【文章內(nèi)容簡介】 ，這對(duì)系統(tǒng)總的布局不利。但由于船舶上的空間有限，一般情況下，上位機(jī)與下 位機(jī)的距離都在 15 米以內(nèi)，所以就不再對(duì)通訊模塊加裝長距離接受器 (中繼器 )或者進(jìn)行 RS232 轉(zhuǎn) RS485 處理，以降低系統(tǒng)的整體投資。 3． 單片機(jī)測(cè)控平臺(tái) (下位機(jī) ): 單片機(jī)測(cè)控平臺(tái) (下位機(jī) )是整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的重要組成部分，是聯(lián)系溫度信號(hào)采集和計(jì)算機(jī)管理控制中心的樞紐。一方面，它要獲取溫度傳感器組的測(cè)量數(shù)據(jù)，并且與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，同時(shí)輸出控制信號(hào)到執(zhí)行機(jī)構(gòu) 。另一方面，它要將溫度測(cè)量數(shù)據(jù)和設(shè)定數(shù)據(jù)上傳到 計(jì)算機(jī)管理控制中心 (連接打印機(jī) )。本測(cè)控設(shè)備提供了 3 位 LED 數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度數(shù)值和測(cè)量溫度數(shù)值，其顯示的數(shù)值范圍是 000 一 999，代表溫度范圍是 ℃ 。數(shù)字小鍵盤可以使用戶輸入溫反設(shè)定值，其范圍是 000 一 999，代表的溫度范圍同樣是 ℃ ； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了硬件看門狗電路，具有掉電數(shù)拒保護(hù)功能和系統(tǒng)故障復(fù)位功能，如果系統(tǒng)突然失去電力，測(cè)量數(shù)值可以保存在看門狗電路的 EEPROM 中，在系統(tǒng)重新工作時(shí)，可以重新從看門狗的存儲(chǔ)單元里讀取數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的安全，同時(shí)，如果系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)或者程序跑飛而進(jìn)入某個(gè)死 循環(huán)，由該看狗電路向 CPU(控制器 )發(fā)出復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)重新開始運(yùn)行從而保證了系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行。 系統(tǒng)控制流程是，單片機(jī)將溫度傳感器測(cè)量到的信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)制電路和 A/D轉(zhuǎn)換得到實(shí)際測(cè)量溫度，與預(yù)先設(shè)定溫度數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)量溫度比設(shè)定溫度高時(shí)，單片機(jī)斷續(xù)輸出控制信號(hào)，經(jīng)過光電隔離和驅(qū)動(dòng)放大后，輸出給增大輸出繼電器，繼電器控制三相伺服交流電動(dòng)機(jī)斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，使得連接在電機(jī)上的三通調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)動(dòng)，減少不經(jīng)冷卻器的旁通水量，增加經(jīng)冷卻器的淡水量 。若是測(cè)量溫度比設(shè)定溫度低時(shí)，單片機(jī)斷續(xù)輸出控制信號(hào)，經(jīng)過光電隔離和驅(qū)動(dòng)放大 后，輸出給減小輸出繼電器，繼電器控制三相伺服交流電動(dòng)機(jī)斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，使得連接在電機(jī)上的三通調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)動(dòng)，增加不經(jīng)冷卻器的旁通水量，減少經(jīng)冷卻器的淡水量。經(jīng)過此自 動(dòng)控制過程，使柴油機(jī)冷卻水溫度穩(wěn)定在設(shè)定數(shù)值，或是設(shè)定數(shù)值周圍，從而達(dá)到自動(dòng)控制溫度的目的。 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 : 在 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，我們采用了具有良好性能的感溫元件，鉑熱電阻 Pt100，用來測(cè)量冷卻水的溫度。同時(shí)，為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，我們采用了多點(diǎn)測(cè)量的方法，即在高溫回 路中高溫冷卻淡水的進(jìn)口和出口、低溫回路中低溫冷卻淡水的進(jìn)口和出 口 都安裝了溫度 傳感器，分別測(cè) 量這幾 點(diǎn)的溫度，然后單片機(jī)控制多路開關(guān)，分別采集這幾點(diǎn)的溫度數(shù)值。在某一時(shí)刻，單片機(jī)采集的是某個(gè)點(diǎn)的溫度實(shí)際數(shù)值，然后與該點(diǎn)的設(shè)定數(shù)值相比較，再輸出控制信號(hào)，因此，并不會(huì)增加單片機(jī)的運(yùn)算負(fù)荷，使得單片機(jī)完全有能力承擔(dān)控制中心的任務(wù)。 