【正文】 行 l/O 日，片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。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，寫入單片機內(nèi)的程序還可以進 行加密，因而可以有效地保存數(shù)據(jù)信啟、。下面，我們分別對幾個主要模塊進行一下詳細介紹。當實際溫度偏低時，單片機輸出控制信號使反轉(zhuǎn)繼電器通電，伺服電機反轉(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。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。 濰坊學院本科畢業(yè)設計（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。 4． 可控點多，擴展性能好 : 本系統(tǒng)采用了多點測溫的方法，單片機可以利用多路開關(guān)來選擇測控點，從而使用戶可以分別對中央冷卻系統(tǒng)的不同部位進行監(jiān)測，了解整個機械設備的運行狀態(tài)。由于在系統(tǒng)設計中著重對系統(tǒng)的可靠性做了充分的探討，對可能影響系統(tǒng) 可靠性的因素進行了詳細的分析，同時采取了相應的解決措施，使得整個系統(tǒng)的可靠性提高，運行安全、可靠。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。 系統(tǒng)的性能特點 : 隨著單片微處理器性能的增強，價格卻始終不斷降低， 使得單片機的性能價格比很高。 : 利用尺 5232 串行通訊模塊，可以打展系統(tǒng)的功能。同時，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障死機或者程序跑飛進入某個死循環(huán)后，可以利用看門狗電路向單片機發(fā)出復位信號，使系統(tǒng)重新開始運行。 ： 利用硬件看門狗 (watchdog)電路，具有掉電數(shù)據(jù)保護功能和系統(tǒng)故障復位功能。 2． 多點測量 : 分別在高溫回路中高溫冷卻淡水的進口和出口、低溫回路中低溫冷卻淡水的進 口 和出 口 安裝了溫度傳感器，用戶可以 對任念一個測量點的溫度進行監(jiān)控和設置，方便調(diào)節(jié)。 系統(tǒng)的性能指標 系統(tǒng)主要的技術(shù)指標 :0~℃ : 因為被控參數(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 ℃ 。單片機測控系統(tǒng)運行軟件是燒錄在單片機程序存儲器中，控制單片機運行的程序，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 。 6． 控制軟件 : 系統(tǒng)的控制軟件包括計算機管理控制中心的溫度管理和儲存軟件、單片機測控系統(tǒng)運行軟件，以及 RS232 通訊軟件等。利用繼電器接受單片機發(fā)出的間斷的控制指令，控制三相伺服交流電動機斷續(xù)運轉(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，進而改變冷卻水的溫度。 5． 執(zhí)行機構(gòu) : 本控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)是指進行溫度調(diào)節(jié)的機械裝置，即控制繼電器、三相伺服交流電動機和三通調(diào)節(jié)閥。在某一時刻，單片機采集的是某個點的溫度實際數(shù)值，然后與該點的設定數(shù)值相比較，再輸出控制信號，因此，并不會增加單片機的運算負荷，使得單片機完全有能力承擔控制中心的任務。 濰坊學院本科畢業(yè)設計（論文） 9 : 在 系統(tǒng)設計時，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。若是測量溫度比設定溫度低時，單片機斷續(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斷續(xù)運轉(zhuǎn)，使得連接在電機上的三通調(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。數(shù)字小鍵盤可以使用戶輸入溫反設定值，其范圍是 000 一 999，代表的溫度范圍同樣是 ℃ ； 系統(tǒng)設計了硬件看門狗電路，具有掉電數(shù)拒保護功能和系統(tǒng)故障復位功能，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)死機或者程序跑飛而進入某個死 循環(huán)，由該看狗電路向 CPU(控制器 )發(fā)出復位信號，使系統(tǒng)重新開始運行從而保證了系統(tǒng)安全、可靠地運行。另一方面，它要將溫度測量數(shù)據(jù)和設定數(shù)據(jù)上傳到 計算機管理控制中心 (連接打印機 )。 3． 單片機測控平臺 (下位機 ): 單片機測控平臺 (下位機 )是整個溫度控制系統(tǒng)的重要組成部分，是聯(lián)系溫度信號采集和計算機管理控制中心的樞紐。 