【文章內(nèi)容簡介】 設(shè)計了硬件看門狗電路，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，可以重新從看門狗的存儲單元里讀取數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的安全，同時，如果系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)或者程序跑飛而進(jìn)入某個死循環(huán)，由該看狗電路向 CPU(控制器)發(fā)出復(fù)位信號，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)將溫度傳感器測量到的信號經(jīng)信號調(diào)制電路和A/D 轉(zhuǎn)換得到實(shí)際測量溫度，與預(yù)先設(shè)定溫度數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)測量溫度比設(shè)定溫度高時，單片機(jī)斷續(xù)輸出控制信號，經(jīng)過光電隔離和驅(qū)動放大后，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，減少不經(jīng)冷卻器的旁通水量，增加經(jīng)冷卻器的淡水量。若是測量溫度比設(shè)定溫度低時，單片機(jī)斷續(xù)輸出控制信號，經(jīng)過光電隔離和驅(qū)動放大后，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，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)過此自動控制過程，使柴油機(jī)冷卻水溫度穩(wěn)定在設(shè)定數(shù)值，濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）9或是設(shè)定數(shù)值周圍，從而達(dá)到自動控制溫度的目的。:在系統(tǒng)設(shè)計時，我們采用了具有良好性能的感溫元件，鉑熱電阻 Pt100，用來測量冷卻水的溫度。同時，為了保證測量的準(zhǔn)確性，我們采用了多點(diǎn)測量的方法，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。在某一時刻，單片機(jī)采集的是某個點(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，因此，并不會增加單片機(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)測量的方法，克服了在以往溫度控制中，只能單一的測量冷卻水進(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)對水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)時，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機(jī)斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動三通調(diào)節(jié)閥的轉(zhuǎn)動，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涣麟妱訖C(jī)的轉(zhuǎn)動方向，來控制三通調(diào)節(jié)閥的開度，最終起到了溫度自動控制的作用。6．控制軟件:系統(tǒng)的控制軟件包括計算機(jī)管理控制中心的溫度管理和儲存軟件、單片機(jī)測控系統(tǒng)運(yùn)行軟件，以及 RS232 通訊軟件等。計算機(jī)管理控制中心的溫度管理和儲存軟件可以使用戶在上位機(jī)上方便地對測量溫度數(shù)值和設(shè)定溫度數(shù)值進(jìn)行管理、查看、儲存和打印。單片機(jī)測控系統(tǒng)運(yùn)行軟件是燒錄在單片機(jī)程序存儲器中，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，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，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濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）10的進(jìn)口和出口安裝了溫度傳感器，用戶可以對任念一個測量點(diǎn)的溫度進(jìn)行監(jiān)控和設(shè)置，方便調(diào)節(jié)。3．設(shè)定溫度:用戶可以自行設(shè)定任何一個測量點(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，可以利用硬件看門狗中的 EEPROM 數(shù)據(jù)儲存器，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)中臨時數(shù)據(jù)的安全。同時，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障死機(jī)或者程序跑飛進(jìn)入某個死循環(huán)后，可以利用看門狗電路向單片機(jī)發(fā)出復(fù)位信號，使系統(tǒng)重新開始運(yùn)行。:當(dāng)溫度測量數(shù)值偏離設(shè)定數(shù)值士 5℃時，系統(tǒng)會自動報警，以提醒輪機(jī)管理人員注意，及時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)測控平臺接入計算機(jī)管理控制中心，利用現(xiàn)代計算機(jī)的強(qiáng)大處理能力，以達(dá)到數(shù)據(jù)存儲和打印等目的。 系統(tǒng)的性能特點(diǎn):隨著單片微處理器性能的增強(qiáng)，價格卻始終不斷降低，使得單片機(jī)的性能價格比很高。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，外圍控制電路都選用了目前市場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)一步降低了整個系統(tǒng)的造價，使得本控制系統(tǒng)具有良好的性價比。: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)計中著重對系統(tǒng)的可靠性做了充分的探討，對可能影響系統(tǒng)可靠性的因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析，同時采取了相應(yīng)的解決措施，使得整個系統(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)測溫的方法，單片機(jī)可以利用多路開關(guān)來選擇測控點(diǎn)，從而使用戶可以分別對中央冷卻系統(tǒng)的不同部位進(jìn)行監(jiān)測，了解整個機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。