【正文】 X25045 的復(fù)位輸出高電平信號(hào)，正好與 AT89C51 系列單片機(jī)的復(fù)位電平吻合，復(fù)位輸出端直接與 MCS51 。圖 為我們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的 X25045 實(shí)現(xiàn)的 AT89C51 系列單片機(jī)系統(tǒng)的看門狗電路。同時(shí)，還可以利用 X25045 中的 4096 位串行 EEPROM 來存儲(chǔ)報(bào)警上、下限，以及掉電狀態(tài)下單片機(jī)的臨時(shí)數(shù)據(jù)等。(2)由于船舶機(jī)艙內(nèi)的高溫、海水腐蝕和振動(dòng)等不利條件，應(yīng)該選擇溫漂小、獨(dú)立封裝、穩(wěn)定性好的元器件:(3)減少焊點(diǎn)數(shù)量可降低接觸不良、短路等故障，因此，應(yīng)該盡量選用集成度高的電路，減少使用分立元器件。船舶柴油機(jī)冷卻水溫度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，相對(duì)于陸上同類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說更為復(fù)雜和特殊，它需要考慮的可靠性問題更多，所以更要引起設(shè)計(jì)者的重視，在船舶的實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)該盡可能考慮各種不確定因素，充分利用實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來分析其產(chǎn)生來源，制定相應(yīng)的安全策略，提高溫度測(cè)控系統(tǒng)的可靠性。因此，提高單片機(jī)扮制系統(tǒng)的可靠性已經(jīng)成為提高整個(gè)船舶設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)可靠性的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。其中，干擾對(duì)測(cè)控系統(tǒng)造成的嚴(yán)重后果主要表現(xiàn)在測(cè)量數(shù)據(jù)誤差增大、控制狀態(tài)失效、程序運(yùn)行異常等方面。因而，隨著單片機(jī)在輪機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)中的深入應(yīng)用，使其應(yīng)用的可靠性和安全性就成為一個(gè)非常突出、亞待解決的重要問題。目前，可靠性理論已經(jīng)被廣一泛地應(yīng)用在工程的各個(gè)領(lǐng)域，并且日益起到重要的作用。(4)帶有 smith 補(bǔ)償?shù)?PID 控制算法子程序:帶有 smith 補(bǔ)償?shù)?PID 控制算法子程序是用于控制系統(tǒng)輸出控制信號(hào)的重要運(yùn)算程序。如圖 所示。初始化程序包括元器件、PID 參數(shù)等初始化過程。它們的模塊結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。(4)異常報(bào)警:當(dāng)上位計(jì)算機(jī)檢測(cè)到的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)超越了設(shè)定的上、下限溫度數(shù)值時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警程序，聲光報(bào)警。同時(shí)，可以利用 windows 操作系統(tǒng)的打印功能將歷史數(shù)據(jù)打印保存。就觸發(fā) MsComm 通信控件的OnComm 事件，通過檢查 CommEvent 屬性中 ComEvReceive 數(shù)值的變化，將收到的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)監(jiān)控平臺(tái)界面上顯示出來。整個(gè)上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)過程是這樣的:在上位機(jī)上設(shè)定一個(gè)按鈕“接收” ，當(dāng)按鈕按下時(shí)，計(jì)算機(jī)便向單片機(jī)發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)收到信息后，通過串口向計(jì)算機(jī)發(fā)送溫度“設(shè)定值”和“測(cè)量值” 。⑥CommEvent :返回最近的通訊事件或者錯(cuò)誤。⑤Settings:以字符串的形式設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停止位等。③:Input:從接收緩沖區(qū)中返回并刪除數(shù)據(jù)。②PortOpen:[TRUE/FALSE]，設(shè)置并返回通信端口的狀態(tài)，或者打開和關(guān)閉端口。在 window、環(huán)境下，我們利用VB 中提供的通信控件 ，可以方便地對(duì)串行通信的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括串口狀態(tài)、通信格式和通信協(xié)議等。我們?cè)谠O(shè)計(jì)仁位機(jī)的通信軟件時(shí)，利用 Visual Basic 編程工具實(shí)現(xiàn)。 上位 PC 機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì): 所示。