毕业设计（论文）-船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制.doc

船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 1 摘 要 随着计算机技术、测量仪器和控制技术的高速发展，在现代自动控制领域 中，应用了越来越多的先进测量控制技术、设备和方法。在这些众多的先进测 量控制技术中，由于单片微处理器的性能日益提高、价格又不断降低，使其性 能价格比的优势非常明显。因此，如何将单片微处理器应用到船舶自动控制领 域，成为目前轮机自动化的焦点课题之一，为越来越多的科研机构所重视。 PID 水温控制调节方法出现时间较早，已被大部分现代船舶所淘汰。因此 本文针对传统的柴油机中央冷却系统水温 PID 控制系统算法较为复杂，不能准 确、快速、灵敏、稳定的调节柴油机冷却水的温度，提出了基于 89C51 单片机 的智能冷却水调节系统的控制方案和具体方法。在建立柴油机中央冷却系统高 温淡水（缸套冷却水）冷却回路的动态热力模型基础上，将柴油机功率模糊信 号引入到了高温冷却水温度控制系统中。通过调节三通阀的开度，从而可以达 到降低冷却水温度的动态偏差，快速而准确的调节冷却水温度的目的。比较得 出基于功率信号模糊预调节与水温 Smith+PID 调节的智能控制方法，明显优于 常规 PID 控制方法。在实际应用中实现了对船舶柴油机冷却水的智能精确控制， 减少了油耗，延长了发动机的使用寿命。 关键词：智能控制；89C51 单片机；精度高；速度快 船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 2 Abstract With the rapid development of computer technology, measuring instruments and control technology, the application of advanced measurement and control technology, equipment and methods were applied in the modern field of automatic control. Due to the improving performance and decreasing price of single-chip microprocessor, its cost performance became outstanding beyond the numerous advanced measurements and control technologies. Therefore, one of the focuses of the current turbine automation topics is to apply the single-chip microprocessor into ship automatic control, which has been paid attention to by more and more research institutions. PID temperature control adjustment method, which has the problems of complexity and can not accurately, rapidly, sensitively and stably control the diesels cooling system, had been eliminated by most modern ships. Therefore, this essay will focus on the the problems of the PID control system algorithm of the central cooling system water temperature in conventional diesel engines, and propose a control scheme and approach which is based on the 89C51 micro-controller smart cooling water conditioning system. The solution is to introduce the engine power fuzzy signal into a high-temperature cooling water temperature control system by establishing a dynamic model of the central engine cooling system temperature fresh water ( jacket cooling water ) cooling circuit on the basis of thermodynamic model. By adjusting the opening degree of the three-way valve to achieve the aim of reducing the dynamic deviation of water temperature and quickly and accurately adjusting the cooling water temperature. It can be significantly better than the conventional PID control methods system simulation studies which gains fuzzy intelligent control power signal pre- conditioning and water -based Smith + PID regulator. In practical applications, not only precise control of intelligent engine cooling water vessel is achieved, but also the fuel consumption is reduced and the life of the engine is extended. KEY WORDS: intelligent controls,89C51 microcomputer, high precision, high speed 船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 3 目 录 摘要.1 ABSTRACT.2 第 1 章 绪论.5 第 2 章 