（精密仪器及机械专业论文）分布式温度监测及管理系统.pdf

堡堕查堂婴：苎兰垡笙壅 摘要 温度是保证建筑施工质量的关键网素之一。根据大规模多点位远距离温度监控的要求，结合先进 的无线传输方法，设计了一种适合丁- 施工信息智能监控的分布式温度监测传输及管理系统。 本论文的主要研究内容如f ： 1 、根据施工现场的具体情况，确定监测系统的具体工作过程，设计_ 手l l 开发出分布式温度监测及管 理系统。整个系统由一台p c 机和多台单片机( 卜位机) 构成，每个单片机系统作为真接控制 机完成施工现场的温度采集和控制功能，p c 机作为中央主机，对整个温度监测系统进行统一管 理控制； 2 、设计分布式温度监测及管理系统中的下位机部分，包括选择适当的系统硬件，如单片机、温度 传感器、a d 转换器等，设计了多点位智能测温仪的硬件和软件，实现对温度的采集和发送； 3 、选择适当地无线传输模块，制定合适的传输协议，完成数据传输； 4 、利用d e l p h i 语言和a c c e s s 数据库对分布式温度监测及管理系统进行软件设计及调试，实现数 据的接收，存储，显示，修改，查询及曲线绘制等功能。 关键词：分布式，监测，无线传输d e l p h i ，数据管理 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e m p e r a t u r ei so n eo f t h ep i v o t a lf a c t o r sw h i c he n s u r et h eq u a l i t yo ft h ec o n s t r u c t i o n a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n to fl a r g e s c a l et e m p e r a t u r em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gf o rr e m o t ea p p l i c a t i o n ，c o m b i n i n gw i t h a d v a n c e dw i r e l e s st r a n s f e rt e c h n i q u e ，ad i s t r i b u t e dt e m p e r a t u r em o n i t o r i n ga n dm a n a g i n gs y s t e mi sd e s i g n e d w h i c hi su s e df o rt h ei n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r em o n i t o r i n g a n dt h ei n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g i nc o n c r e t e c o n s t r u c t i o n t h em a i nr e s e a r c h i n gw o r k so f t h i sp a p e r a r ea sf o l l o w s ： 1 、a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o n so f t h ec o n s t r u c t i o n ，c o n f m m n gt h ep r o c e d u r eo ft h es y s t e m ，d e s i g n m g t h ed i s t r i b u t e dt e m p e r a t u r em o n i t o r i n ga n dm a n a g i n gs y s t e m t h ew h o l es y s t e mc o n s i s t so f o n e p c a n ds e v e r a ls c m e v e r ys c mc o n t r o lt h et e m p e r a t u r ec o l l e c t i n ga n dt r a n s f e r r i n g a s t h ec e n t e r , t h e p c m a n a g e r t h ew h o l e s y s t e m ； 2 、s e l e c t i n g t h eh a r d w a r eo f t h e s y s t e m ，s u c h a ss c m ，t e m p e r a t u r es e n s o ra 仍c o n v e r t e r ，e t c ； 3 、s e l e c t i n gt h ea p p r o p r i a t ew i r e l e s st r a n s f e rm o d u l e ，e s t a b l i s h i n g t h ea p p r o p r i a t et r a n s f e rp r o t o c o la n d t r a n s f e r r i n gd a t a ； 4 、d e s i g n i n ga n dd e b u g g i n gt h e s o f t w a r eo ft h ed i s t r i b u t e dt 口叩e r a t i l r cm o n i t o r i n ga n dm a n a g i n g s y s t e mb yd e l p h i a n d a c c e s s k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e dm o n i t o r i n g a n dm a n a g i n g w i r e l e s st r a n s f e r d e l p h i d a t am a n a g e r 东南大学学位论文 独创陛声明及使用授权的说明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：玉盎日期：塑：玉：三里 二、关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：m 导师签名：嶝：日期： 口啦3 妒 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 随着国民经济的发展，十木工程建设发展极为迅猛，高层建筑、超高层建筑、展览中心、 铁路、公路及桥梁、港口航道及大型水利工程在全国不断涌现，高层建筑韵箱形基础或筏型 基础，多有厚度较大的钢筋混凝土底板结构还常常有深梁及转换层、转换大梁，这些混凝 土结构厚度都在4 m 以上：桥梁的桥墩、锚碇、水利工程的大坝等的厚度达数十米，这些大 型建筑的混凝土结构对混凝土的施工技术提出了更高的要求。要理解大体积混凝土温度检测 和控制的必要性就要先了解温度裂缝对混凝土结构的影响及危害。 1 1 。l 大体积混凝土结构中的温度作用及其危害 1 1 1 1 水利水电工程中的大体积混凝土结构 水利水电工程中的大体积混凝土结构有各种类型的混凝土坝、水电站厂房下部结构( 包 括尾水管、蜗壳、挡水墙等) 、水闸闸墩及底板、船坞构筑物等。其共同特点是混凝土体积 比较大，结构形状复杂，孔洞多，或以大体积的板、墩结构出现。这样，混凝土中的水泥在 水化硬结过程中会发生数量可观的水化热，使混凝土中的温度显著上升。当达到最高温度值 后，温度开始下降。但因混凝土是一种导热性能极差的材料，如果任其自然发散，往往需要 较长时间。 温度的这种变化会产生一系列的后果。首先。当混凝土内部温度与外界温度相差悬殊， 温度梯度很陡时，就容易在混凝土表面引起巨大拉应力和出现开裂现象。其次，在混凝土温 度达到最高区后开始下降时，体积随之收缩，可能会产生基底垂直裂缝，或者使结构缝张开， 这对于结构作用和建筑物防渗都是极为不利的( 对拱坝影响尤为严重) 。另外混凝土内部复 杂的温度场使结构的内力场计算变得非常复杂。贯穿性裂缝破坏了结构的整体性，从而改变 了结构设计的力学基础，严重的将直接影响建筑物的安全。 1 1 1 2 工业与民用建筑中的大体积混凝土结构 建筑工程中的大体积混凝土结构包括：高炉、粗轧机、水压机等的大块式基础，整体筏 式基础，箱形基础和各种隧道等。这些基础与水工大体积混凝土结构温度作用的规律基本类 似，但具体存在较大的区别：建筑工程中的大体积混凝土不仅有水化热的影响，而且还有显 著的收缩影响；建筑工程的结构多数是钢筋混凝土结构，一般不存在承载力的问题，因此在 施工阶段控制温差和温度应力，防止混凝土的早期开裂是其主要矛盾。此外，水工混凝土控 制裂缝的方法主要是靠采取冷却系统降低水化热及混凝土内部最高温度，而建筑工程一般可 采用简便实用的保温和蓄热方法。 根据调查，在由裂缝引起的各种不利后果中，渗漏水占6 0 。遗憾的是并不是任何裂 缝都能顺利堵住。有些裂缝经过长时间、多次反复堵漏仍不成功，其影响生产和造成的经济 l 一蔓二兰堕笙 损失往往超过土建投资若干倍。 1 1 1 3 桥梁结构 6 0 年代以来，预应力混凝土箱形梁发展极快，是预应力混凝十桥梁主要的截面形式。 但在国内外的桥例中，常发现一些产生严重后果的裂缝。产生裂缝的原因是多方面的，但是 温度应力对桥梁的危害受到研究工作者的最大重视。在德国，有两座预应力桥梁就因温度作 用而几乎倒塌：在新西兰，一座位于高速公路上的预应力混凝土箱形高架桥因温差导致严重 开裂。我i 雪通惠河4 0 米连续箱形粱铁路桥和九江4 0 米简支箱梁铁路大桥也因温差发生严重 的开裂现象。在施工阶段，温度的变化会引起向上拱度变化，将导致施工脚手架荷载的重分 布，很有可能使一些脚手架的杆件超载，曾经有一座桥梁在施工过程中就由于这种原因造成 脚手架坍塌。 1 1 1 4 圆形简形结构 混凝土圆形空心桥墩、烟囱、筒仓、蓄水池、电视塔、冷却塔等工业构筑物，都属于圆 形简体结构。