單片機(jī)子系統(tǒng)的軟件是由主程序、采樣(A/D 轉(zhuǎn)換) 子程序、帶 Smith 預(yù)估器的尸拍算法子程序、報(bào)警處理子程序、鍵盤和顯示子程序、RS232 串行口通信子程序等組成。整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括上位 PC 機(jī)軟件和單片機(jī)子系統(tǒng)軟件兩個(gè)部分。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，軟件的結(jié)構(gòu)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思路，將本控制器所濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）23要完成的功能分別進(jìn)行編寫和調(diào)試，等到所有的模塊都調(diào)試成功后，再將各個(gè)模塊連接成整體，組成單片機(jī)軟件系統(tǒng)。單片機(jī)所具備的智能功能就是要由軟件部分來完成。 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)軟件是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，它具有充分的靈活 J 目一和自由性，可以根據(jù)系統(tǒng)的控制要求而變化。 84%表 42 實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表中，無誤差時(shí)間是指運(yùn)行過程中，溫度無誤差時(shí)間與恒溫時(shí)間的百分比。 81%70~80 177。 79%60~70 177。 75%50~60 177。恒溫溫度 最大超調(diào) 精度 無誤差時(shí)間40~50 177。CohnCoon 公式如下： )(TMCK????式中， 系統(tǒng)的階躍輸入；?系統(tǒng)的相應(yīng)輸出響應(yīng)；C被控對(duì)象飛升曲線為 時(shí)的時(shí)間；?被控對(duì)象飛升曲線為 時(shí)的時(shí)間；?63.經(jīng)過計(jì)算，可以得到如下結(jié)果: .??由于 ，所以被控對(duì)象屬于難于控制的情況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比例.0?a濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）22系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)，進(jìn)行設(shè)置初始數(shù)值， =3， = 10，PKDT= 1，并且在買際系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中逐步調(diào)節(jié)到最佳數(shù)值。通過以上對(duì)比例系數(shù) 、積分時(shí)DT PK間常數(shù) 微分時(shí)間常數(shù) 三個(gè)具體數(shù)值取值的分析，我們?cè)?PID 控制參數(shù)整1T定中，由經(jīng)驗(yàn)法確定出本控制系統(tǒng)的采樣周期為 15 秒，同時(shí)利用溫度飛升曲線法來測(cè)定對(duì)象，然后利用 Cohn 一 Coon 公式來求解系統(tǒng)參數(shù)。P(2)積分環(huán)節(jié)中，考慮到被控對(duì)象的慣性較大，容易產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變差，因此，要將積分時(shí)間常數(shù) 的數(shù)值取得較大，即1T采用較弱的積分作用方式。 算法中各系數(shù)的整定:我們?cè)诖_定使用基于 smith 預(yù)估器補(bǔ)償?shù)?PID 控制算法之后，還要進(jìn)一步確定 PID 算法中，比例系數(shù) 、積分時(shí)間常數(shù) 、微分時(shí)間常數(shù)三 個(gè)具體PK1TDT數(shù)值。同時(shí)，純滯后環(huán)節(jié)中，存在函數(shù) 。smith 補(bǔ)償?shù)脑硎?與 PID 控制器并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，用于補(bǔ)償純滯后的產(chǎn)生，這個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)就是 Smith:預(yù)估器，其傳遞函數(shù)如下所示: STeKGn12)()(????帶有純滯后補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)框圖如下圖 。smith 預(yù)估器是得到廣泛應(yīng)用的時(shí)滯系統(tǒng)的控制方法。至于 、 、 這三p1TD個(gè)數(shù)值的確定，將在后文中介紹。我們可以將式子(48)進(jìn)一步改寫為以下關(guān)系式: （4)2()1()()( ???????kCeBkAu9）式中： TKCTDpD??)21(可以看出，A、B、C 都是與采樣周期 T、比例系數(shù) 、積分時(shí)間常數(shù)pK微分時(shí)間常數(shù) 等有關(guān)的系數(shù)。j jpjTk?—微分系數(shù)，由 表示:DkD同時(shí)，又由于上文介紹的，本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量，即驅(qū)動(dòng)的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因此，所使用的控制算法是增量式 PID 控制算法。e(k 一 1)—第(kl)次采樣時(shí)刻的輸入偏差數(shù)值。