同時，也方便用戶今后對本控制系統(tǒng)的擴(kuò)展，利用增加傳感器的方法來增加測溫點(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（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。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)動電路報警電路A/D 轉(zhuǎn)換圖 硬件電路結(jié)構(gòu)原來圖和電路圖本測控系統(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)成精密測溫電路，采用了 ADC0809 芯片作為精密測溫電路與單片機(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，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，單片機(jī)輸出控制信號使正轉(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，單片機(jī)輸出控制信號使反轉(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)主要由溫度檢測電路、信號調(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、報警電路、驅(qū)動電路和輸出控制電路等部分組成。下面，我們分別對幾個主要模塊進(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、濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（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)程序存儲器，并且是 FLASH 工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，同時，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控，片內(nèi)具有的 4K 字節(jié)己經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計需求。此外，AT89C51 還具有 128 字節(jié) RAM，32 條可編程 I/O 口線，2 個 16 位可編程定時計數(shù)器，6 個中斷源，1 個串行 l/O 日，片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。在控制軟件的支持下，CPU 對外圍電路進(jìn)行控制、計算，將溫度檢測電路輸入的溫度測量數(shù)值進(jìn)行處理，并掃描、顯示，同時將計算得到的控制結(jié)果輸出給控制電路對執(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ADC080827MAX234N2CD4052 和 X25045 等芯片。其中，ADC0809 作為溫度測量電路的輸入接口，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。AT89C51~~~~~~~ADC08098279XE555X25045MAX2324X25電機(jī)驅(qū)動電路CD4052 圖 AT89C51 芯片管腳分配示意圖2．溫度檢測電路：根據(jù)溫度測量電路的結(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，其電阻阻值也隨之增加。其溫度(0~100℃時) 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)系濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）13可見，其關(guān)系不是嚴(yán)格線形的，不過由于溫度系統(tǒng)對溫度精度要求不高，可以按照具有線形關(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，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信號經(jīng)過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后，變成單片機(jī)可以識別的數(shù)字信號，從而可以對冷卻水溫度進(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，因此對鍵盤和顯示電路的設(shè)計，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、顯示控制所需的掃描信號，因此可以代替單片機(jī)完成鍵盤、顯示的控制。其中，鍵盤矩陣采用 2 行 3 列非編碼方式，采用軟件查詢方法來設(shè)計，低電平有效。為了消除按鍵抖動對系統(tǒng)的干擾，在鍵盤軟件設(shè)計中，我們采用了 20ms 的延時程序。顯示部分為 3 位 LED 數(shù)碼管顯示，顯示的內(nèi)容是溫度數(shù)值的，十位、個位和小數(shù)點(diǎn)后一位，軟件設(shè)計中采用動態(tài)掃描顯示的方法，以減少硬件成本和增加系統(tǒng)可靠性。鍵盤控制的方式是采用 8279 掃描鍵盤，判斷是否有按鍵按下，進(jìn)而判斷按鍵的內(nèi)容，送至 AT89C51 處理。顯示程序的執(zhí)行過程是:首先AT89C51 通過 P 口選通 8279，低電平有效，然后把將要顯示的數(shù)字，其相應(yīng)的字型碼送至 DB 口，接下來設(shè)置位選信號，利用 SL0、SLSL2 二分別設(shè)置 0或者 l，分別選擇要顯示的} 二印數(shù)碼管(共陰極)，8279 將要顯示的數(shù)字通過OPTB 和 OUTA 口顯示在 LED 數(shù)碼管上。同時，我們將要顯示的數(shù)字的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成 7 段碼形式，編寫成數(shù)據(jù)表格的形式，存儲在單片機(jī)內(nèi)部存儲空間里，這樣，單片機(jī)將 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果與表格的指針相結(jié)合，直接將 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示出來，可以減輕系統(tǒng)計算量，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和顯示速度。下面介紹鍵盤與顯示電路。在小鍵盤上有六個按鍵，分別是“設(shè)置狀態(tài)”按鍵、 “運(yùn)行狀態(tài)”按鍵、AT89C51ALEWREA PRD 輸入信號G74LS373分頻 CLKADDA REF（+）ADDB REF（ ） ADDCADC0809D7D6 IN7D5 IN6 IN5D4 IN4D3 IN3D2 IN2D1 IN1D0