这类结构在长时间的日幅作用下，筒壁内外表面存在较大的温差，产生相当大 的温度应力，有的接近于混凝土的极限拉力，有的更发生严重的温度裂缝。七十年代初，英 国f e r r y b r i d g e 的冷却塔发生严重的竖向裂缝，因没有设置两面双向钢筋而倒塌了3 座。国 内芜湖过江电缆塔、重庆2 4 0 米商烟囱等筒体结构也曾发生严重裂缝。这类结构发生裂缝后， 对结构的安全无疑是很不利的。 1 1 1 - 5 水泥混凝士路面 采用水泥混凝土作公路路面或机场跑道的路面结构，一般称为刚性路面。在日照和外界 环境气温变化作用下，路面结构将发生明显的热胀和冷缩变形。但水泥混凝土路面结构底面 与公路的地基紧密接触，而地基的温度又相对稳定，受外界环境温度变化的影响小。据有关 实测资料分析，水泥混凝土路面的顶底温差可以达到2 0 度以上，其温差分布曲线呈非线性 型。混凝土路面板的温度应力随着季节有明显的变化，使混凝土路面板处于拉应力和压应力 的反复交替作用状态。再加上汽车荷载的作用和寒冷地区的冰冻作用，致使路面板容易产生 开裂破坏，从而使路面平整度大为降低，影响行车，特别是在高级路面上的影响更大。对我 国迅速发展的高速公路、城市道路和航空事业，高级混凝土路面和机场跑道的建设日益增多 来说，是个不利的因素。 1 1 1 6 多层框架和砖混结构 建筑工程中多层框架结构屋面梁裂缝事故较为普通。两温度变化是其主要影响因素之 一。靠近屋面的梁，温度变化比其他层的粱要大，梁在热胀冷缩时受柱的限制，从而在粱中 产生温度应力，导致开裂。因此，有必要对温度作用的规律进行研究，从构造、设计、施工 2 一 查翌查兰堡主兰竺笙兰 等方面采措施。 1 1 2 监控温度的必要性 为了在施工过程中精确地、长时间地跟踪测试大型建筑的混凝土结构内部温度、应力 变化掌握变化规律，防止出现裂缝现象，施工时，大型建筑的混凝士内温度需2 4 小时不 间断采集，并持续跟踪测试2 8 天以上，根据温度、应力测试数据，及时调整混凝土施工方 案和温度控匍储旌，控制混凝卜内外温差满足规范要求。 1 2 传统的温度监测方法 施工部门在大型建筑的混凝土结构施工时，大多是采用温度计或温度、应力测试探头， 人工采集温度、应力数据。这种方法问题较多：测试人员劳动强度大；采集数据不够准确； 当测试混凝土表面继续浇筑混凝土或是要作为工作面时，将不能正常监测。随着信息时代的 到来，这样的测试监控方法已经越来越不符合时代的要求。 为了能精确测取大型建筑混凝土内温度、应力值，并长时间跟踪观测混凝土内温度、应 力变化规律，同时不受环境、施工体积的影响，必须合理布局各监测点位，适当选取各监测 参数，更真实地反应建筑物整体上的特性。目前的一些温度测量方法，大多采用小信号传输 在传输过程中易受干扰，系统的抗干扰性不强。 由于建筑施工现场的情况复杂，同时要监测的参数和点位众多，采用有线传输技术时， 其传输线复杂，众多，而施工现场工程机械和施工人员来往频繁，因而给测量系统增加了许 多不可靠因素。传统的无线模拟信号传输技术中，具有传输可靠性差、易受干扰、电路复杂 等缺点。 大型建筑施工过程中，测试数据量很大，数据的采集、保存、处理、报表等信息化管理 的工作量较大，传统的方法是通过人工现场记录并管理，这种方式已经远远不能满足现代建 筑施工的要求。因此必须研制一种新型的分布式远程监控系统，减少工程人员的工作强度， 提高数据采集的准确性，实现监控的智能化、信息化。 1 3 一种新型的监控方法 针对传统的温度监控方法，本文提出了一种新型的基于无线数据传输的分布式远程温 度监控系统，系统采用下位机实现智能测温、上位机实现温度信息的智能化管理。 下位机采用半导体测温元件，其感温元件和信号放大电路集成在一起，从而各测温点可 以传输出相对较大的信号，提高了系统的抗干扰性能。 本系统中，先进的无线数字信号传输技术，使系统的结构更为简洁、清晰，给系统的使 用和维护人员带来了极大的方便。通过无线数字通信手段，实现主控机与测试仪器的连接， 为提高建筑施监测自动化水平提供了先进手段。 3 第一章绪论 设计爿建立一套合适的监测信息管理系统是本项目的主要研究目的之一。在本系统中， 主控微型计算机通过串行通信口与现场测试系统进行数字通信。在主控机上发送控制命令， 完成相应的测试控制功能和现场监测。将无线接收装置接收到的信息自动地传到计算机中， 采用d e l p h i 语言进行编程，实现对施工现场各测量点位被测参数的显示、列表、存储和打 印等信息管理功能。整个施工测试高度自动化、智能化。 4 查堕查兰堡主堂堡堡苎 第二章系统的总体方案设计 2 1 系统的要求与设计原则 针对建筑施工的实际要求得知，温度是保证施工质量的最关键因素之一。传统的测温方 法既费事费时，精度不高，测最也不方便。因此必须设计出新的温度监测传输及管理系统。 在设计时，要达到以下要求： 1 、对温度传感器的要求：使系统的设计简单： 2 、对传输方式的要求：无线传输或有线传输皆可； 3 、对测量部分的要求：采用单片机技术及数字通信技术； 4 、对传输距离的要求：大于5 0 0 米： 5 、对管理系统的要求：完成各种数据处理。 