顯然，在上述的離散化處理過程中，只有采樣周期足夠短才能保證近似轉(zhuǎn)化有足夠的計(jì)算精確度將式子(44)代入到式子(42)中，就可以推導(dǎo)出數(shù)字 PID的控制算法表達(dá)式為: （4)]1()[)()()(0 ??????keKjekeKuDkjp5）式中： k—采樣時(shí)刻序號(hào)，k=0，l，2，…:u(k)—第 k 次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出數(shù)值。即，計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制方法，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差數(shù)值來計(jì)算控制量，因此，在式子()中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)下能直接進(jìn)行計(jì)算，必須進(jìn)行數(shù)字離散化處理之后，才能被計(jì)算機(jī)應(yīng)用。1T③微分環(huán)節(jié):微分環(huán)節(jié)能夠及時(shí)反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì) (或者數(shù)值變化速率) ，并且能夠在偏差信號(hào)變得過大之前，在控制系統(tǒng)中引入一個(gè)有效得早期修正信號(hào)，從而可以加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)過程的時(shí)間，因而減小了系統(tǒng)的超調(diào)量，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分作用的強(qiáng)弱主要取決于系統(tǒng)的積分時(shí)間常數(shù) ，當(dāng) 的數(shù)1T值越大，則系統(tǒng)的積分作用越弱。D總體來說，PID 控制器的各個(gè)校正環(huán)節(jié)的作用如下:①比例環(huán)節(jié):比例環(huán)節(jié)可以及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)偏差數(shù)值一旦產(chǎn)生，控制器就會(huì)立即產(chǎn)生控制作用，用以減少和糾正偏差，及時(shí)性和快速性。pK濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18—積分時(shí)間常數(shù)。(l)PID 控制算法:PID 控制算法我們已經(jīng)非常熟悉，PID 控制算法即比例、積分、微分控制，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。 算法介紹:本系統(tǒng)采用基于 smith 預(yù)估器補(bǔ)償?shù)?PID 控制算法。在本系統(tǒng)中，純滯后時(shí)間與慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)的比值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所要求的 ，這就要求我們必須選擇另外一種控制算法。當(dāng)純滯后時(shí)間比較小時(shí)，可以直接采用 PID 控制。c=t，為純滯后時(shí)1T間。同時(shí)由于上文中分析的冷卻水溫度的這種純滯后特性的影響，我們對(duì)控制對(duì)象的描述是用一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)。因此，此類調(diào)節(jié)器沒有了微分作用，而且冷卻水溫度又是屬于慣性環(huán)節(jié)較大的控制對(duì)象，使系統(tǒng)超調(diào)會(huì)比較大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，汲易變成積分飽和，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性變差，甚至出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間振蕩。因此，在系統(tǒng)中必然會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)誤差，因而濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）17就會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間使被控對(duì)象脫離最佳工作點(diǎn)的情況，使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)反復(fù)進(jìn)行執(zhí)行動(dòng)作，加速了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損等。目前，應(yīng)用在遠(yuǎn)洋船舶上的大多數(shù)模擬式冷卻水溫度調(diào)節(jié)器都是采用的相對(duì)簡(jiǎn)單的控制規(guī)律。滯后時(shí)間 t 的單位秒(s)。一般來說，冷卻水溫度變化滯后于控制作用的時(shí)間為 t，則 t 應(yīng)該由以下的表達(dá)式給出，即 t=L/V。因此，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)施加了控制作用以后，冷卻水的溫度并不是馬上發(fā)生變化，無法反映控制作用，而是要等到冷卻水流過了淡水冷卻器，兩路水流混合后，再到達(dá)溫度傳感器處，被測(cè)溫度的變化才能反映出控制效果。