【正文】 且不受外界的工作環(huán)境的影響，因此，基于單片機的溫度控制器可以安全可靠地運行，來智能地控制 冷卻水的溫度穩(wěn)定在某一給定值，或者給定值附近，使得船舶柴油機冷卻水溫度測控滿足現(xiàn)代遠洋船舶的要求。其大致發(fā)展 歷程如下： 1． 直接作用式控制方式 ： 在 20 世紀 50 年代末期，船舶柴油機冷卻水溫度控制是采用直接作用方式。其特點是，他們都不需要外加能源，而是根據(jù)在冷卻水管路中的測量元件內(nèi)充注的工作介質(zhì)的壓力隨溫度成比例變化而產(chǎn)生的力來汽接驅(qū)動二通調(diào)節(jié)閥，進而改變流經(jīng)淡水冷卻器的淡水 流量和旁通淡水流量，從而進行溫度調(diào)節(jié)的。同時，其控制精度不高，冷卻水溫度變化 較大，對船舶柴油機的穩(wěn)定運行不利。其特點是，利用感溫元件和溫度變送器，把氣缸冷卻水溫度的變化成比例地轉(zhuǎn)變成氣壓信號的變化送至調(diào)節(jié)器，與調(diào)節(jié)器的給定信號相比較， 其偏差信號經(jīng)調(diào)節(jié)作用 規(guī)律運算后，成為調(diào)節(jié)器輸出的控制氣壓信號去調(diào)節(jié)溫度。因此，這種控制方式現(xiàn)在也很少采用了。也是目前遠洋船舶上主要采用的溫度控制方式。盡管此類電動控制系統(tǒng)的控制精度和效果可以在一定程度上滿足了船舶營運者的需求，但是這并不說明這種控制方一式是完美無缺的。其次這種控制系統(tǒng)的測量和控制部分，是利用一些電子器件進行邏輯運算輸出的，它的缺點就是一旦邏輯輸出部分機械部件出現(xiàn)故障，則整個 測控系統(tǒng)的控制能力和精度就會出現(xiàn)故障，其工 作效果大打折扣。 本課題研究的主要內(nèi)容 “基于單片機的船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)”是以現(xiàn)代遠洋船舶上廣泛應用的船舶中央冷卻系統(tǒng)為研究模型，以船舶柴油機冷卻水的溫度測量和控制為研究對象進行的。利用船舷外的海水泵輸送海水進入中央冷卻系統(tǒng)，來冷卻低溫淡水，被冷卻后的低溫淡水再去冷卻船舶主柴油機氣缸套和氣缸蓋的高溫淡水。另一個是高溫回路，就是由低溫淡水來冷卻高溫淡水的回路，因為低溫淡水和高溫淡水的流動是一個循環(huán)利用的過程，因此又稱為閉式冷卻。 下圖 為船舶中央冷卻系統(tǒng)簡化框圖 : 圖 船舶中央冷卻水系統(tǒng)簡化框圖 因 此 ，我們設(shè)計的“基于單片機的船舶柴油機冷卻水控制系統(tǒng)”課題應該重點解決以下內(nèi)容 ： 其一，本課題的攻關(guān)任務 :研究船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)，開發(fā)出具有智能控制裝置，實現(xiàn)對溫度進行測量和控制 。 其三，課題研究的技術(shù)關(guān)鍵 ： ①多點測量 :分別在船舶柴油機中央冷卻系統(tǒng)的高溫淡水的進口和出口、低溫淡水的進口和出口處安裝了溫度傳感器。 ③控制算法 :分析了幾種在溫度控制中常見的控制算法，根據(jù)各自的優(yōu)缺點，以及針對冷卻水的固有特性的分析，實現(xiàn)了帶有 smith 補償?shù)?PID 控制 。 系統(tǒng)研究的應用前景 本溫度測控系統(tǒng)是用于對船舶主柴油機冷卻水的溫 度進行監(jiān)測和控制的全自動智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)。它具有安全可靠、操作簡單方便、智能控制等優(yōu)點。 : 隨著計算機技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和自動控制技術(shù)等高新技術(shù)在船舶工業(yè)的發(fā)展和延伸，以計算機 為中心的自動化控制是當今世界范圍內(nèi)的工業(yè)技術(shù)革命的核心之一。因此，這項測控系統(tǒng)具有良好的市場發(fā)展空 間?！皽囟葴y控技術(shù)”具有很強的靈活性，根據(jù)用戶需要，可以方便地調(diào)整系統(tǒng)溫度給定值，從而使整個船舶主柴油機在更加理想的條件下運轉(zhuǎn)，增加了柴油機的使用壽命，滿足了人們對其經(jīng)濟性的要求。 3． 本課題的社會效益 : 本課題是以測控 智能化為宗旨，旨在為現(xiàn)代遠洋船舶提供有效、實用的溫度測控方法。此外，對于生產(chǎn)船舶工業(yè)智能控制器的廠商來說，他們在推廣應用這項成果中，將會獲得可觀的經(jīng)濟效益。其中，計算機控制中心中的計算機和打印機可以利用船舶原有資源，安裝串行通訊軟件，實現(xiàn)與單片機系統(tǒng)的通訊 :溫度采集模塊是由分布在柴油機冷卻水系統(tǒng)各部分的溫度傳感器組成的，采用了具有良好性能的感溫元件，用來測量冷卻水的溫度 。 同時，由于現(xiàn)代遠洋船舶的中央冷卻系統(tǒng)具有 .高 溫淡水和低溫淡水兩個冷卻水回路，因此，在設(shè)計本船 舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)時，我們分別對這兩個冷卻回路進行設(shè)計 ，其實際方法基本相同。 