通过对温度监测的现状的研究分析，并考虑到具体施工现场的情况，本课题研究开发的 分布式温度监测及管理系统的总体设计原则是“简单、灵活、实用”。简单，一是指系统的 结构和操作界面简单明了，系统的现场安装简易，用户使用方便；二是指系统具有一定的智 能化程度，能对监测到的温度参数进行处理、分析。灵活，指系统可以根据用户的实际情况 对参数进行重新配置，满足不同客户的需求。实用，是指系统应充分考虑旆工现场的具体情 况，做到工作可靠、控制及时、分析准确、提示清楚。 裉据系统的设计要求，并结合藏工现场的具体情况，系统的主要研究内容如下： 1 、根据施工现场的具体情况，确定监测系统的具体工作过程； 2 、设计分布式温度监测及管理系统中的下位机部分，包括测量模块，数据调理，数据 转换等： 3 、利用传输模块，进行数据的传输； 4 、利用d e l p h i 语言和a c c e s s 数据库对分布式温度监测及管理系统进行软件设计及调 试： 第二章系统的总体方案设计 2 2 系统的构成及功能 【数据来蠡模块l i 一_ _ _ 通 【 数据采集模块2 i 1 _ 信p c 机 接软件 口 【数据采囊模块n i _ 图2 1 远程测温系统的基本结构 如图2 1 所示，系统主要由三部分组成，下位机负责数据采集和发送，通信接口负责数 据传输，上位机负责数据接收和处理。 下位机的负责数据采集和发送，主要由传感器、多路模拟开关、调理电路、m d 转换器、 单片机、存储模块和通信模块构成。传感器监测到温度值后，通过多路模拟开关，在调理电 路将温度信号放大，然后a d 转换器将采集到的模拟温度值转变为数字值，最后放入存储模 块存储或放入通信模块进行发送。这些过程都是由单片机进行控制的。 通信接口负责数据的传输，可以在有线传输和无线传输间进行选择。传输模块采用 t d x 2 3 0 ，这是一款半双工通讯的集收发于一体的无线通信模块，接口简单，有各种接口可供 选择，本系统下位机采用r s 一4 8 5 接口，上位机采用r s 一2 3 2 接口。 上位机负责数据的接收和处理。上位机接收到下位机传来的数据后，先对数据进行数据 转换，然后放入数据库。利用管理软件，可以对数据进行各种处理。 下面就系统的几个重要组成部分进行方案选择： 2 2 1 温度传感器的种类及选择 温度传感器有很多种，通常有电阻式、热电偶式、p n 结型、辐射型、辐射型、光纤式 及石英谐振型。它们都是采用温度变化引起其物理参数( 如电阻值，热电势等) 变化的原理。 随着大规模集成电路工艺的提高，出现了多种集成的数字化温度传感器。下面分别予以介绍： l 、电阻温度传感器 6 东南大学硕士学位论文 这种传感器以电阻 乍为温度敏感元件，利用一些材料的电阻随温度变化的性质，通过测 昔敏感材料的电阻来确定被测的温度。根据敏感材料不同又可分成热电阻式和热敏电阻式， 热电阻式一般用金属材料制成，如铂、铜、镍等。热敏电阻是以半导体材料制成的陶瓷器件， 如锰、镍、钴等金属的氧化物与其它化台物按不同配比烧结而成。 热电阻式温度传感器，以铂电阻为例，它的测量范围宽，精度高，制作误差小，结构简 单而且已有统的国际标准。但是铂电阻温度传感器成本较高，抗机械震动能力差，电阻变 化小，引线电阻影响大，为了保证精确度需要用四线测量技术，因此需要更多的接线和数据 采集通道。 热敏电阻式温度传感器具有体积小、灵敏度高、反应速度快、分辨率高等优点。热敏电 阻的缺点是线形度低、温度性差。 2 、热电偶式温度传感器 热电偶涮温是基于“热电动势效应”。所谓热电动势效应是指a 、b 两种不同的导体组 成闭合回路，若两结点温度不同则在回路中产生电动势，形成热电流。适合制作热电偶的材 料很多，如钨铼丝热电偶，可测温度高达2 4 5 0 c ：而铜一铜锡热电偶可测量一2 7 1 一2 4 3 的低温，镍铬铁金热电偶在- - 2 6 9 0 c 问具有很高的灵敏度。 热电偶式温度传感器具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。 缺点是灵敏度低，线形不好，冷端需要温度补偿。 3 、p n 结型温度传感器 半导体p n 结测温是近几年来发展起来的一种新型测温手段。p n 结的反向电流随温度 呈指数规律变化，而当正向电流不变时，其正向压降随温度近似线形变化。现代的p n 结温 度传感器都是利用正向压降进行测温。p n 结型温度传感器具有体积小、重量轻、精度高、 响应时间快、价格低等特点，测温范围在一5 0 1 5 0 ，也正好是最常见的温度范围。它 的缺点是一致性差、不易做到互换、稳定性难以保证。 4 、辐射式温度传感器 自然界的所有物体对辐射都具有吸收和反射的能力。辐射式温度传感器就是利用物体 的热辐射特性制成的。被测物体的辐射能被热敏元件( 如热电偶、热敏电阻等) 吸收时可使 其物理参数( 如输出电势、电阻值等) 发生变化，利用现代测量手段检测出这种变化就可以 得到被测温度。根据敏感原理不同，辐射式温度传感器可分为全辐射式、红外辐射式、光电 比色式和光电亮度式等，并能实现非接触测量，可测温度高达3 0 0 0 以上。