齒輪箱是機械設(shè)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(tǒng)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(yīng)限制在允許范圍內(nèi)。但在工作異常情況下，如循環(huán)不良會導(dǎo)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(jiān)測，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)測是目前成熟的技術(shù)，工業(yè)中廣泛應(yīng)用的溫度監(jiān)測系統(tǒng)大多數(shù)還是采用有線方式傳輸信號的，然而對于工作環(huán)境惡劣、供電布線復(fù)雜且今后維護困難的場合，有線方式則帶有相當?shù)木窒扌浴２捎脽o線方式傳輸數(shù)據(jù)，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(yīng)用廣泛等特點更適用于鋼鐵生產(chǎn)過程中的齒輪箱系統(tǒng)。
由于采集端靠近被測對象，布線和維護困難，因此在系統(tǒng)設(shè)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(jiān)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(yè)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)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?shù)挠行浴?
采集發(fā)射端硬件設(shè)計
采集發(fā)射系統(tǒng)主要由AT89C2051單片機、DS18B20數(shù)字溫度傳感器、MC145026編碼器、TLC555時基集成電路、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位二進制資料信息的發(fā)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(yīng)的地址信號，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的問題。
有效作用距離是衡量采集發(fā)射端性能指標的一個重要參數(shù)。由于發(fā)射紅外線時，其發(fā)射距離與發(fā)射功率成正比。當紅外發(fā)射管工作于脈沖狀態(tài)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(fā)射距離。在不增加系統(tǒng)功耗的前提下，通過減小產(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
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(xù)處理。監(jiān)控接收系統(tǒng)主要由AT89C51單片機、HS0038A2紅外接收頭、MC145027解碼器、MC14511數(shù)碼驅(qū)動器、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
接收解碼紅外信號采用查詢方式進行，單片機先把事先約定好的對應(yīng)地址信號送入解碼器，解碼器可對接收的串行數(shù)據(jù)進行校對、譯碼和糾錯，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，即視為無效數(shù)據(jù)。地址校驗正確后，解碼器才開始對數(shù)據(jù)進行譯碼，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(huán)節(jié)，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(huán)境復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場尤為重要。
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機通訊，利用PC機豐富的圖形界面顯示出當前被測設(shè)備的溫度；另一種方式是通過系統(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滿足現(xiàn)場和遠程溫度監(jiān)測的要求。
軟件設(shè)計
溫度監(jiān)測系統(tǒng)的軟件由三部分組成。運行于AT89C2051片內(nèi)FLASH中的溫度采集以及發(fā)送程序；運行于AT89C51片內(nèi)FLASH中的接收顯示及串口發(fā)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(fā)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(shù)字溫度傳感器，對時序及電特性參數(shù)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(shù)據(jù)信號的匹配。由于數(shù)字溫度傳感器是以12位串行方式輸出溫度信號，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(yīng)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(shè)備溫度超標報警。當上述事件發(fā)生時，單片機將發(fā)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(yīng)的報警處理。
圖3 采集發(fā)送端程序流程
監(jiān)控接收端程序也采用C51語言編寫，主要任務(wù)是把譯碼器的輸出信號還原成溫度值并顯示與板載數(shù)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(fā)各種不同的報警狀態(tài)。將報警部分設(shè)置在接收板上的目的是為了降低發(fā)送板功耗，從而延長發(fā)射端電池更換周期。
圖4 監(jiān)控接收端程序流程
PC機上的圖形界面用戶程序通過C++ Builder開發(fā)環(huán)境編寫，采取端口中斷的異步方式實現(xiàn)通信，每當端口檢測到有新的字符到來，就通過中斷函數(shù)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(shù)據(jù)，以供工作人員查看和監(jiān)測。
結(jié) 語
某廠齒輪箱周邊環(huán)境惡劣，給施工和布線帶來很大困難，因此設(shè)計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)能滿足有效運行工作時間的要求；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，實現(xiàn)簡單，價格低廉，可靠性好，為復(fù)雜環(huán)境下的溫度在線監(jiān)測提供了一種新的監(jiān)測方法。
參考文獻：
1. 肖景和等. 紅外線、熱釋電與超聲波遙控電路,人民郵電出版社，2003.
2. Dave Hyder, Infrared Sensing and Data Transmission Fundamentals.On Semiconductor Application Note AN1016/D, 2002. (end)