系統(tǒng)硬件框圖 整個系統(tǒng)的硬件組簡圖如圖 所示 。利用計算機中安裝的通訊軟件，計算機可以與單片機進行實時通訊，將單片機存儲器中的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸和顯示在計算機終端顯示器上，方便用戶對每個檢測點的實際溫度和設(shè)定溫度進行比較和監(jiān)測，對于超標的數(shù)據(jù)給予特殊顏色的顯示并 報警。當每次啟動軟件時，該軟件可以自動的從單片機溫度控制器中讀出歷史數(shù)據(jù)并存儲到計算機中。通過 RS232 接口，單片機可以將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中， 從而可以利用計算機的強大處理能力對數(shù)據(jù)進行分析和存儲，以及連接打印機對數(shù)據(jù)進行打印保存。但由于船舶上的空間有限，一般情況下，上位機與下 位機的距離都在 15 米以內(nèi)，所以就不再對通訊模塊加裝長距離接受器 (中繼器 )或者進行 RS232 轉(zhuǎn) RS485 處理，以降低系統(tǒng)的整體投資。一方面，它要獲取溫度傳感器組的測量數(shù)據(jù)，并且與溫度設(shè)定值進行比較，同時輸出控制信號到執(zhí)行機構(gòu) 。本測控設(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 ℃ 。 系統(tǒng)控制流程是，單片機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)換得到實際測量溫度，與預先設(shè)定溫度數(shù)值進行比較，當測量溫度比設(shè)定溫度高時，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，輸出給增大輸出繼電器，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，減少不經(jīng)冷卻器的旁通水量，增加經(jīng)冷卻器的淡水量 。經(jīng)過此自 動控制過程，使柴油機冷卻水溫度穩(wěn)定在設(shè)定數(shù)值，或是設(shè)定數(shù)值周圍，從而達到自動控制溫度的目的。同時，為了保證測量的準確性，我們采用了多點測量的方法，即在高溫回 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 都安裝了溫度 傳感器，分別測 量這幾 點的溫度，然后單片機控制多路開關(guān)，分別采集這幾點的溫度數(shù)值。 由于采用了這種多點測量的方法，克服了在以往溫度控制中，只能單一的測量冷卻水進口或者出口的實際溫度，出現(xiàn)偏差的現(xiàn)象，這也證明了本課題設(shè)置的科學性和合理性。由于水是一種大 慣性的傳熱介質(zhì)，當控制系統(tǒng)對水溫進行調(diào)節(jié)時，由于冷卻水的熱容量大，溫度響應速度很慢，水溫并不是立即調(diào)整到指定數(shù)值，而是一個緩 慢 、漸進的變化過程，因此，就需要執(zhí)行機構(gòu)進行斷續(xù)地控制，以一定量的延遲時間來確定水溫的變化。通過單片機控制指令的改變，來改變選擇增大輸出繼電器和減小輸出繼電器，進而改變?nèi)嗨欧涣麟妱訖C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。計算機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上方便地對測量溫度數(shù)值和設(shè)定溫度數(shù)值進行管理、查看、儲存和打印 。RS232 通訊軟件是使上位機與下位機進行串行數(shù)據(jù)交換需要編寫的軟件，符合標準 RS232 通訊規(guī)范 。同時，根據(jù)多年總結(jié)的控制經(jīng)驗，當船舶柴油機處于最佳工作狀態(tài)時，高溫淡水溫度應該穩(wěn)定工作在 78℃ 左右，低溫淡水溫度應該穩(wěn)定工作在54℃左右。 濰坊學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 3． 設(shè)定溫度 : 用戶可以自行設(shè)定任何一個測量點的溫度數(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 ℃。當系統(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)中的正在運算的數(shù)值和結(jié)果保存起來，當系統(tǒng)恢復供電后，單片機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 。 : 當溫度測量數(shù)值偏離設(shè)定數(shù)值士 5℃時，系統(tǒng)會自動報警，以提醒輪機管理人員注意，及時查明故障原因和解決問題。例如，可以將單片機測控平臺接入計算機管理控制中心，利用現(xiàn)代計算機的強大處理能力，以達到數(shù)據(jù)存 儲和打 印等目的。