全辐射式传感 器中敏感元件接受被测物体的全部辐射能而使参数发生变化；红外辐射式传感器中敏感元件 只接受被测物体辐射能中部分波长的能量；比色式传感器是基于物体温度不同其辐射能的光 谱分布不同；而亮度测量法是通过测量物体在一定波长下单色辐射亮度来确定温度，被测温 度的微小变化就会引起单色亮度很大变化。如辐射温度由1 2 0 0 k 上升到1 5 0 0 k 时，总辐射能 仅增加2 5 倍，而波欧为0 6 6 0 u m 的红光单色亮度可增加l o 倍以上。此方法是辐射测温中 虽精确的一种。 一墨= 童至笙塑壁堡变垂望盐 5 、光纤温度传感器 随着测量技术的不断发展，出现了适用于高温、强磁场干扰等恶劣环境的光纤温度传感 器。它是将光源的光经光纤送入调制区，在调制区内被测参数( 温度) 与进入调试区的光相 互作用使光的光学性质( 如强度、波长、频率等) 发生变化而成为被调制的信号光，再经光 纤送入光监测器及解调器而获得被测参数，此种方法也适用于其它参数的测量。 根据传感原理不同，光纤温度传感器可分成功能型和传输型。功能型传感器中光纤既是 传光的介质又是温度敏感元件，因此结构巧妙，简洁，但既满足传输要求又满足敏感要求的 光纤制作难度大，所以一般只在有特殊要求的场合使用：传输型传感器中光纤只起传光的作 用，对温度的敏感作用由其它元件来实现，因此结构较前者复杂，但可通过分别选择性能优 秀的光纤和敏感元件而达到较高的性能。现在使用和研制的光纤传感器以传输型居多，温度 敏感元件可以是热电阻、热敏电阻、熟电偶等。 6 、石英谐振型温度传感器 目前广泛采用的电阻式、半导体式、热电偶式温度传感器有时难以满足分辨率及精度的 要求。近来出现的石英谐振型温度传感器是将用水热和法生长的人造石英晶体按一定角度切 割而获得的性能优良的传感器。石英晶体本身有其固有的振动频率，当强迫振动频率与它的 周有振动频率相同时，就会产生谐振。石英晶体作为振荡器或滤波器时，要求它有较高的温 度稳定性：而当石英晶体用作温度测量时，则要求它有大的频率温度系数。通过选择不同的 切割方向( 切型) ，就可以改变石英晶体的频率温度系统。石英晶体的谐振曲线非常尖锐而 且稳定性，并可将温度转化成频率以数字量的形式输出，因此可达到很高的分辨率和精度， 采用合适的晶体切型还可使其只对温度而不对其他参数敏感。 7 、数字式传感器 温度检测的传统方法是使用模拟传感器，那么一个温度量要经过感温元件、测量电路、 放大电路、数模转换电路之后才能得到相应的数字量。这样设计者需考虑的线路环节较多， 相应测温装置中元器件数量降不下来，随之影响产品的可靠性和体积微缩化。而且模拟信号 在长距离传输过程中，如何抗电磁干扰是一个难以解决的问题。对于多点温度检测的场合， 各被测点到测试装置之间引线距离往往不同，还有各敏感元件参数的不一致性都是造成误差 的原因。把被测温度这非电模拟量转换成数字信号，将其处理过程的多个环节集成在单片 i c 器件内部，是解决传统温度检测方法弊病的理想途径。 与模拟传感器相比，由于采取高集成度设计，使数字式传感器在可靠性、抗干扰能力以 及器件微小化方面都有明显的优点。但受半导体器件本身限制，数字式传感器还存在一些不 够理想的地方。比如实际应用时需加修正值，测温范围不宽，一般为- - 5 0 + 1 5 0 。虽 然存在一些不足，但是充分利用微处理技术发展数字化、集成化和自动化的温度传感器仍是 温度传感器的发展方向之一。 考虑到本系统的实际情况，由于测温点众多，对温度测量的精度要求并不是很高，加上 成本的要求，本系统选择了p n 结温度传感器。 东南大学硕士学位论文 2 2 2 a d 转换器的种类及选择 目前市场上有很多电路结构和性能指标的a d 产晶出售。按转换器工作原理分有直接型 和间接裂两种。 1 、并行模数转换器是一种直接模数转换器，亦称快速模数转换器( f l a s h a d c ) 。并行 模数转换器的优点是转换速度快，缺点是电路规模庞大。 2 、逐次渐进型模数转换器也是一种直接型模数转换器。与并行模数转换器不同，串行 模数转换器的量化和编码受时钟脉冲控制。片位逐次渐进型模数转换器需要“+ 2 个时钟周 期才能输出二进制代码。尽管转换速度不如并行模数转换器，逐次渐进型模数转换器是串行 模数转换器中转换速度最快的一种。 3 、电压频率变换型模数转换器是一种间接型模数转换器。这种模数转换器中有一个 压控振荡器和一个计数器。电压频率变换型模数转换器常用于一般的工业测量场合。 4 、双积分型模数转换器是一种间接型模数转换器，属于电压一时间变换型。双积分型 模数转换器包含积分器、比较器、计数嚣、时钟脉冲发生器和一些控制逻辑。双积分型模数 转换器输出的数字量仅与基准电压p i 盯和输入电压”，有关，只要基准电压有较高的精度， 转换结果就有较高的精度。因此，我们完全可以用精度比较低的元器件制成精度较高的模数 转换器。双积分型模数转换器的另一个优点是抗干扰能力比较强。缺点是转换速度低，一般 用于对信号变化缓慢且噪声较强的工业控制场合。 由于本系统测量的温度信号是慢速变化的信号，所以在选用a i d 转换器时，考虑到抗干 扰性的问题，我们选择了双积分型的a d 。 