我們通過對(duì)冷卻水溫度調(diào)節(jié)過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，很容易發(fā)現(xiàn)，船舶柴油機(jī)冷卻水的溫度控制系統(tǒng)還具有明顯的純滯后特性。被控對(duì)象的輸出是 c(t)，輸入是步進(jìn)電機(jī)的輸出 u(t)。[)(Z) 是本系統(tǒng)的溫度控制算法，將由下文給出。 系統(tǒng)ry(t)c (t)△u(k)e(k)（STD）D(Z)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象溫度傳感器信號(hào)處理控制框圖圖中，TS 是系統(tǒng)給定溫度值 是以 BCD 碼，由鍵盤或者上位機(jī)輸入。在本論文的敘述中，僅僅說明輸出控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理，并不作設(shè)計(jì)詳細(xì)說明。其中， 口輸出的高低電平的占空比，有 PID 控制算法來決定，從而實(shí)現(xiàn)了系ZP統(tǒng)閉環(huán)自動(dòng)溫度控制。當(dāng)系統(tǒng)被測(cè)溫度出現(xiàn)高于上限或者低于下限的情況時(shí)，即上、下報(bào)警狀態(tài)值(THA，TLA)為 l，AT89C51 啟動(dòng)自身定時(shí)器，使其 引腳輸出端輸出連續(xù)脈ZP沖波形( 或連續(xù)方波) ，這樣， NE555 時(shí)基電路根據(jù)其復(fù)位端“4”的信號(hào)變化，在它的輸出端“3”產(chǎn)生頻率的輸出，輸出信號(hào)給繼申器(J)動(dòng)作信號(hào)，繼電器常開開關(guān)閉合，推動(dòng)揚(yáng)聲器(SP)工作，獲得聲音報(bào)警信號(hào)，報(bào)警燈同步閃亮。我們采用了一片時(shí)基集成電路NE555，將其接成振蕩工作狀態(tài)，同時(shí)，將 NE555 的復(fù)位端“4”與 AT89C51的 引腳反相連接。這22T?樣，當(dāng)出現(xiàn)上、下報(bào)警狀態(tài)值(THA，TLA) 為 1 的情況時(shí)，就會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警電路。:為了系統(tǒng)的安全運(yùn)行，我們對(duì)冷卻水溫度進(jìn)行上限或下限聲光報(bào)警處理，我們采用了如下的判斷報(bào)警方法:以冷卻水溫度設(shè)定值 T 設(shè)為參考數(shù)值，則溫度變化的上限是 T:= T 設(shè)+5 ℃，下限是 T=T 設(shè)5℃ .當(dāng)測(cè)量到的冷卻水溫度持續(xù)增加，高于上限 時(shí)，即 T ，時(shí)，則上限報(bào)警狀態(tài)值 THA=l。我們選用了 MAXIM 公司的MAX232 芯片來完成這兩種電平之間的轉(zhuǎn)換工作。:本測(cè)控系統(tǒng)是近距離(小于 15 米)的串行通訊，因此選擇了計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間通過 RS232 接口直接相連。當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行時(shí)，其溫度設(shè)定值由軟件編制時(shí)事先設(shè)置好，當(dāng)需要改變數(shù)值時(shí)，用戶首先按下鍵盤的“設(shè)置狀態(tài)”按鍵，使顯示部分切換到設(shè)定值的顯示，然后由鍵盤的“高溫”或者“低溫”鍵切換到需要更改的溫度顯示，此時(shí)，三位 LED 數(shù)碼數(shù)碼管中的最低一立開始閃爍，再由“數(shù)值增加”或“數(shù)值減少”按鍵輸入所需設(shè)置的數(shù)值，可以改變了設(shè)定數(shù)值。下面介紹鍵盤與顯示電路。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(hào)，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。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(gè)位和小數(shù)點(diǎn)后一位，軟件設(shè)計(jì)中采用動(dòng)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。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(jì)，低電平有效。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 給出了 ADC0809與 AT89C51 接口圖。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 ℃。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(jì)（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(duì)溫度精度要求不高，可以按照具有線形關(guān)系處理。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。AT89C51~~~~~~~ADC08098279XE555X25045MAX2324X25電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路CD4052 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