本系統(tǒng)由于選用了單片機作為控制核心，使得系統(tǒng)整體的成本控制在有限的范圍內(nèi)。 : 眾所周知，船舶機艙的工作環(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，就需要我們進行重點研究。 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一步提高，運用 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換單元，使得系統(tǒng)控制精度達到 ℃，足以滿足用戶對溫度控制的要求。同時，也方便用戶今后對本控制系統(tǒng)的擴展，利用增加傳感 器的方法來增加測溫點，因而具有良好的擴展性能。 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的轉(zhuǎn)換通道。系統(tǒng)輸出環(huán)節(jié)通過單片機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，進而控制三相伺服交流步進電機電機的旋轉(zhuǎn)，當實際溫度偏高時，單片機輸出控制信號使正轉(zhuǎn)繼電器通電，伺服電機正轉(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 。 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。 (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 多路開關(guān) 看門狗電路 執(zhí)行機構(gòu) 驅(qū)動電路 報警電路 A/D 轉(zhuǎn)換 濰坊學院本科畢業(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 系列單片機的指令、管腳完全兼容。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。在控制軟件的支持下， CPU 對外圍電路進行控制、計算，將溫度檢測電路輸入的溫度測量數(shù)值進行處理，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)行機構(gòu)進行操作，完成整套控制過程。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 是單片機與上位計算機的串行通訊接口， 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。 圖 是 AT89C51 芯片管腳分配示意圖 。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。其溫度 (0~100℃時 )與阻值的關(guān)系如下表 3l 所示。 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。由于 冷卻水是大慣性的傳熱介質(zhì)， ADC0809的此項性能指標己經(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。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。 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 G74LS373 分頻 CLK ADDA REF（ +） ADDB REF（ ） ADDC ADC0809 D7 D6 IN7 D5 IN6 IN5 D4 IN4 D3 IN3 D2 IN2 D1 IN1 D0 IN0 START ALE OE EOC 濰坊學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 需的掃描信號，因此可以代替單片機完成鍵盤、顯示的控制。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。鍵盤控制的方式是采用 8279 掃描鍵盤，判斷是否有按鍵按下，進而判斷按鍵 的內(nèi)容，送至 AT89C51 處理。同時，我們將要顯示的數(shù)字 的二 進制代碼轉(zhuǎn)換成 7 段碼形式，編寫成數(shù)據(jù)表格的形式，存儲在單片機內(nèi)部存 儲空間里 ，這樣，單片機將 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。 在小鍵盤上有六個按鍵， 分別是“設(shè)置狀態(tài)”按鍵、“運行狀態(tài)”按鍵、“數(shù)值增加 ”按健、“數(shù)值減少” 按鍵 、以及“高溫” 按鍵和“低溫”按鍵 。當設(shè)定好新的數(shù)值后，用戶再次按下“運行狀態(tài)”按鍵，切換列系統(tǒng)運行狀態(tài)，這時三位 LED 數(shù)碼管所顯示的就是測量溫度數(shù)值。由于單片機串行口 的輸入輸出都是 TTL 電平，而上 位計算 上的 RS232 接口 為了提高抗十擾性能，采用的是 RS232 標準中 EIA