2 2 3 单片机的选择 目前，单片机已有上百个系列，其功能之强大、品种之繁多足以令人“拍案惊奇”。通 用型单片机按位数分有4 位机，8 位机，1 6 位机和3 2 位机等等。按厂家分种类就更多，我国 目前最常用的单片机有如下几家： i n t e l 一一( m c s 5 1 系列，m c s 9 6 系列) a t m e l 一一( a t 8 9 系列，m c s 5 1 内核) m i c r o c h i p 一( p i c 系列) m o t o r o l a 一一( 6 8 h c x x 系列) z i l o g 一一一( z 8 6 系列) p h i l i p s - 一一( 8 7 ，8 0 系列，m c s 5 1 内核) s i e m e n s 一一( s a b s 0 系列，m c s 5 1 内核) n e c 一( 7 8 系列) e p s o n 一一( 系列) 考虑到快速开发以及本系统的应剧要求，最后采用了最通用的8 0 3 1 系列单片机。 9 第二章系统的总体方案设计 从图2 2 所示的8 0 3 1 单片机的原理结构图可见，8 0 3 1 单片机内除有c p u 、存储器和输 入输出端口外，还包含定时器计数器、中断控制和时针振荡电路等。 图2 28 0 3 1 单片机结构原理图 2 2 4 通信方式的选择 由于建筑施工现场的情况复杂，同时要监测的参数和点位众多，采用有线传输技术时， 其传输线复杂，众多，而旋工现场工程机械和旋工人员来往频繁，因而给测量系统增加了许 多不可靠因素。因此，本系统设计了无线传输技术，克服上述的不利因素，使系统的结构更 为简洁、清晰，给系统的使用和维护人员带来方便。另外，增加系统的适用范围，还设计了 采用r s - - 4 8 5 方式进行有线传输的端口，使系统可以在无线传输和r s - - 4 8 5 传输方式间进行 切换。 2 2 5 管理系统软件工具的选择 软件工具是软件开发环境的重要组成部分，是计算机系统的一些使用程序，用了帮助开 发、维护其他程序及文档资料实现自动化，提高软件的生产效率，降低软件成本。 分布式温度监测及管理系统采用面向对象的可视化软件开发工具d e l p h i ，它具有可视 化集成开发环境，简化了程序开发的过程。 2 3 本章小结 本章主要讨论了系统的设计要求及原则，对系统的主要功能进行了分析，并且对系统的 一些主要构成部分进行了方案的选择。 1 0 一至塑查兰堡圭兰垡兰苎 第三章分布式测温系统的下位机设计 3 1 系统基本工作原理 数据采集系统的基本结构如下图所示： 图3 1 数据采集系统的基本结构 对于多通道数据采集系统本身的设计通常有以下几种分类：1 ，多路分时采集单端输入 系统2 ，多路同步采集分时输入系统3 ，多路同步采集多路转换系统。在本系统的设计方案 中将充分考虑到设计的实用性。由于本系统测试对象温度、应力的变化速度都很慢所以在 系统的设计当中未加采样保持器；另外在本系统的设计当中，每一个模块的测试对象都是同 质的，因此外部信号输入后的调理电路被设计成同一个。这样，本设计方案的数据采集系统 的结构如图3 2 ，属于简化的多路分时单端输入系统。 图3 ，2 本系统的结构 本系统并不是连续工作的，实际的应用要求系统定时的对现场进行数据采集，所以系统 定时控制a d 转换模块、传感器模块的电源供给( 降低功耗，在蓄电池供电时，延长使用时 间) ，同时控制多路模拟转换开关，顺序控制各路温度传感器信号的输入。a d 转换的结果暂 存储于存储器中，下位机主循环查询到有正确的命令接收之后，将数据传输绘上位机作进一 步的数据处理。有线和无线之间的切换通过跳线设置完成。 图33 总体框图 帮三章分布式测温系统的下位机设计 3 1 1 硬件平台组成 硬件平台由下位机( 8 0 5 2 单片机系统) 、上位机的通信模块、上位机( p c 机) 构成，总 体框图如3 3 所示。下位机负责进行数据采集和临时的数据存储，并通过无线收发机( 或者 r s 一4 8 5 网络) 经上位机的通信模块和p c 机进行数据通信。由p c 机完成最终的数据转换、 存贮、分析、和报表显示等功能。在多点位测量时，通过无线收发机模块t d x 2 3 0 ( 或者r s 一4 8 5 网络) ，组成网络化测控系统。上位机通信模块主要负责处理r s 一4 8 5 2 3 2 的电平转换，整个 硬件电路结构比较简单，下面着重就下位机的一些主要的硬件模块进行介绍。 硬件系统主要的硬件构成如下： 单片机- - a t 8 9 c 5 2 ( 内带8 ke 2 p r o m ) 传感器一温度传感器t m p 3 6 多路数据切换- - a d f 5 0 6 a x 4 ( 6 4 路数据切换) 调理模块一o p 0 7 ( 滤波、放大) a d 转换一i c l 7 1 0 9 ( 双积分a d ) 存储模块- - a t 2 8 c 2 5 6 ( e e p r o m ) 串行通信- - 1 肌t x 4 8 5 或t d x 2 3 0 ( 4 8 5 或无线发送模块，可跳线选择) 3 1 1 1 控制处理模块设计 考虑到快速开发以及本系统的应用要求，最后采用了最通用的8 0 3 1 系列单片机。