同時，我們知道， RS232 通訊標準的有效傳輸距 離受到一定的限制，只有15 米左右，這對系統(tǒng)總的布局不利。 2． 遠程通訊模塊 : 為了便于上位機 (計算機 )和下位機 (單片機 )的通訊，我們采用了標準 RS232串行通訊規(guī)范。 同時，上位機也可以對測控平臺的歷史數(shù)據(jù)進行存儲分析和打印，以方便用戶 對測控平臺的每一個溫度數(shù)據(jù)進行存儲。 圖 系統(tǒng)硬件組成圖 RS232 通信方式 計算機控制中心（上位機） 單片機檢測平臺（下位機） 溫度數(shù)據(jù)采集（溫度傳感器組） 執(zhí)行機構(gòu)（伺服電機、調(diào)節(jié)閥） 打印機 濰坊學院本科畢業(yè)設計（論文） 8 系統(tǒng)各組成部分功能說明 下 面，我們分別對計算機管理控制中心 (上位機 )和打印機、遠程通訊模塊、單片機測控平臺 (下位機 )、溫度傳感器組、執(zhí)行機構(gòu)和控制軟件等部分進行詳細的說明 : 1． 計 算機管理控制中心 (上位機 )和打印機 : 計算機控制中心可以對單片機測控平臺進行遠程實時顯示和檢測。在本文的論述中，我們僅以高溫冷卻水回路的溫度控制設計方法進行詳細說明，低溫冷卻水回路的方法基本類似，因此不作介紹。單片機測控平臺是是本課題最重要的研究內(nèi)容，它內(nèi)置單片微處理器，智能化設計，可以獨立工作又可以與上位機組成通訊網(wǎng)絡，同時還可以對柴油機冷卻水的溫度進行監(jiān)控，對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制指令，實現(xiàn)溫度的檢測與控制，是由溫度采集接口電路、 鍵盤與顯示電路、串行通訊接口申路、看門狗電路，以及執(zhí)行機構(gòu)接口電路所組成的。濰坊學院本科畢業(yè)設計（論文） 7 第 2 章 溫度控制系統(tǒng)介紹 系統(tǒng)的構(gòu)成 整個船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)主要由計算機控制中心 (上位機 )和打印機、遠程通訊模塊、單片機測控平臺 (下 位機 .)、溫度傳感器組、執(zhí)行機構(gòu)，以及控制軟件等部分組成的，系統(tǒng)采用了總線結(jié)構(gòu)、模塊化的設計方法，各部分 既可以獨立工作，又能夠聯(lián)網(wǎng)協(xié)同 工 作，組建方式靈活，并具有良好的可擴展性。這一方面是對當前船舶工業(yè)溫度測控技術(shù)的更新，另一方面也為現(xiàn)代遠洋船舶主柴油機提供了良好的運轉(zhuǎn)環(huán)境。同時，由于系統(tǒng)具有良好的擴展性能，可以與船舶內(nèi)部網(wǎng)絡進行通訊，使得系統(tǒng)功能再擴展成為可能，最大限度地滿足了今后的需求。 2． 課題的實用性及前瞻性 : 現(xiàn)代船舶工業(yè)的快速發(fā)展，使得船舶自動控制技術(shù)也突飛 猛進的提高。計 算機測控技術(shù)可以實現(xiàn)綜合自動化和生產(chǎn)過程最優(yōu)控制，是使得在現(xiàn)代 遠洋船舶上工 作的人提高工作效率，減輕工作強度的有效保證。 海水泵 淡水泵 淡水泵 低溫淡水膨脹水箱 高溫淡水膨脹水箱 淡水冷卻器 中央冷卻器 船舶柴油機 海水 舷外 濰坊學院本科畢業(yè)設計（論文） 6 另外，此測控系統(tǒng)以及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)，既有利于推動工控技術(shù)的發(fā)展，又能帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。它可以廣泛地應用在船舶工程中，如現(xiàn)代遠洋船舶上對溫度要求比較高的船舶中央冷卻水控制系統(tǒng)中。 另外，系統(tǒng)設計時充分考慮了對船舶原有的資源進行合理利用，應用原有的計算機和打印機來搭建整個系統(tǒng)的計算機控制中心 (上位機 )，應用現(xiàn)有的船舶網(wǎng)絡進行系統(tǒng)通訊和數(shù)據(jù)傳輸。采用“進口處溫度測控，出口處報警”的方式，這樣，使整個系統(tǒng)各循環(huán)回路的溫度均可自動調(diào)節(jié)，提高了整個系統(tǒng)的適應性和控制精確性 : ②通訊方式 :在系統(tǒng)設計中，我們分析了多種單片機與上層控制計算機的通訊方式，最終實現(xiàn)了 RS232 串口通訊接口，有利于系統(tǒng)今后的擴展 。 其二，本課題的目標 :提供具有溫度測控功能的智能控制設備一套 。在這種冷卻系統(tǒng)中，由于舷外海水不再接觸各種熱交換器和船舶主柴油機的冷卻空間，因而避免了海水引起的腐蝕，提高了設備和系統(tǒng)的安全可靠性以及設備使用濰坊學院本科畢業(yè)設計（論文） 5 壽命。因此，這種冷卻系統(tǒng)中就有兩個冷卻水回路 :一個是低溫回路 ，就是由舷外海水來冷卻低溫淡水的回路，因為海水的流入和流出不是一個閉合的過程，因此又稱為開式冷卻 。首先，我們介紹一下現(xiàn)代遠洋船舶絕大多數(shù)所采用的中央冷卻系統(tǒng)的工作過程。而冷卻效果的下降，將會產(chǎn)生嚴重的后果，如 船舶主柴油機氣缸和活塞溫度 升高、潤滑油隨溫度的升高而粘度降低造成機械運動的磨損，縮短了柴油機的使用壽命等。