由于采用了這種多點(diǎn)測(cè)量的方法，克服了在以往溫度控制中，只能單一的測(cè)量冷卻水進(jìn)口或者出口的實(shí)際溫度，出現(xiàn)偏差的現(xiàn)象，這也證明了本課題設(shè)置的科學(xué)性和合理性。 5． 執(zhí)行機(jī)構(gòu) : 本控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是指進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的機(jī)械裝置，即控制繼電器、三相伺服交流電動(dòng)機(jī)和三通調(diào)節(jié)閥。由于水是一種大 慣性的傳熱介質(zhì)，當(dāng)控制系統(tǒng)對(duì)水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，由于冷卻水的熱容量大，溫度響應(yīng)速度很慢，水溫并不是立即調(diào)整到指定數(shù)值，而是一個(gè)緩 慢 、漸進(jìn)的變化過程，因此，就需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行斷續(xù)地控制，以一定量的延遲時(shí)間來確定水溫的變化。利用繼電器接受單片機(jī)發(fā)出的間斷的控制指令，控制三相伺服交流電動(dòng)機(jī)斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥的轉(zhuǎn)動(dòng)，改變?nèi)ㄕ{(diào)節(jié)閥的開度，進(jìn)而改變冷卻水的溫度。通過單片機(jī)控制指令的改變，來改變選擇增大輸出繼電器和減小輸出繼電器，進(jìn)而改變?nèi)嗨欧涣麟妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，來控制三通調(diào)節(jié)閥的開度，最終起到了溫度自動(dòng)控制的作 用。 6． 控制軟件 : 系統(tǒng)的控制軟件包括計(jì)算機(jī)管理控制中心的溫度管理和儲(chǔ)存軟件、單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行軟件，以及 RS232 通訊軟件等。計(jì)算機(jī)管理控制中心的溫度管理和儲(chǔ)存軟件可以使用戶在上位機(jī)上方便地對(duì)測(cè)量溫度數(shù)值和設(shè)定溫度數(shù)值進(jìn)行管理、查看、儲(chǔ)存和打印 。單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行軟件是燒錄在單片機(jī)程序存儲(chǔ)器中，控制單片機(jī)運(yùn)行的程序，它包括初始化子程序、中斷子程序、測(cè)量子程序和比較子程序等，是本課題中軟件編寫的最重要部分 。RS232 通訊軟件是使上位機(jī)與下位機(jī)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)交換需要編寫的軟件，符合標(biāo)準(zhǔn) RS232 通訊規(guī)范 。 系統(tǒng)的性能指標(biāo) 系統(tǒng)主要的技術(shù)指標(biāo) :0~℃ : 因?yàn)楸豢貐?shù)是水，其工作狀態(tài)始終是液態(tài)，所以其工作溫度就是在0~℃ 之間，三位 LED 數(shù)碼管顯示，其顯示數(shù)值范圍是 000999，代表溫度范圍是 ℃ 。同時(shí)，根據(jù)多年總結(jié)的控制經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)船舶柴油機(jī)處于最佳工作狀態(tài)時(shí)，高溫淡水溫度應(yīng)該穩(wěn)定工作在 78℃ 左右，低溫淡水溫度應(yīng)該穩(wěn)定工作在54℃左右。 2． 多點(diǎn)測(cè)量 : 分別在高溫回路中高溫冷卻淡水的進(jìn)口和出口、低溫回路中低溫冷卻淡水的進(jìn) 口 和出 口 安裝了溫度傳感器，用戶可以 對(duì)任念一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度進(jìn)行監(jiān)控和設(shè)置，方便調(diào)節(jié)。 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 3． 設(shè)定溫度 : 用戶可以自行設(shè)定任何一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度數(shù)值，數(shù)字小鍵盤輸入、三位 LED數(shù)碼管顯示，其顯示數(shù)值范圍是 000 一 999，代表溫度范圍是 0 一 ℃。 ： 利用硬件看門狗 (watchdog)電路，具有掉電數(shù)據(jù)保護(hù)功能和系統(tǒng)故障復(fù)位功能。當(dāng)系統(tǒng)突然失電時(shí)，可以利用硬件看門狗中的 EEPROM 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器，將控制系統(tǒng)中的正在運(yùn)算的數(shù)值和結(jié)果保存起來，當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)供電后，單片機(jī)再從看門狗中讀出這些數(shù)據(jù)，從而保證了系統(tǒng)中臨時(shí)數(shù)據(jù)的安全 。同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障死機(jī)或者程序跑飛進(jìn)入某個(gè)死循環(huán)后，可以利用看門狗電路向單片機(jī)發(fā)出復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)重新開始運(yùn)行。 : 當(dāng)溫度測(cè)量數(shù)值偏離設(shè)定數(shù)值士 5℃時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，以提醒輪機(jī)管理人員注意，及時(shí)查明故障原因和解決問題。 : 利用尺 5232 串行通訊模塊，可以打展系統(tǒng)的功能。例如，可以將單片機(jī)測(cè)控平臺(tái)接入計(jì)算機(jī)管理控制中心，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大處理能力，以達(dá)到數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)和打 印等目的。 系統(tǒng)的性能特點(diǎn) : 隨著單片微處理器性能的增強(qiáng)，價(jià)格卻始終不斷降低， 使得單片機(jī)的性能價(jià)格比很高。本系統(tǒng)由于選用了單片機(jī)作為控制核心，使得系統(tǒng)整體的成本控制在有限的范圍內(nèi)。同時(shí)，外圍控制電路都選用了目前市場(chǎng)上常見的一些元器件，比如溫度傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換元件、看門狗器件以及 LED 數(shù)碼管等，其成本均不高，進(jìn)一步降低了整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)，使得本控制系統(tǒng)具有良好的性價(jià)比。 : 眾所周知，船舶機(jī)艙的工作環(huán)境極其惡劣，比如高溫、高濕度、海水腐蝕和振動(dòng)等不良因素，因此，控制系統(tǒng)是否安全可靠，就需要我們進(jìn)行重點(diǎn)研究。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中著重對(duì)系統(tǒng)的可靠性做了充分的探討，對(duì)可能影響系統(tǒng) 可靠性的因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析，同時(shí)采取了相應(yīng)的解決措施，使得整個(gè)系統(tǒng)的可靠性提高，運(yùn)行安全、可靠。 3． 控制精度高 : 由于采用了高精度的溫度傳感器和性能良好的信號(hào)調(diào)制電路，使得溫度控制的精度進(jìn)一步提高，運(yùn)用 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換單元，使得系統(tǒng)控制精度達(dá)到 ℃，足以滿足用戶對(duì)溫度控制的要求。 4． 可控點(diǎn)多，擴(kuò)展性能好 : 本系統(tǒng)采用了多點(diǎn)測(cè)溫的方法，單片機(jī)可以利用多路開關(guān)來選擇測(cè)控點(diǎn)，從而使用戶可以分別對(duì)中央冷卻系統(tǒng)的不同部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，了解整個(gè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，也方便用戶今后對(duì)本控制系統(tǒng)的擴(kuò)展，利用增加傳感 器的方法來增加測(cè)溫點(diǎn)，因而具有良好的擴(kuò)展性能。 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第 3 章 系統(tǒng)的硬件開發(fā) 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)原理圖 溫度控制系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)原理圖如下圖 所示。 圖 硬件電路結(jié)構(gòu)原來圖和電路圖 本測(cè)控系統(tǒng)采用了 AT89C51 作為微處理器，采用鉑電阻 (pt100)作為溫度傳感器，一與運(yùn)算放大器 (op27)相結(jié)合構(gòu)成精密測(cè)溫電路，采用了 ADC0809 芯片作為精密測(cè)溫電路與單片機(jī)的轉(zhuǎn)換通道。鍵盤矩陣采用 2 行 3 列非編碼方式，顯示部分為 3 位 LED 數(shù)碼管顯示，看門 狗電路采用了較為常見的 X25045 芯片。系統(tǒng)輸出環(huán)節(jié)通過單片機(jī)輸出口傳遞輸出控制信號(hào)，經(jīng)光電藕合 4N25 和模擬開關(guān) CD4052 后去控制繼電器的通斷，進(jìn)而控制三相伺服交流步進(jìn)電機(jī)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)實(shí)際溫度偏高時(shí)，單片機(jī)輸出控制信號(hào)使正轉(zhuǎn)繼電器通電，伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)，改變?nèi)ㄕ{(diào)節(jié)閥的開度，增加流過淡水冷卻器的淡水量，使淡水溫度降低 。當(dāng)實(shí)際溫度偏低時(shí)，單片機(jī)輸出控制信號(hào)使反轉(zhuǎn)繼電器通電，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，改變?nèi)ㄕ{(diào)節(jié)閥的開度，增加旁通冷卻水流量，使淡水溫度升高，最終起到溫度控制的作用。 系統(tǒng)各主要模塊介紹 : 系統(tǒng)的 硬件結(jié)構(gòu)主要由溫度檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)制電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、鍵盤與顯示電路、串行通訊模塊、看門狗電路、報(bào)警電路、驅(qū)動(dòng)電路和輸出控制電路等部分組成。下面，我們分別對(duì)幾個(gè)主要模塊進(jìn)行一下詳細(xì)介紹。 (MCC): 主控單元采用 ATMEL 公司的 AT89C51 控制芯片，是一種高性能、低電壓、溫度傳感器組 放大調(diào)制電路 鍵盤與顯示電路 串行通信 單片機(jī) 多路開關(guān) 看門狗電路 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)電路 報(bào)警電路 A/D 轉(zhuǎn)換 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 低功耗的 8 位 CM05 微型處理器，它具有 40 針腳，與 51 系列單片機(jī)的指令、管腳完全兼容。具有 4K 字節(jié)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，并且是 FLASH 工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，同時(shí)，寫入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn) 行加密，因而可以有效地保存數(shù)據(jù)信啟、。由于本系統(tǒng)主要用于冷卻水溫度的測(cè)控，片內(nèi)具有的 4K 字節(jié)己經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。此外， AT89C51 還具有 128 字節(jié) RAM， 32 條可編程 I/O 口線， 2 個(gè) 16 位 可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器， 6 個(gè)中斷源， 1 個(gè)串行 l/O 日，片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。在控制軟件的支持下， CPU 對(duì)外圍電路進(jìn)行控制、計(jì)算，將溫度檢測(cè)電路輸入的溫度測(cè)量數(shù)值進(jìn)行處理，并掃描、顯示，同時(shí)將計(jì)算得到的控制結(jié)果輸出給控制電路對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作，完成整套控制過程。 AT89C51 的接口電路有 ADC080 827 MAX23 4N2CD4052 和 X25045 等芯片。其中， ADC0809 作為溫度測(cè)量電路的輸入接口， 8279用于鍵盤、 LED 數(shù)碼管 數(shù)碼管 顯示電路的接口 ， MAX232 是單片機(jī)與上位計(jì)算機(jī)的串行通訊接口， 4N25 和 CD4052 控制系統(tǒng)輸出， 包括光電禍合和模擬開關(guān)等元器件， X25045 是硬件看門狗電路。我們將在后面著重介紹這些接口電路。 圖 是 AT89C51 芯片管腳分配示意圖 。 圖 AT89C51 芯片管腳分配示意圖 2．溫度檢測(cè)電路 ： 根據(jù) 溫度測(cè)量電路的結(jié)構(gòu)圖。溫度傳感器采用的是鉑電阻 Pt100，帶有不銹鋼鋼套，具有良好的精度指標(biāo)和穩(wěn)定性，在 0~150℃的范圍內(nèi)，其電阻值與溫度成線性變化，性能優(yōu)良，成本低。 Pt100 鉑熱電阻，當(dāng)其鉑絲溫度 上 升時(shí)，其電阻阻值也隨之增加。其溫度 (0~100℃時(shí) )與阻值的關(guān)系如下表 3l 所示。 溫度 0 25 50 75 100 阻值 100 表 31ptl00 鉑電阻溫度與阻值的關(guān)系 可 見，其關(guān)系不是嚴(yán)格線形的，不過由于溫度系統(tǒng)對(duì)溫度精度要求 不高，可AT89C51 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ADC0809 8279 XE555 X25045 MAX232 4X25 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 CD4052 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 以按照具有線形關(guān)系處理。 3． A/D 轉(zhuǎn)換電路 : A/D 轉(zhuǎn)換電路中采用了比較常用的 ADC0809 芯片。 ADC0809 是一種 8 位逐次逼 近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，它由 8 通道模擬開關(guān)和 A/D 轉(zhuǎn)換兩部分組成，其轉(zhuǎn)換時(shí)間大約為 100vs，轉(zhuǎn)換精度為 ℃。由于 冷卻水是大慣性的傳熱介質(zhì)， ADC0809的此項(xiàng)性能指標(biāo)己經(jīng)滿足了溫度控制的時(shí)間和精度，因此，我們選擇 ADC0809作為模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，使系統(tǒng)成本較低。圖 給出了 ADC0809 與 AT89C51接口圖。在硬件連接時(shí)， IN0~IN7 為 8 路通 道模擬開關(guān)，我們只需 要其中 IN0 路用以轉(zhuǎn)換電路，其他各路直接接地。 溫度傳感器傳來的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換后，變成單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，從而可以對(duì)冷卻水溫度進(jìn)行量化比較。 圖 ADC0809 接口電路示意圖 : 由于 CPU 管腳的數(shù)量有限，因此對(duì)鍵盤和顯示電路的設(shè)計(jì)，我們采用了 8279可編程的鍵盤顯示一專用擴(kuò)展 I/O 接口芯片，它木身能夠提供鍵盤、顯示控制所AT89C51 ALE WR EA P RD 輸入信號(hào) G74LS373 分頻 CLK ADDA REF（ +） ADDB REF（ ） ADDC