为了 使硬件结构简单，本系统去掉了外接程序存储器模块，而改用含有8 ke 2 p r o m 程序存储器的 a t m e l 公司的8 9 c 5 2 芯片。 8 9 c 5 2 芯片含有非易失f l a s h ，并行可编程的程序存储器，所有器件都是通过引导装载 器串行编程( i s p ) 。 8 9 c 5 2 芯片的主要特点有： 8 0 c 5 1 中心处理单元 + 片内f l a s h 程序存储器 速度可达3 3 mh z 全静态操作 r a m 可扩张到6 4 k 字节 + 4 级中断 s6 个中断源 + 4 个8 位i o 口 全般工增强型d a r t 帧数据错误检测 自动地址识别 + 电源控制模式 2 东南大学硕士学位论文 ；可编程时钟输出 3 。1 1 。2 硬件时钟模块设计 由于系统要对采集到的温度信号进行时间上的记录，在系统的设计中加入了时钟处理芯 片，在这一部分的设计中我们使用了d s l 3 0 2 。d s l 3 0 2 实时时钟，可对秒、分、时、日、周、 月以及带闰年补偿的年进行计数，时间有效期至2 1 0 0 年，具有3 i 8 b i tr a m ，可供保存系 统信息，在本系统中用来保存系统的状态信息。其引脚说明如表格3 1 所示。 表3 1 引脚说明 x 1 ，x 23 2 7 6 8 k 晶振输入引脚 g n d地 r e s e t复位信号 i o数据输入输出引脚 s c l k串行时钟信号 v c c l v c c 2电源引脚 d s l 3 0 2 结构框图如图3 4 所示，内含电源管理模块，串行输入输出模块，实时实时时钟 模块，存储器模块，晶振和分频器模块等。其中电源管理模块有两个电源输入引脚，两个电 源输入引脚的设计用于保证在主电源丢失韵情况下，还可以用备用电池进行供电，使时钟继 续保持运转，而在主电源有电时，备用电源将失效，以节约备用电源。 图3 4i ) s 1 3 0 2 结构模块 另外还可通过软件设置对备用电源进行涓流充电，该部分结构框图如图3 5 所示。其最 大充电电流i m a x = ( 5 v - v d ) r i = ( 5 0 7 ) 2 k = 2 2 m a 。其内部r a m 存储器读写控制字如圈3 6 ， 3 翌三兰坌塑壅塑塑墨竺塑! 垡垫堡盐 系统的系统设置信息写在这一部分当中。其内部时钟寄存器读写控制字如图3 7 ，其读写时 序如幽3 8 ，图3 9 ： b i t7町e“i5甜1 4 e i i t ，耳t 2b i t l瑚t n 图3 5 充电器结构框图( 电源管理模块) b r a m 一。口 丑丑互硇 一”田习 丑丑圃 测团 丑工正团 一一口 工皿 图3 6d s l 3 0 2 内部r i i 存储器读写控制字 一一查堕查兰婴主堂堡堕奎 ：苫：黑鬻“”“s s 一 正工丑 二囝 e 正工丑习二圆 m t e 互工j 习e e 工二圆 n te 互工工丑丑二圈 ，t e 五工丑 二e 匿盈 n w e 豆工丑 二 回 一e 工丑习 工墒 臣正工丑习= e 工囝 。蕊臻臣五工丑 叵狂工二厦囤 渊e 五卫二e 工1 卫豳 ，叵 三三 二二三二 j 互 二j j 黼匮工正墨田二二三二 憨；e 正工亟丑二玉习 。t ，e 正工豇二三三 r e 正五工丑 二三三 。 j 巫三二 二互二 匝五工丑二臣工 医e 王丑囝三叵圈 图3 7d s l 3 0 2 内部时钟寄存器读写控制字 图3 8d s l 3 0 2 读时序 图3 9d s l 3 0 2 写时序 星兰里坌翌塞! ! 塑墨堑塑! 些垫堡生 以卜i 是几个主要的读写子程序： * d s l 3 0 2 命令字定义 # d e f i n es e c _ ro x 8 1 秒针读 t d e f i n es e cwo x 8 0 胁秒针写 f # d e f i n em i n r0 x 8 3 $ 分针读$ # d e f i n em i n _ w0 x 8 2 拇食钛马 s t d e f i n eh o r r0 x 8 5 丰时针读 s t d e f i n et t o r _ w0 x 8 4 时针写 # d e f i n ed a tr0 x 8 7 件日期读 # d e f i n ed a tw0 x 8 6 木日期写 t d e f i n em e n r0 x 8 9 丰月份读 t t d e f i n em o n _ w0 x 8 8 * d 份写$ # d e f i n ey e rro x 8 d 年份读 # d e f i n ey e r _ wo x 8 c 年份写 # d e f i n ec t r _ ro x 8 f 控制读 # d e f i n ec t r _ wo x 8 ea 控制写 t s d e f i n er a m _ ro x c la 字节读 # d e f i n er a m _ wo x c o 字节写 