CN102507024A

CN102507024A - 一种路面温度信息记录仪及测量方法

Info

Publication number: CN102507024A
Application number: CN2011103490422A
Authority: CN
Inventors: 袁海文; 杨浩; 秦业; 王秋生; 刘颖异
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-11-07
Also published as: CN102507024B

Abstract

一种路面温度信息记录仪，它由主中央处理器、副中央处理器、八路温度测量端子、时钟芯片、看门狗电路、USB文件读写模块、USB存储盘、电源控制电路及上位软件所组成。它利用微处理器的数据存储、处理能力与一线式数字传感器技术相结合，设计一个通过接入八路温度测量端子，得到一段时间内相应的公路路基垂直方向上多点温度数据的记录仪。它的特点是可以长时间记录高速公路路面下不同深度的温度信息，从而建立高速公路的温度模型。同时，还具有保护掉电保护、故障点自动复位、存储器即插即用等功能。它满足了交通部门在自然环境下对高速公路内部的温度数据的采集的需求，从而可以推测出道路受损状况，具有显著的经济效益和良好的应用前景。

Description

一种路面温度信息记录仪及测量方法

(一)技术领域

本发明涉及一种路面温度信息记录仪。属于交通路面检测领域。

(二)背景技术

随着我国道路交通建设的发展，公路路基老化的问题也随之越发明显。尤其是对于我国西部地区的道路交通建设来说，高原大气温度和地表温度随季节性变化较大，温度不稳定会引起路基老化程度的不稳定，在道路路基内部产生大量的病害。因此，要掌握并预测出这样的病害的发生和发展，建立该路段地表下不同深度的温度模型是至关重要的。

目前的温度采集系统一般由单一的传感器探头和处理器组成，对温度历史数据的保存能力极为有限，无法在荒芜人烟并无法保证通信信号的野外进行长时间的测试。因此，需要应用一种针对于自然环境中温度的记录仪器将一段时间内某一地区的路面下对公路路面下不同深度的温度数据进行记录，进而与实际时间相对应，得出测量区域的温度场模型及其变化趋势。传统的数据记录仪没有专门针对自然环境中路面以下长时间记录温度进行设计，大都存在以下缺点：

1)记录的内容难以检索，难以查找特定时刻的波形；

2)可直接使用的信息量很少；

3)难以对数据做进一步的数据处理。如现在常用的数据建模，时间序列分析等；

4)触发方式基本上是靠人工操作去完成。所以很难完成在长时间中对突发事件的记录；

5)无法在野外恶劣环境中对同一位置不同深度的高速公路路面、路基进行温度测量；

6)记录难以长期保存。

上述缺陷，有待改进。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种路面温度信息记录仪，它利用微处理器的数据存储、处理能力与一线式数字传感器技术相结合，设计一个通过接入八路温度测量端子，分析得到一段时间内相应的公路路基垂直方向上多点温度数据的记录仪，以达到满足交通建设部门对公路病害分析与预防监控的目的。同时，统针对我国处于极端气候中的高速公路进行温度测量，测量温度范围在-55℃到+125℃之间，不同深度的路面提出了多点同时测量的方式，并将全部测量数据保存在通用的U盘中。

2、技术方案：本发明一种路面温度信息记录仪，它是由主中央处理器、副中央处理器、八路温度测量端子、时钟芯片、看门狗电路、USB文件读写模块、USB存储盘、电源控制电路及上位软件所组成。

所述主中央处理器采用SYNCMOS公司的SM89516A单片机。该处理器内置64KB的flash存储空间和1KB的RAM容量，3个16位定时器/计数器，4个8位I/O端口，一个串行I/O端口。

所述副中央处理器采用SYNCMOS公司的SM8952单片机，该处理器内置8KB的flash存储空间和256字节的RAM容量，引脚封装和SM89516一致。副中央处理器与主中央处理器通过串行I/O端口进行数据通信。

所述八路温度测量端子采用一线总线式的数字化温度传感器DS18B20，八路温度测量端子分别经过2～5米长的导线接入主中央处理器的P1.0～P1.7端口，在接线端采用防水胶进行密封，达到防水的目的，从而可以使主中央处理器以总线读取方式读取八路温度测量端子采集得到的温度数据。

