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完整word版机车轴承温度监测

1绪论

1.1课题意义

机车车辆在运行过程中车轴与轴承之间相互摩擦，容易使轴温升高，温度达到一定程度就会引起燃轴，轻则轴体变形、热轴、固死，造成机破，影响机车的正常运转，重则造成热切轴,车毁人亡，严重影响铁路运输安全，对国家造成巨大的经济损失。

对于机车轴承的温度控制不但可以防止火灾，而且对于延长仪器的工作寿命都有着极其重要的作用。

为此铁道部于2000年颁发了关于机车轴承温度监测报警装置技术条件（暂行）的通知，对机车轴承温度监测报警装置的研制生产提出了明确的规定和严格的技术要求，以便能及时、可靠、准确的对机车轴温进行监测报警，确保机车车辆的安全运行。

以前铁路工人采用手摸的方式对车轴进行温度检查。

在每趟列车进站停稳后，几十名列检工人钻入车下用手触摸轴箱判断温度，工人要在5-10分钟内检查完毕,劳动强度,安全保障率低。

后来使用红外线探测轴温装置,当列车通过安装在咽喉道岔处的探测装置时，红外线探头就会将车轴温度情况显示出来,值班列检人员根据显示，就能准确判断这趟列车是否有热轴发生.红外线探测只须一个人坐在室内，仅用一分钟就能把整趟列车的情况探测清楚。

减轻了列检人员的劳动强度，提高了检查的准确性、可靠性和工作效率，更提高了经济效益。

车轴温度随火车运输速度不断变化,长途列车的轴温又是怎样控制呢？

所以又有了轴温报警装置。

当轴温超限时，显示器的报警装置便发出声响或红色信号,有关人员即可根据此采取防护措施。

不管列车跑多远，轴温报警装置都能随时发出信号,有效防止热轴、裂轴等重大事故发生,极大地保证了行车安全。

1。

2解决方案

那么如何设计一台机车轴承温度监测报警装置呢？

DS18B20芯片可以把温度信号直接转换为数字量，而无须A/D转换器与数据调理电路，而且它采用单总线原理，易于电路扩展，只需在相应单总线上继续挂接器件即可。

我们可以利用DS18B20的这些优点,把4个DS18B20连接到轴承的上下左右，组成一个数据采集电路，对轴承的温度进行监测。

系统选用AT89C51作为微处理器。

为了能够根据不同的情况设置不同的超温报警值，系统需要有一个键盘和一个显示以及一个参数保存电路.系统还需要一个报警电路，当温度超过温度报警值时产生声、光报警。

1.3本文主要工作

（1）键盘显示电路设计。

（2）键盘显示软件设计与编程.

（3）看门狗电路及报警电路设计。

（4）看门狗及报警软件设计与编程.

2总体设计

2。

1系统特点

本系统实时地对温度信号进行采集，并送单片机处理,处理结果送LED显示。

该系统还可以将采集到的值与报警值比较，若超出报警值，则发出声光报警。

本系统有如下特点：

1．采用数字式温度传感器，与单片机接口简单，采集到的数据准确可靠。

2．实现4路温度检测，由于采用单总线温度传感器,扩展容易,只要将器件挂接在单总线上即可。

3．有看门狗电路，系统可靠性高.

4．EEPROM保存键盘输入参数，系统掉电后保存的参数不会丢失。

2。

2系统总体设计

该系统由数据采集电路，键盘显示电路，报警电路，看门狗电路及E2PROM组成.主控机采用AT89C51单片机,完成对4个测温点温度信号的采集、显示、报警。

系统结构框图如图2－1所示。

图2－1系统结构框图

2。

2.1数据采集系统

本系统采用数字式温度传感器DS18B20完成对4个测温点温度的数据采集。

DS18B20可以把温度信号直接转换为数字量,而无须A/D转换器与数据调理电路，既简化电路,又提高电路的可靠性.采用单总线原理，易于电路扩展，只需在相应单总线上继续挂接器件即可，是现代集成式温度传感器的首选器件。

2。

2.2键盘显示系统

本系统采用HD7279完成数据输入与数据显示。

HD7279是一片具有串行接口的,可同时驱动8位共阴式数码管的智能显示驱动芯片,该芯片同时能对多达8×8的键盘矩阵的按键情况进行监视,具有自动消除键抖动并识别按键代码的功能，从而可以提高CPU工作的效率。