聿以两字节为一单位增加地址，最后一个位用来控制数据的读写 u n s i g n e dc h a rb d a t ai d a t a u n s i g n e dc h a ri ，i 2 ； s b i ti _ d a o = i d a t a 6 0 ： s b i ti _ d a 7 = i d a t a 7 ； s b i tr s t = p 3 6 4 ： s b i t $ d a = p 1 4 ： s b i tc l k = p 1 3 ： v o i dd l y ( ) a 向d s l 3 0 2 发送命令函数 v o i di _ c o m m a n d ( u n sj g n e dc h a rt e m p ) f 6 序从d s l 3 0 2 读取一个字节数据 u n s i g n e dc h a rl i n ( ) c l k = 1 ： d l y ( ) ： id a t a = o x 0 0 ： s d a = i ： f o r ( i = o ：i ) 1 ：) c l k = o ： i d a 7 = s d a ： c l k = 1 ： d l y 0 ： r s t = o ： y e t u r n ( 1 一d a t a ) ： 查堕查兰堡主兰焦丝奎 u n s i g n e dc h a ri ： i d a t a = t e m p ： c l k = o ： d l y ( ) ： d l y 0 ： r s t = i ： d l y 0 ； s d a 2 i _ d a o ： f o r ( i = o ：i ( 7 ：i + + ) c l k - 1 ： d l y 0 ： c l k = o ： id a t a = id a t a ) l s d a = i _ d a o ： d l y 0 ：) 幸向d s l 3 0 2 写一个数据 i _ o u t ( u n s i g n e dc h a rt e m p ) c l k = i ： d l y ( ) ： i d a t a = t e m p ： f o r ( i = o ：i l ： ) r s t = o ： ) 1 7 丰从某个地址对一个字节数据 u n s i g n e dc h a rir e a d ( u n s i g n e dc h a rt e m p l ) f i c o m m a n d ( t e m p l ) ： y e t u r n ( i i n 0 ) ： ) 向某个地址写个数据 i _ w r i t e ( u n s i g n e dc h a rt e m p i ， u n s i g n e dc h a rt e m p 2 ) i c o m m a n d ( t e m p i ) ： i _ o u t ( t e m p 2 ) ： ) 苎兰兰坌塑垫! ! 塑至竺竺! 垡垫堡生 读写时闭，日期通过i j r i t e 和ir e a d 函数来完成( 加入特定的读写控制字即可) 。 它是一种三线制接口的时钟芯片，其接口简单，与单片机的电路连接如图3 1 0 所示。 d s l 3 0 2 图3 i 0 时钟与单片机连接电路 3 1 1 3 传感器 为了使系统的设计的简单化，且考虑到本系统对温度测量的精度要求并不是很高。所以 在考虑了热电偶，热电阻，半导体p n 结温度传感器之后，最后选择了蹦结温度传感器。 p n 结温度传感器又分两种，有一种是直接输出数字信号的，典型的如b s l 8 2 0 ( iw i r e 总线) ，还有一种就是模拟信号输出的，如t m p 3 6 ，考虑到成本闻题，最后本系统选择了t m p 3 6 。 t m p 3 6 是a d 公司生产的一款芯片，它可以在2 7 v “5 5 v 这个宽电压范围内正常工作， 其静态工作电流为5 0pa ，在关断模式下甚至只有0 5ua ，其极低的工作电流非常适合本系 统，因为本系统要在断点情况下长时间的工作。该传感器可测量从一4 0 1 2 5 c 这个范围内 的温度，其在2 5 c 时的输出电压为7 5 0 m v ，且其每摄氏度的电压输出变化为l o m v ，因此在 其测量范围之内在调理电路当中可以不用加偏置电路。其内部结构框图如图3 1 1 所示 + v 。 3 r 图3 1 1t l i p 3 6 内部结构框图 查塑奎兰堡主兰垡堡苎 其温度和输出电压变化曲线如图3 1 2 所示： a t m p 3 5 ， b t m f ， 矗t m p a 7 、。o v g = 3 v j 一 ， 一 、b 争， 学( 。r ， 、a ，一 ， 一 ， - 一一 厶 ， ， ， 图3 1 2 温度和输出电压变化曲线图 其精度和温度变化曲线如图3 1 3 所示：其中b 位t l l p 3 6 5 4 2 1 o i 一2 3 一d 卜 j i 。l 0 l 拳军譬螽彀翌麓熬粕露镩窘锗 a _ i m i 札j 埘l 嘲l r t ，口q ：