首先，這些控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器采用了較為簡單的控制規(guī)律，比如比例微分 (PD)控制規(guī)律或者比例積分 (PI)控制規(guī)律，若采用 PD 控制會出現(xiàn)靜 態(tài)誤差，使系統(tǒng)長時間偏離最佳工作點運行，若采 用 PI控制，則對于冷卻水溫度這樣具有較大慣性的被控對象會因為缺乏超前的控制作用而產(chǎn)生較大的超調(diào)量，使得系統(tǒng)動態(tài)特性較差，而且調(diào)節(jié)閥的開度改變以后，溫度傳感器不能馬上反映出調(diào)節(jié)作用的結(jié)果，存在滯后，難以得到滿意的控制效果。它的作用方法是，利用安裝在船舶柴油機氣缸冷卻水進口或者出口管路中的感溫元件，通常為電阻數(shù)值與溫度變化在一 定范圍內(nèi)成線性變化的熱敏電阻，經(jīng)分壓器分壓把冷卻水溫度成比例地轉(zhuǎn)換為電壓信號，這個測量信號與由電位器整定的給定值電壓信號相比較得到偏差信號，再經(jīng)過比例微分作用，輸出一個控制信號并將此控制信號送至脈沖寬度調(diào)制器，將連續(xù)的控制信號變成斷續(xù)的脈沖信號去調(diào)節(jié)冷卻水溫度。 3． 電動式控制方式 : 在 20世紀 80年代中期，船舶柴油機冷卻水溫度控制是采用氣動式作用方式。 它 也存在著以下的一些問題，例如系統(tǒng)對氣體的密封性和壓力要求同樣很高，對運輸和儲存氣體的管系的密閉性要求也很高，如果控制氣壓信號有所損失，使得控制精度降低，效果減小。 2． 氣動式控制方式 ： 在 20世紀 70年代末期，船舶柴油機冷卻水溫度控制是采用氣動式作用方式。這種控制方式的缺點也是顯而易見的，測量元件內(nèi)充注的工作介質(zhì)對密封性要求很高，如果造成測量元件內(nèi)充注的工作介質(zhì)泄漏，那濰坊學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 么其本身的壓力就不能隨溫度成比例進行變化， 因而使得溫度控制失去作用。這是一種早期的反饋式控制方式。 船舶柴油機冷卻水溫度控制技術(shù)發(fā)展歷程 船舶柴油機冷卻水溫度控制技術(shù)，在 20 世紀中得到了飛速發(fā)展。我們知道，單片微處理器具有高精確度、高靈敏度、高響應速度，以及耗能少、機構(gòu)小、可以連續(xù)測量、自動控制、安全可靠等優(yōu)點，非常適合嵌入式控制。綜合以上的各種不利因素，我們認為，此類控制系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足日益提高的控制性能需求，必須采用新的控制方式。從整體上看主要存在以下兩個明顯就缺點 :①采用的元器件比較落后，導致電路較為復雜，使用的邏輯元器件也較多，增加了備件管理和維護工作的難度 。因此，冷卻水系統(tǒng)的功用，就是對需要及時散熱的機 械和設備提供足夠的冷卻水進行冷卻，以保證其在一定合適的溫度范圍內(nèi)安全、可靠地工作。它可以對船舶機艙內(nèi)動力裝置的運動參數(shù)進行自動控制，對機器設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和報警，也可以對主要機器設備進自動操作等。 Cooling Water System: Single Chip Microputer: Temperature Control: Reliability濰坊學院本科畢業(yè)設計（論文） 3 第 1 章 緒論 課題提出的背景 船舶柴油機冷卻水溫度控制技術(shù)是輪機自動化技術(shù)的重要組成部分。 關(guān)鍵詞 ： 船舶，冷卻水系統(tǒng)，單片機，溫度控制，可靠性 濰坊學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 The Microcontroller—— Based Main Engine Cooling Water Temperature Control System Abstract With the highly speedy development to of puter technology， measurement apparatus， and control technology， more and more advanced technology， equipments and methods for measurement and control are applied in modern automation control realm .In these numerous advanced measurement and control technology， because of the enhanced performance and reduced price of single chip microputer，making the advantage that its ratio of performance to price been obvious .Therefore，how to apply the single chip microputer to ship automation c