所述时钟芯片采用DS12C887型号，该时钟芯片是美国DALLAS公司生产的CMOS实时时钟/日历芯片，具有完备的时钟、闹钟及到2100年的日历功能，可选择12小时制或24小时制计时，有AM和PM、星期、夏令时间操作、闰年自动补偿等功能。断电情况下运行十年以上不丢失数据。可通过编程读取和修改这些时间信息。由于采用了这种硬件形式的时钟芯片，可以不占用主中央处理器的定时器资源，减轻软件设计量。所述时钟芯片的AD0～AD7端口分别与主中央处理器的P00～P07口相连接。

所述看门狗电路选用了一是美信公司的MAX813L。MAX813L的reset引脚和主中央处理器的reset引脚相连。当主中央处理器程序跑飞或者处于死机状态时，看门狗电路将从硬件上对主中央处理器的reset引脚发出一个复位信号进行强制复位，使主中央处理器重新进入正常工作模式。根据看门狗电路的需要，主中央处理器在正常运行状态下，每隔一定的时间(该时间小于1.6s)会给看门狗电路一个脉冲信号，否则在间隔1.6s后，看门狗电路会给出一个复位信号，使得主中央处理器强制复位后重新运行程序。

所述USB文件读写模块采用CH375接口芯片，该CH375接口芯片是一个USB总线的通用接口芯片，本发明中采用该CH375接口芯片的USB-HOST主机的应用方式，采用并行通信方式以8位数据总线及读、写、片选信号线与副中央处理器进行数据交换。然后将数据以USB2.0协议发送至USB存储盘中。USB文件读写模块的AD0～AD7端口分别与副中央处理器的P00～P07口相连接。

主中央处理器与副中央处理器的工作流程图如图2所示。首先对主中央处理器进行初始化，其中包括对数据寄存器清零、初始化串行端口等操作。然后开始分别读取8路温度传感器的温度数据，确保数据读取顺利后下一步对时钟芯片进行读取，同之前采得的温度数据一起成为一个时刻的温度信息记录。接下来触发电源管理电路给副中央处理器、USB文件读写模块、USB存储盘供电。供电后首先对副中央处理器进行初始化，然后副中央处理器通过P0端口访问USB文件读写模块，判断当前在USB文件读写模块中插入的USB存储盘是否插入、是否有足够存储空间，如果不满足条件则反复查询，直到满足条件后将主中央处理器内保持的温度信息数据发送至USB存储盘中。存储结束后关闭电源管理电路，然后由主中央处理器的定时器控制时间要主中央处理器休眠5分钟等待进入下一次采集操作。

所述USB存储盘采用金士顿1GB容量的闪存盘，通过USB文件读写模块的USB接口插入到USB文件读写模块上。

所述电源控制电路由三极管及松下公司生产的DS2E-SL2-12V继电器组成，将主中央处理器的INT0端和INT1端分别通过5.1K的电阻接入两个三极管的基极。然后将三极管发射极接入继电器的SET和RESET端，实现软件触发对继电器触点的控制。通过继电器的通断，主中央处理器直接控制副中央处理器及USB文件读写模块的电源供给。

所述上位机软件在Visual Sudio.NET 2008环境中由Visual C#语言开发，主要完成对USB存储盘中的记录数据实现数据处理，图标生成，数据库录入以及电子报表的自动生成，软件流程如图3所示。用户可以选择查看指定时间段的8个检测点温度信息，也可以选择查看指定时间段的温度变化曲线。

本发明测量方法如下所示：

步骤1：首先将数字式温度传感器DS18B20经防水封装后分别埋入路面下期望的深度，从而保证在野外恶劣环境中系统仍然能够正常工作。在仪器通电后，主CPU首先对8个温度传感器探头进行分别读取，并同时读取时钟模块中的详细时间信息。

步骤2：在得到了当前的温度信息和时间信息之后，通过电源管理电路启动对副中央处理器及USB存储模块的供电。启动后，主中央处理器通过串行端口访问副中央处理器。访问成功后副中央处理器对USB文件读写模块进行检测，判断当前是否插入了USB存储盘，以及USB存储盘中是否有存储空间。