HD7279和微处理器之间采用串行接口，其接口电路和外围电路简单，占用口线少,具有较高的性能价格比。

2.2。

3报警电路

本电路完成系统报警功能，即在温度超出报警值时，发光二极管灯亮，蜂鸣器响，显示报警状态。

2.2.4看门狗电路及E2ROM

看门狗电路及E2ROM本电路采用Xicor公司的X25045芯片.X25045是可编程看门狗监控E2ROM,它把看门狗电路、电压监控和E2ROM组合在一起，降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。

此芯片实时检测单片机,使其正常工作.一旦单片机因干扰而程序走失，可通过复位电路使单片机复位，保证系统可靠运行。

该芯片还含有内部512字节的E2ROM，可存储键盘输入的温度报警值以及数字式温度传感器DS18B20的序列号，保证掉电时不丢失信息，因而不必每次开机时重新写入这些数据.X25045还具有允许简单的三线总线工作的串行外设接口和软件协议。

3硬件电路设计

在硬件设计的过程中,为使硬件电路简单、可靠、合理，设计的基本思路如下：

（1）为简化电路,我们尽可能采用功能强的芯片。

例如本系统中采用的AT89C51，DS18B20，X25045，HD7279A等芯片。

因为功能强的芯片可以代替若干块普通芯片，便于电路设计，使其集成度更高,同时可增强整个电路的抗干扰性.另外，随着生产工艺的提高，新型芯片的价格不断下降，并不比若干块普通芯片价格的总和高。

（2）在单片机的硬件设计中，很多场合下要考虑以软代硬。

因为硬件多了不但增加成本，而且使系统出故障的机会也增加。

单片机和数字电路本质的区别,就是它具有软件系统。

很多硬件能完成的工作,软件也可以完成。

用软件来代替硬件，其实质是以时间代替空间,因为软件执行过程需要消耗时间，所以,这种代替带来的不足就是实时性下降.因此，当系统对某些事物的反应有严格的时间限制时，往往增加硬件电路是唯一选择；但对一些实时性要求不是很高的场合，以软件代替硬件是很合算的。

（3）监测电路的设计.在系统运行过程中有可能出现故障，如何及时采取措施，防止事态扩大，及时向操作者提出报警，这就要求系统具有自诊断功能。

为此，必须为系统设计有关的监测电路。

如本监测仪电路中设计的“看门狗”电路。

（4）一件产品的形成必须考虑其工艺设计，它主要包括面板、配线、插接件等，必须考虑到安装、调试、维修的方便。

另外，硬件抗干扰措施也必须在硬件设计时一并考虑进去。

下面我将对所使用的3种芯片作一详细的介绍.

3.1单片机

本系统的单片机采用AT89C51，它是一种低功耗、高性能的8位单片机，它内含4K字节的FLASH程序存储器,可在现场进行在线编程，指令与MCS-51完全兼容。

它含有4K字节的FLASHROM，128字节的RAM,32条I/O口线，两个16位的定时/计数器，5个中断源,两个优先级，一个全双工串行口，工作频率0—24MHz。

3。

1.1AT89C51单片机的特点

AT89C51单片机对于一般用户来说,存在下列很明显的优点：

（1）内部含有Flash存储器

由于内部含有F1ash存储器，因此在系统的开发过程中可以十分容易地进行程序的修改。

这就大大缩短了系统的开发周期。

同时,在系统工作过程中,能有效地保存一些数据信息,即使外界电源损坏也不影响信息的保存。

（2）和AT80C51插座兼容

AT89C51单片机的引脚和80C51是一样的，所以,当用AT89C51单片机取代80C51时，可以直接进行代换。

这时,不管采用40引脚还是44引脚的产品，只要用相同引脚的AT89C51单片机取代80C51的单片机即可.

（3）静态时钟方式

AT89C51单片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能.这对于降低便携式产品的功耗十分有用。

（4）错误编程亦无废品产生

一般的OTP产品,一旦错误编程就成了废品.而AT89C51单片机内部采用了Flash存储器，所以，错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。

（5）可反复进行系统试验

用AT89C51单片机设计的系统，可以反复进行系统试验。

每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优.而且随用户的需要和发展，还可以进行修改，使系统能不断追随用户的最新要求.

