(yīng)地址后，譯碼器就只能接收地址匹配的信號(hào)，從而保證了溫度信號(hào)的正確性和完整性。（3）其他事件的處理。包括采集端電池電量不足以及被測(cè)設(shè)備溫度超標(biāo)報(bào)警。當(dāng)上述事件發(fā)生時(shí)，單片機(jī)將發(fā)送與正常溫度信號(hào)不同的報(bào)警約定代碼，接收端在接收到代碼后將做出相應(yīng)的報(bào)警處理。

圖3 采集發(fā)送端程序流程

圖4 監(jiān)控接收端程序流程

監(jiān)控接收端程序也采用C51語(yǔ)言編寫(xiě)，主要任務(wù)是把譯碼器的輸出信號(hào)還原成溫度值并顯示與板載數(shù)碼管上，同時(shí)通過(guò)RS-232C串口總線傳送到遠(yuǎn)端PC機(jī)。此外還可以對(duì)接收到的報(bào)警約定代碼進(jìn)行處理，觸發(fā)各種不同的報(bào)警狀態(tài)。將報(bào)警部分設(shè)置在接收板上的目的是為了降低發(fā)送板功耗，從而延長(zhǎng)發(fā)射端電池更換周期。

PC機(jī)上的圖形界面用戶(hù)程序通過(guò)C++ Builder開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)，采取端口中斷的異步方式實(shí)現(xiàn)通信，每當(dāng)端口檢測(cè)到有新的字符到來(lái)，就通過(guò)中斷函數(shù)從端口讀取字符并利用C++ Builder的Tchart類(lèi)及其子類(lèi)實(shí)時(shí)顯示溫度圖表數(shù)據(jù)，以供工作人員查看和監(jiān)測(cè)。

結(jié)語(yǔ)

某廠齒輪箱周邊環(huán)境惡劣，給施工和布線帶來(lái)很大困難，因此設(shè)計(jì)方案中采用了前面所述的思路和結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)采用紅外無(wú)線方式傳輸數(shù)據(jù)，有效解決了溫度數(shù)據(jù)傳輸困難的問(wèn)題；最大限度的減少采集和發(fā)送部分的功耗，使得電池供電系統(tǒng)能滿(mǎn)足有效運(yùn)行工作時(shí)間的要求；配套的編碼/譯碼芯片的應(yīng)用保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院屯暾浴Ｕ紫到y(tǒng)能穩(wěn)定工作在環(huán)境惡劣的系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，可靠性好，為復(fù)雜環(huán)境下的溫度在線監(jiān)測(cè)提供了一種新的監(jiān)測(cè)方法。

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