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齒輪箱是機械設備中十分常用的部件，如何保障它的正常工作，對于整個系統的安全、可靠運行有著非常重要的意義。由于齒輪間的摩擦，會使得潤滑油的溫度升高。一般情況下，齒輪箱的潤滑油溫度都應限制在允許范圍內。但在工作異常情況下，如循環不良會導致齒輪箱溫度很快超出極限值。因而對齒輪箱溫度進行在線監測，能夠有效地預警系統工作狀態，避免生產安全事故的發生。 溫度監測是目前成熟的技術，工業中廣泛應用的溫度監測系統大多數還是采用有線方式傳輸信號的，然而對于工作環境惡劣、供電布線復雜且今后維護困難的場合，有線方式則帶有相當的局限性。采用無線方式傳輸數據，可以有效避免這些問題。與RF、WLAN、藍牙等無線方式相比，紅外無線傳輸以其安全性高、體積小、成本低廉、應用廣泛等特點更適用于鋼鐵生產過程中的齒輪箱系統。 由于采集端靠近被測對象，布線和維護困難，因此在系統設計上要解決供電和信號傳輸有效性的問題。布線上的局限使得采集端只能采用電池供電模式，而在線監測又需要24小時不間斷工作，因此采集端的功耗必須非常低，在器件的選擇上必須滿足低電壓支持和低功耗要求。工業現場環境復雜，干擾大，則必須對原始信號進行編碼和譯碼，以保證信號傳輸的有效性。 采集發射端硬件設計 采集發射系統主要由AT89C2051單片機、DS18B20數字溫度傳感器、MC145026編碼器、TLC555時基集成電路、PH303紅外發射管等構成，系統結構圖如圖1所示。 圖1 采集發射端結構圖 數字溫度傳感器將溫度信號以12位數字量的方式輸出，而編碼器每次只可完成4位二進制資料信息的發送，當單片機接收到12位溫度信號時，先將其拆分為高、中、低4位，然后給每位匹配以相應的地址信號，再送給編碼器。采用這種分址傳輸的方法可有效地避免不同位信息傳輸混亂的問題。 有效作用距離是衡量采集發射端性能指標的一個重要參數。由于發射紅外線時，其發射距離與發射功率成正比。當紅外發射管工作于脈沖狀態時，脈動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射距離。在不增加系統功耗的前提下，通過減小產生的載波脈沖占空比，可有效提高峰值電流，增加紅外發射的作用距離。 監控接收端硬件設計 接收端的主要功能是接收紅外信號并對其進行解碼以及后續處理。監控接收系統主要由AT89C51單片機、HS0038A2紅外接收頭、MC145027解碼器、MC14511數碼驅動器、MAX232串口通訊芯片等構成，系統結構圖如圖2所示。 圖2 監控接收端結構圖 接收解碼紅外信號采用查詢方式進行，單片機先把事先約定好的對應地址信號送入解碼器，解碼器可對接收的串行數據進行校對、譯碼和糾錯，然后從并行數據口輸出。如果接收到的串行數據中包含的地址信息與本地地址信息不符，即視為無效數據。地址校驗正確后，解碼器才開始對數據進行譯碼，完成后接收數據有效輸出端輸出高電平，表示譯碼有效。當單片機查詢到譯碼有效標志后再把下一組地址信號送入解碼器。 在譯碼過程中采用了積分環節，即解碼器并不直接對接收到的脈沖信號進行解碼，而是將輸入信號積分后進行解碼。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即使受到某種程序的干擾，依然能夠進行正確的解碼，這對于環境復雜的工業現場尤為重要。 系統顯示部分采用兩種顯示方式。一種方式是利用串行數據傳輸方式與上位PC機通訊，利用PC機豐富的圖形界面顯示出當前被測設備的溫度；另一種方式是通過系統監控接收端的數碼管顯示溫度。采用這種方法可同時滿足現場和遠程溫度監測的要求。 軟件設計 溫度監測系統的軟件由三部分組成。運行于AT89C2051片內FLASH中的溫度采集以及發送程序；運行于AT89C51片內FLASH中的接收顯示及串口發送程序；運行于遠端PC機上的圖形界面和串行接收程序。 溫度采集發送程序用C51語言編寫，主要完成如下幾個功能：（1）DS18B20溫度值的讀取。由于DS18B20是一線式數字溫度傳感器，對時序及電特性參數要求較高，所以采集程序必須嚴格按照DS18B20的時序要求操作。（2）編碼器地址和數據信號的匹配。由于數字溫度傳感器是以12位串行方式輸出溫度信號，而編碼器每次最大只能傳輸4位信號，為了保證溫度信號的正確性和完整性，采用分址方式編碼，即每次溫度信號中的高中低4位信號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地址后，譯碼器就只能接收地址匹配的信號，從而保證了溫度信號的正確性和完整性。（3）其他事件的處理。包括采集端電池電量不足以及被測設備溫度超標報警。當上述事件發生時，單片機將發送與正常溫度信號不同的報警約定代碼，接收端在接收到代碼后將做出相應的報警處理。 圖3 采集發送端程序流程 圖4 監控接收端程序流程 監控接收端程序也采用C51語言編寫，主要任務是把譯碼器的輸出信號還原成溫度值并顯示與板載數碼管上，同時通過RS-232C串口總線傳送到遠端PC機。此外還可以對接收到的報警約定代碼進行處理，觸發各種不同的報警狀態。將報警部分設置在接收板上的目的是為了降低發送板功耗，從而延長發射端電池更換周期。 PC機上的圖形界面用戶程序通過C++ Builder開發環境編寫，采取端口中斷的異步方式實現通信，每當端口檢測到有新的字符到來，就通過中斷函數從端口讀取字符并利用C++ Builder的Tchart類及其子類實時顯示溫度圖表數據，以供工作人員查看和監測。 結語 某廠齒輪箱周邊環境惡劣，給施工和布線帶來很大困難，因此設計方案中采用了前面所述的思路和結構。本系統采用紅外無線方式傳輸數據，有效解決了溫度數據傳輸困難的問題；最大限度的減少采集和發送部分的功耗，使得電池供電系統能滿足有效運行工作時間的要求；配套的編碼/譯碼芯片的應用保證了系統數據傳輸的有效性和完整性。整套系統能穩定工作在環境惡劣的系統中，實現簡單，價格低廉，可靠性好，為復雜環境下的溫度在線監測提供了一種新的監測方法。 |
