桥梁应变监测温度补偿系统设计

【摘 要】为了对桥梁危险截面关键构件应变情况进行实时准确地在线监测，并克服环境温度对光纤光栅应变监测系统的影响，设计开发了基于DS18B20单总线温度传感器的温度补偿系统。仿真结果证实，系统采集迅速，性能可靠。

【关键词】桥梁应变 DS18B20 单总线 温度补偿

【Abstract】In order to monitor the strain of dangerous section key components on the bridge in real time and to overcome the impact on FBG strain monitoring system which caused by ambient temperature， the temperature compensation system based on DS18B20 single-bus temperature sensor has been developed. The simulation results showed that the system collected the data rapidly and worked reliably.

【Key words】Bridge strain DS18B20 1-wire Temperature compensation

光纤光栅应变监测作为大型桥梁健康监测的重要手段，其数据的准确性必须得以保证。本文针对目前桥梁光纤光栅应变监测中光纤光栅温度传感器补偿[1]效果欠佳，成本太高的问题，设计了基于DS18B20的桥梁应变监测温度补偿系统的设计系统[2，3]，具有一定的理论意义和工程实用价值。

一、系统硬件设计

温度补偿系统的数据处理模块主要由单片机及少数外部电路组成的最小系统组成，负责对8个通道上的温度传感器进行数量的自动识别、记录连接在单总线上的所有温度传感器ID，并与指定的温度传感器进行数据交换，完成温度数据读取，转换和上传。数据处理模块如图1所示。包括系统上电指示灯，系统复位电路和晶体振荡电路。

由于温度补偿系统具有和上位机进行通讯的功能，因此采用11.0592MHz高精度晶振实现标准通讯波特率。P0口作为数据总线接口，用于同LCD液晶模块进行数据交换；P2口作为控制口，控制LCD液晶模块进行显示；P1口作为温度传感器通道，每个通道可悬挂若干个DS18B20；P3口的RXD和TXD引脚作为串行通讯接口。

本设计的温度补偿系统中，将多个DS18B20悬挂在单总线上，采用外部电源供电方式，线缆采用四芯对绞全铜屏蔽通讯线缆，连接方式如图2所示，采用地和数据线对绞、地和电源线对绞的连接方式，这使得数据传输时的抗干扰能力增强，数据传输距离更长。对DS18B20做了测温距离实验，采用四芯对绞全铜非屏蔽通讯电缆，可靠传输距离超过100m。

本项目的通讯距离为240m，通讯波特率为19200baud，使用CAN总线进行通讯。设计中选用PCA82C250[6] CAN总线物理接口芯片，利用CAN总线的物理层，无需增加编程任务[5]，其连接方式见图3所示。

二、系统软件设计

主程序开始后首先进行变量初始化，然后对8个通道进行各一次温度转换命令，但并不进行温度数据读取，转而进行其他操作，使各个通道上的所有DS18B20完成上电复位操作并等待一段时间，防止首次温度转换读出+85℃的错误数据。紧接着，软件自动判断系统中有没有插入1602型LCD液晶屏。若检测到有液晶屏为系统调试模式；检测到没有连接液晶屏则系统进入正常工作模式，进行串口初始化操作，启动数据上传方案。

为保证所有当前通道上所有元件温度转换的同步性，温度转换子程序应先对当前通道上的所有元件进行初始化操作，随后在总线上发送ROM跳过指令0xCC，则总线上所有都会被选中，后边送出温度转换启动命令0x44，则总线上所有元件开始进行温度转换操作，因为DS18B20完成12位精度温度数值转换最多需要750ms，所以在此处设置调用延时子程序，等待温度转换完成，随后退出温度转换子程序。

对总线上所有的元件进行温度转换操作后，就应该逐个对其进行温度数据的读取操作。温度读取子程序应先对温度符号标志进行清零操作，默认温度为正值，随后对当前通道进行初始化操作，初始化完成后要对指定元件进行温度数据读取，应先写ROM匹配命令0x55，所有元件准备接收ROM信息，再送出对应的64位ROM信息，指定的元件进行响应，其余元件断开总线连接，在总线上送出读暂存器命令0xBE，元件将2字节的温度数据准备好，并释放在总线上，STC89C52RC对总线上的温度数据进行接收，数据接收进来后，对温度数据的最高5位进行分析，若全为1，则为负温度值，温度符号标志位置1并退出温度读取子程序；否则直接退出温度读取子程序。

三、结语

环境温度的变化对桥梁光纤光栅应力变监测系统的可靠性产生影响，温度补偿系统可以有效地减小或消除这种影响，从而提高了光纤光栅应变监测系统数据的准确性，为桥梁的安全运营提供了可靠保障。

参考文献：

[1] 赵启林，杨洪，陈浩森. 光纤光栅应变传感器的温度补偿[J]. 东南大学学报（自然科学版），2007，（02）：310-314.

[2] 潘勇，孟庆斌. 基于DS18B20的多点温度测量系统设计[J]. 电子测量技术，2008，（09）：91-93+116.

[3] 陶冶，袁永超，罗平. 基于DS18B20的单片机温度测量系统[J]. 农机化研究，2007，（10）：160-164.

[4] 李钢，赵彦峰. 1-Wire总线数字温度传感器DS18B20原理及应用[J]. 现代电子技术，2005，（21）：86-88.

[5] 王明顺，贺立红. 基于PCA82C250与MCU间的直连通信网络设计[J]. 国外电子元器件，2005，（10）：45

基金项目：

陕西省交通厅科技计划（08-04K）

作者简介：

王超（1973-），男，陕西紫阳人，工程师。