步骤3：USB文件读写模块满足条件后，主中央处理器将采得的温度数据通过串行端口发送至副中央处理器中，副中央处理器通过USB存储模块实现在USB存储盘上的文件创建及数据输出。

步骤4：主中央处理器通过电源管理模块切断副中央处理器及USB存储模块的电路，并自身进入休眠模式，休眠期间每隔30秒访问一次始终芯片校准时间，待下一个记录周期时到来再进行数据采集及记录，从而既保证了系统在采样间隔期间可超低功耗运行，也保证了系统在采样时刻到来时能够自动启动。这样可保证8个数字式传感器所采得的温度可在时间轴上绘制出完全等时间间隔的温度点，进而通过曲线拟合的方法绘制出温度变化曲线。

步骤5：在采集了一段时间以后时，可直接将USB存储盘拔出，插入通用电脑的USB插口中进行数据查询与后期处理。在上位机数据处理时，主要是对USB存储盘上的HEX文件进行数据还原与分析。以每5分钟对8个温度传感器进行一次采样来计算，每小时共96个温度数据，同时包括12个时间数据。其中，每个温度数据占用6个字节，每个时间数据占用5个字节，均已BCD码的形式保存。则每小时记录的信息共占636个字节，理论上，一个1G的U盘即可以存储超过100年的温度数据，所有的数据均存储于HEX文本文件中，每天建立一个新的HEX文件。计算机通过读入这些字节数据进行数据的还原与整理。可根据所测量得到的所有历史数据选择ARMA、支持向量机、神经网络回归方法对历史数据进行建模并未来一段时间内的温度进行预测。

3、优点及效果：

本发明为一种公路温度信息记录仪，它的优点是不受自然界的环境因素干扰，可以采集路面下不同深度的温度信息，并可分析在相关信息在长时间内的变换趋势。所记录信息与真实时间完全相对应，可以查询得到记录数据中任意时间内的对应数据。记录数据的存储空间不受仪器本身的限制，可以即插即用的形式使用任意存储容量的USB存储盘进行数据存储，在数据记录结束之后可以在PC机上通过上位机软件直接还原并分析所记录的数据。具有掉电数据保护掉电保护，故障点自动复位，存储器即插即用，自身能量管理等功能。

本发明的一种公路温度信息记录仪，可以满足交通建设部门对公路路基多点温度记录监控，分析并预测公路病害的特殊要求。目前，该记录仪已经应用于一些西部公路中，运行稳定，已经为有关部门获得了非常有价值的温度数据。具有功能强大、结构轻巧、使用灵活方便、数据处理能力强等优势。

(四)附图说明

图1为路面温度信息记录仪原理示意图

图2为下位机程序流程示意图

图3为上位机软件流程图

图中符号说明如下：

1.主中央处理器；2.副央处理器；3.八路温度测量端子；4.时钟芯片；5.看门狗电路；

6.USB文件读写模块；7.USB存储盘；8.电源控制电路；9.上位机软件

(五)具体实施方式

本发明是一种路面温度信息记录仪，它主要用于公路路面下的温度场测量。如图1所示，本发明主要由以下几个部分组成：主中央处理器1、副央处理器2、温度测量端子3、时钟芯片4、看门狗电路5、USB文件读写模块6、USB存储盘7。电源控制电路8及上位机软件9。

所述主中央处理器采用SYNCMOS公司的SM89516A单片机，所述副中央处理器采用SYNCMOS公司的SM8952单片机。二者之间通过RS232端口进行数据通信。

所述八路温度传感单元采用一线总线式的数字化温度传感器DS18B20，该温度传感单元直接接入主中央处理器的P1.0～P1.7端口，从而可以使主中央处理器以总线读取方式读取8个温度传感器的温度数据。

所述时钟芯片采用DS12C887，该芯片是美国DALLAS公司生产的CMOS实时时钟/日历芯片，具有完备的时钟、闹钟及到2100年的日历功能，可选择12小时制或24小时制计时，有AM和PM、星期、夏令时间操作、闰年自动补偿等功能。断电情况下运行十年以上不丢失数据。通过编程读取和修改这些时标。由于采用了这种硬时钟/日历，可以不占用单片机的定时器资源，减轻软件设计量。