（6）性价比相对较高

现在市场上较为流行的几中品牌的单片机芯片中ATMEL公司的AT89C51单片机芯片的功能能够满足一般用户的要求,而价格较同类产品相比较低。

3.1.2AT89C51单片机结构简介

AT89C51单片机的内部结构和80C51相近,主要含有如下一些部件：

1803lCPU

2振荡电路

3总线控制部件

4中断控制部件

5片内Flash存储器

6片内RAM

7并行I／O接口

8定时器

9串行I／O接口

由于AT89C51片内带有EPROM,只要将单片机接上时钟电路和复位电路即构成单片机最小系统.由于集成度的限制，该最小应用系统具有如下特点：

（1）有可供用户使用的大量1/0口线.因没有外部存储器扩展，这时/EA接高电平，P0、P1、P2、P3都可作用户I/0口使用。

（2）内部存储器容量有限。

（3）应用系统开发具有特殊性,应用系统程序量不大，外电路简单，便于采用模拟开发手段。

（4）AT89C5l片内有EPROM，具有64K数据存储单元,其内部资源丰富,芯片功耗较低，其成本低、体积小，可达性好、扩展容易的优点是我们选择它的主要原因.

3.2键盘显示电路

3。

2。

1概述

键盘实质上是一组按键开关的集合。

通常按键所用开关为机械弹性开关,均利用了机械触点的断合作用。

键的闭合与否，反映在电压上就是呈高电平或低点平.如果高电平表示断开的话,那么低电平则表示闭合.所以通过电平的高低状态的检测，便可确定健的闭合与否.

按键按连接方式可分为独立式按键和矩阵式按键。

独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接一根输入线,一根输入线上的按键的工作状态不会影响另一根.因此，通过检测输入线上的电平状态就可以很容易判断哪个健按下。

独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。

但每个键都需要一根输入线相连,故这种按键一般用在按键较少而速度较高的场合.矩阵式键盘运用于按键较多的场合，它由行线和列线组成,按键位于行线和列线的交叉点上。

很明显，在按键较多的场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省好多的I/O口.

LED显示器是由发光二极管显示字段组成的显示器,有共阴极和共阳极之分。

共阴极LED各发光二极管阴极连在一起,当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示.

LED显示器包含两种显示方式：

静态显示方式和动态显示方式。

静态显示器的亮度较高,而动态显示方显示亮度相对较低,且软件实现要比静态显示复杂。

我们采用显示与键盘操作控制芯片HD7279A与89C51单片机进行串行通讯并通过相应的程控实现了这部分的功能。

其相对于常用的Intel8279可编程键盘、显示接口芯片来讲，具有以下特点:

·数据传输采用串行方式，可以少占用CPU的I/O口线

·可以直接驱动LED，减少硬件的开销

·具有段寻址指令,可方便独立控制LED

·自身带有定时电路，外加定时元件可完成对键盘和现实的扫描

3。

2.2HD7279A的结构及特点

HD7279A是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能.其内部含有译码器，可直接接受BCD码或16进制码,并同时具有2种译码方式，此外,还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。

HD7279A还具有片选信号,可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口。

HD7279A可以应用于仪器仪表，工业控制，条形显示器，控制面板。

1．典型应用

仪器仪表，工业控制器，条形显示器，控制面板等。

2．特点

　·串行接口，无需外围组件可直接驱动LED

　·各位独立控制译码／不译码及消隐和闪烁属性

　·（循环）左移／（循环）右移指令

　·具有段寻址指令,方便控制独立的LED

　·键盘控制器，内含去抖动电路

3．HD7279A引脚图如图3－2所示

4．引脚说明如表3－1所示。

5．HD7279A的实物如图3－3所示。

图3－3HD7279A实物图

6．工作原理

HD7279A采用串行方式与微处理器进行通讯，串行数据从DATA引脚送入

芯片，并由CLK同步。

当片选信号变为低电平后,DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入HD7279A的缓冲寄存器。

表3－1引脚说明

引脚

名称

说明

1，2

VDD

正电源

3，5

无连接，必须悬空

VSS

接地

片选输入端，此引脚为低电平时，可向芯片发送指令及读取键盘数据

CLK

同步时钟输入端，向芯片发送数据及读取键盘数据时，此引脚电平上升沿表示数据有效

DATA

串行数据输入/输出端,当芯片接收指令时，此引脚为输入端；当读取键盘数据时，此引脚在‘读’指令最后一个时钟的下降沿变为输出端

KEY

按键输出有效端，平时为高电平，当检测到有效按键时，此引脚变为低电平

10—16

SG—SA

段g～段a驱动输出

小数点驱动输出

18—25

DIG0—DIG7

数字0～数字7驱动输出

CLKO

振荡输出端

RC振荡器连接端

RESET

复位端

HD7279A对数码管的显示及键盘操作的控制是通过由单片机向该芯片发送或接收来自该芯片的串行数据来实现的。

其中LED的显示采用循环扫描方式。

7．控制指令

HD7279A指令系统由6条纯指令、7条带数据指令和1条读键盘指令组成.