所述看门狗电路选用了一是美信公司的MAX813L。当处理器程序跑飞或者处于死机状态时，看门狗电路将从硬件上对处理器进行强制复位，使处理器重新进入正常工作模式。根据系统需要，处理器在正常运行状态下，每隔一定的时间会给MAX813L一个脉冲信号，否则在间隔1.6s后，MAX813L会给出一个复位信号，使得处理器重新运行程序。

所述USB文件读写模块采用CH375接口芯片，该芯片是一个USB总线的通用接口芯片，本发明中采用该芯片的USB-HOST主机的应用方式，采用并行通信方式以8位数据总线及读、写、片选信号线与中央处理器进行数据交换。然后将数据以USB协议发送至所述USB存储盘中。下位机系统的嵌入式软件流程图如图2所示。

所述电源控制电路由三极管及松下公司生产的DS2E-SL2-12V继电器组成，将主中央处理器的INT0端和INT1端分别通过5.1K的电阻接入两个三极管的基极。然后将三极管发射极接入继电器SET和RESET端，实现软件触发对继电器触点的控制。通过继电器的通断，主中央处理器直接控制副中央处理器及USB转换模块的电源供给。

所述上位机软件在Visual Sudio.NET 2008环境中由Visual C#语言开发，主要完成对USB存储盘中的记录数据实现数据处理，图标生成，数据库录入以及电子报表的自动生成，软件流程如图3所示。

软件利用组件对象模型COM技术，将Visual Sudio.NET开发环境与Microsoft OfficeExcel应用程序相连，控制数据自动写入到Excel表格中显示，并充分利用了Excel软件的专业制表和绘图等强大功能。用户可以选择查看指定采集时刻编号的温度数据，也可以选择查看指定一段时间内的温度变化趋势曲线，使用方便而高效。

利用组件对象模型COM技术，将Visual Sudio.NET开发环境与Microsoft Office Excel应用程序相连，控制数据自动写入到Excel表格中显示，并可充分利用Excel软件的专业制表和绘图等强大功能。

用户可以选择查看指定时间段的8个检测点温度信息，也可以选择查看指定时间段的温度变化曲线。

本发明具体实施方法如下所示：

Claims

1.一种路面温度信息记录仪，其特征在于：它是由主中央处理器、副中央处理器、八路温度测量端子、时钟芯片、看门狗电路、USB文件读写模块、USB存储盘、电源控制电路及上位软件所组成；

所述主中央处理器采用SYNCMOS公司的SM89516A单片机；该主中央处理器内置64KB的flash存储空间和1KB的RAM容量，3个16位定时器或计数器，4个8位I/O端口，一个串行I/O端口；

所述副中央处理器采用SYNCMOS公司的SM8952单片机，该处理器内置8KB的flash存储空间和256字节的RAM容量，引脚封装和SM89516一致；副中央处理器与主中央处理器通过串行I/O端口进行数据通信；

所述八路温度测量端子采用一线总线式的数字式温度传感器DS18B20，八路温度测量端子分别经过2～5米长的导线接入主中央处理器的P1.0～P1.7端口，在接线端采用防水胶进行密封，使主中央处理器以总线读取方式读取八路温度测量端子采集得到的温度数据；

所述时钟芯片采用DS12C887型号，该时钟芯片是美国DALLAS公司生产的CMOS实时时钟/日历芯片，具有完备的时钟、闹钟及到2100年的日历功能，选择12小时制或24小时制计时，有AM和PM、星期、夏令时间操作、闰年自动补偿等功能；断电情况下运行十年以上不丢失数据；通过编程读取和修改这些时间信息；由于采用了该时钟芯片，不占用主中央处理器的定时器资源，减轻软件设计量；所述时钟芯片的AD0～AD7端口分别与主中央处理器的P00～P07口相连接；

所述看门狗电路选用了一是美信公司的MAX813L；MAX813L的reset引脚和主中央处理器的reset引脚相连；当主中央处理器程序跑飞或者处于死机状态时，看门狗电路将从硬件上对主中央处理器的reset引脚发出一个复位信号进行强制复位，使主中央处理器重新进入正常工作模式；根据看门狗电路的需要，主中央处理器在正常运行状态下，每隔一定的时间会给看门狗电路一个脉冲信号，否则在间隔1.6s后，看门狗电路会给出一个复位信号，使得主中央处理器强制复位后重新运行程序；

所述USB文件读写模块采用CH375接口芯片，该CH375接口芯片是一个USB总线的通用接口芯片，CH375接口芯片的USB-HOST主机的应用方式，采用并行通信方式以8位数据总线及读、写和片选信号线与副中央处理器进行数据交换；然后将数据以USB2.0协议发送至USB存储盘中；USB文件读写模块的AD0～AD7端口分别与副中央处理器的P00～P07口相连接；

所述USB存储盘采用金士顿1GB容量的闪存盘，通过USB文件读写模块的USB接口插入到USB文件读写模块上；

所述电源控制电路由三极管及松下公司生产的DS2E-SL2-12V继电器组成，将主中央处理器的INT0端和INT1端分别通过5.1K的电阻接入两个三极管的基极；然后将三极管发射极接入继电器的SET和RESET端，实现软件触发对继电器触点的控制；通过继电器的通断，主中央处理器直接控制副中央处理器及USB文件读写模块的电源供给；

所述上位机软件在Visual Sudio.NET 2008环境中由Visual C#语言开发，主要完成对USB存储盘中的记录数据实现数据处理，图标生成，数据库录入以及电子报表的自动生成，软件流程如图3所示；用户或选择查看指定时间段的8个检测点温度信息，或选择查看指定时间段的温度变化曲线。

2.根据权利要求1所述的一种路面温度信息记录仪的测量方法，其特征在于：

步骤1：首先将数字式温度传感器DS18B20经防水封装后分别埋入路面下期望的深度，从而保证在野外恶劣环境中系统仍然能够正常工作；在该路面温度信息记录仪通电后，该主中央处理器首先对数字式温度传感器进行分别读取，并同时读取时钟芯片中的详细时间信息；

步骤2：在得到当前的温度信息和时间信息之后，通过电源控制电路启动对副中央处理器及USB存储盘供电；启动后，主中央处理器通过串行端口访问副中央处理器；访问成功后副中央处理器对USB文件读写模块进行检测，判断当前是否插入了USB存储盘，以及USB存储盘中是否有存储空间；

步骤3：USB文件读写模块满足步骤2中所述条件后，主中央处理器将采得的温度数据通过串行端口发送至副中央处理器中，副中央处理器通过USB文件读写模块实现在USB存储盘上的文件创建及数据输出；

步骤4：主中央处理器通过电源控制电路切断副中央处理器及USB存储盘的电路，并自身进入休眠模式，休眠期间每隔30秒访问一次该时钟芯片校准时间，待下一个记录周期到来时再进行数据采集及记录，既保证了该路面温度信息记录仪在采样间隔期间超低功耗运行，也保证了该路面温度信息记录仪在采样时刻到来时能够自动启动；以保证数字式温度传感器所采得的温度在时间轴上绘制出完全等时间间隔的温度点，进而通过曲线拟合的方法绘制出温度变化曲线；

步骤5：在采集了一段时间以后时，直接将USB存储盘拔出，插入通用电脑的USB插口中进行数据查询与后期处理；在上位机数据处理时，主要是对USB存储盘上的HEX文件进行数据还原与分析；以每5分钟对数字式温度传感器进行一次采样来计算，每小时共96个温度数据，同时包括12个时间数据；其中，每个温度数据占用6个字节，每个时间数据占用5个字节，均以BCD码的形式保存；则每小时记录的信息共占636个字节，一个1G的U盘即可以存储超过100年的温度数据，所有的数据均存储于HEX文本文件中，每天建立一个新的HEX文件；计算机通过读入这些字节数据进行数据的还原与整理；根据所测量得到的所有历史数据选择ARMA、支持向量机及神经网络回归方法对历史数据进行建模并对未来一段时间内的温度进行预测。