（1）6条纯指令如表3－2所示。

表3－2纯指令表

纯指令

指令代码

功能

复位指令

A4H

清除所有显示，包括字符消隐属性和闪烁属性

测试指令

BFH

将所有的LED点亮并闪烁，主要用于测试

左移指令

A1H

将所有的显示左移1位，移位后，最右位空（无显示）,不改变消隐和闪烁属性

右移指令

A0H

与左移指令相似,但所做移动为自左向右,移动后,最左边一位为空

循环左移指令

A3H

将所有的显示循环左移1位。

移位元后，最左位内容移至最右位，不改变消隐和闪烁属性

循环右移指令

A2H

与循环左移指令相似，只是方向相反

（2）7条带数据指令为：

①按方式0译码下载指令

命令由两个字节组成，前半部分为指令，其中a2，a1，a0为位地址，具体分配如下：

显示位

d0-—d3为数据，收到此指令时，HD7279A按以下规则译码（方式0），如表3-3所示。

表3－3方式0译码规则

d3-—d0

7断显示

00H

01H

02H

03H

04H

05H

06H

07H

08H

09H

0AH

0BH

0CH

0DH

0EH

0FH

空（无显示）

X表示无影响,其中DP为小数点控制位元,DP=1，小数点显示；DP=0，小数点熄灭。

②按方式1译码下载指令

此指令与上一条指令基本相同,所不同的只是译码方式，如表3—4所示.

③不译码下载指令

表3－4　方式1译码规则

d3--d0

7断显示

00H

01H

02H

03H

04H

05H

06H

07H

08H

09H

0AH

0BH

0CH

0DH

0EH

0FH

其中a2,a1，a0仍为位地址，第2字节仍为显示内容，分别代表小数点和LED显示器的7段,相应位为1时,该段点亮;为0时,该段熄灭。

④闪烁控制指令

该指令规定了每个数码管的闪烁属性.d8--d1分别对应第1到第8个数码管，该位为1不闪烁;该位为0闪烁。

缺省状态为所有数码管均不闪烁。

⑤消隐控制指令

该指令规定了每个数码管的消隐属性.d1～d8分别对应第1到第8个数码管，该位为1显示；该位为0消隐。

当某一位被赋予了消隐属性后,HD7279A在扫描时将跳过该位,因此在这种情况下，无论对该位写入何值，均不会被显示,但写入的值将被保留，在将该位重新设为显示状态的时候，将不用的位设为消隐属性,可以提高显示的亮度。

应该注意的是至少要有1位保持显示状态，如果全部消隐则该命令无效。

⑥段点亮指令

该指令的作用是点亮某个LED数码管中的某一段或64个LED发光管中的某一个，d0~d5的范围是00H~3FH。

具体分配为：

第一个数码管的G段地址位00H，F段为01H，……A段为06H,小数点DP为07H，第2个数码管的G段为08H，F段为09H，……，依此类推直至第8个数码管的小数点DP地址为3FH。

⑦段关闭指令

该指令的作用是关闭某个数码管中的某一段，其对应关系同段点亮指令。

（2）读取键盘指令

该指令的作用是读取当前的键盘代码.与其它带数据的指令不同,它的前1个字节为微控制器传送到HD7279A的指令，它的第2个字节不是写入HD7279A的数据，而是从HD7279A读回的按键代码，其范围是00H~3FH。

8．时序

HD7279A的指令结构由三种类型:

不带数据的纯指令,带有数据的指令,读取键盘数据指令。

（1）纯指令时序

微处理器发出8个CLK脉冲，向HD7279A传送8位元指令。

DATA引脚为高阻状态，如图3－4所示.

图3－4纯指令时序图

（2）带数据指令时序

微处理器发出16个CLK脉冲,前8个向HD7279A传送8位元指令；后8个向HD7279A传送8位资料。

DATA引脚为高阻状态,如图3－5所示。

（3）读键盘指令时序

微处理器发出16个CLK脉冲,前8个向HD7279A传送8位元指令，DATA引脚为高阻状态;后8个由HD7279A向微处理器返回8位按键代码，DATA引脚为输出状态。

在最后1个CLK脉冲的下降沿DATA引脚恢复高阻状态，如图3－6所示。

图3－5带数据指令时序图

图3－6读键盘指令时序图

9．键盘

键盘部分所要实现的功能是：

键入相应的参数，并将键入的参数显示于LED显示器，然后将此资料存储于单片机内相应的存储单元，如图3－7所示

对应于图3－7，各键功能介绍如表3－5所示。

图3－7键盘设置外形图

表3－5键盘功能表

键盘

功能

S0（设定）

当数码管1处在闪烁状态,等待键入设定值

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