船用柴油机中央冷却系统.10 2.1 船用柴油机中央冷却系统工作过程.10 2.2 系统的构成.10 2.2.1系统结构图 .11 2.2.2系统各组成部分功能说明 .11 2.3 系统的性能指标.13 2.3.1 系统的主要技术功能.13 2.3.2系统的性能特点 .14 第 3 章 系统硬件组成.15 3.1系统硬件组成结构图.15 3.2 系统各部分结构.16 3.2.1 测温电路.16 3.2.2 A/D 转换电路 .17 3.2.3键盘与显示电路: .18 3.2.4串行通讯模块: .19 3.2.5声光报警电路: .19 3.2.6主控单元(MCC): .20 第 4 章 系统软件介绍.22 4.1 温度控制系统算法.22 4.1.1 系统的整体控制.22 4.1.2 算法介绍.23 4.2计算机软件及功能.28 4.3 单片机的软件设计.30 船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 4 4.3.1 主程序:.30 4.3.2T.0 中断服务子程序.32 4.3.3串行口中断服务程序.32 第 5 章 系统可靠性研究.34 5.1 系统硬件的可靠性设计.34 5.2系统软件的可靠性设计.36 第 6 章 结论.38 致谢.39 参考文献.40 船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 5 第 1 章 绪论 1.1 课题提出背景 船舶柴油机冷却水温度控制技术是轮机自动化技术的重要组成部分。轮机 自动化，是指用各种自动化仪器仪表、控制元件、逻辑元件，以及计算机系统 等组成的各种自动控制和监测系统。它可以对船舶机舱内动力装置的运动参数 进行自动控制，对机器设备的运行状态进行监测和报警，也可以对主要机器设 备进自动操作等。 轮机在运行的情况下，由于摩擦与力的相互作用，有许多机械，设备的运 动部件将一部分的机械能转换为内能，产生热量。而燃烧的燃气和压缩的空气 也会散发出大量的热量，为了避免受热部件的温度因为过高而影响其正常工作， 或者因热负荷过大而产生热腐蚀使其损坏，必须及时而有效地将这些多余的热 量散发出去。因此，冷却水系统的功用，就是对需要及时散热的机械和设备提 供足够的冷却水进行冷却，以保证其在一定合适的温度范围内安全、可靠地工 作。 目前，船舶柴油机冷却水温度的自动控制系统大多采用的是电子式控制方. 式，使用的是模拟式调节仪表，主要以电子器件的逻辑运算输出控制信号，来 驱动继电器对电动机进行转向控制，从而达到对温度的控制。从整体上看主要 存在以下两个明显就缺点： 采用的元器件比较落后，导致电路较为复杂，使用的逻辑元器件也较多， 增加了备件管理和维护工作的难度; 由于系统整体比较复杂，同时模拟仪表的实现功能的限制，因此这些温 度控制器都采用了最简单的控制规律，不能提供很好的控制性能。 以上我们可以了解到传统的模拟电路控制方法已经不能满足我们日益增加 的需求，因此改进温度控制系统十分重要，船舶柴油机冷却水的温度是影响柴 油机工作的重要热工参数。如果冷却水温度过低，燃气中酸根与水结合，生成 酸类物质，使气缸的磨损增加；如果柴油机冷却水的温度过高,这将会加快润滑 油的老化,加速零件的磨损，缸套冷却水的温度控制的好坏直接影响柴油机的工 作状态。船舶柴油机冷却水系统对柴油机缸套的合理冷却，将减轻缸套的磨损， 精确的温度控制会有效地控制柴油机缸套的低温腐蚀、高温腐蚀并减小热应力。 保持柴油机冷却水的温度在最佳的温度范围内,对于提高柴油机的动力性、减少 废气的产生、减少燃料消耗量、增强柴油机工作平稳性等方面都有着重要的意 义。 船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 6 我们知道，单片微处理器具有高精确度、高灵敏度、高响应速度，以及耗 能少、机构小、可以连续测量、自动控制、安全可靠等优点，非常适合嵌入式 控制。同时，其逻辑控 制运算是由软件来进行的，可以容易的实现各种控制规则，甚至是比较复 杂的控制算法的实现，而且不受外界的工作环境的影响，因此，基于单片机的 温度控制器可以安全可靠地运行，来智能地控制冷却水的温度稳定在某一给定 值，或者给定值附近，使得船舶柴油机冷却水温度测控满足现代远洋船舶的要 求。 1.2 船用柴油机中央冷却系统水温控制的发展历程 船舶柴油机冷却水温度控制技术，在 20 世纪中得到了飞速发展。其大致发 展历程如下： （1）直接作用式控制方式： 在 20 世纪 50 年代末期，船用柴油机中央冷却系统水温控制采用一种早期 的反馈式控制方式直接作用方式。其特点是，不需要外加能源，而是根据在 冷却水管路中的测量元件内充注介质的压力随温度的线性变化而产生的力来驱 动二通调节阀，来改变流经淡水冷却器的淡水流量和旁通淡水流量，从而进行 温度调节。这种控制方式的缺点是：测量元件内充注的介质对密封性要求很高， 如果造成测量元件内充注的介质泄漏，那么其本身的压力就不能随温度成比例 进行变化，因而使得温度控制精度变低。工作介质的泄露也同时污染了发动机 内部零件和冷却水，有可能造成发动机内部机械故障，严重时可能导致发动机 损坏报废。同时，冷却水温度变化较大，对船舶柴油机的稳定运行不利。利用 直接作用式的水温控制方法检修难度较大，每次检修成本较高，而且不能时刻 知道水温控制系统的好坏，无法被船员所观察。在航行时如果出现泄漏将造成 无法估计的损失。 （2）气动式控制方式： 在 20 世纪 70 年代末期，船用柴油机中央冷却系统水温控制采用气动式作 用方式。其特点是，利用感温元件和温度变送器，把气缸冷却水温度的变化成 比例地转变成气压信号的变化送至调节器，与调节器的给定信号相比较，其偏 差信号经调节作用规律运算后，成为调节器输出的控制气压信号去调节温度。 它也存在着以下的一些问题，例如系统对气体的密封性和压力要求同样很高， 对运输和储存气体的管系密闭性要求也很高，如果控制气压信号有所损失，使 得控制精度降低，效果减小。同样也无法进行人工观测。因此，这种控制方式 现在也很少采用。 船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 7 （3）电动式控制方式（PID）: 在 20 世纪 80 年代中期，船用柴油机中央冷却系统水温控制是采用电动式 控制方式。也是目前远洋船舶上主要采用的温度控制方式。它的作用方法是， 利用安装在船舶柴油机气缸冷却水进口或者出口管路中的感温元件，通常为电 阻数值与温度变化在一定范围内成线性变化的热敏电阻，经分压器分压把冷却 水温度成比例地转换为电压信号，这个测量信号与由电位器整定的给定值电压 信号相比较得到偏差信号，再经过比例微分作用，输出一个控制信号并将此控 制信号送至脉冲宽度调制器，将连续的控制信号变成断续的脉冲信号去调节冷 却水温度。尽管此类电动控制系统的控制精度和效果可以在一定程度上满足了 船舶营运者的需求，但是这并不说明这种控制方一式是完美无缺的。首先，这 些控制系统的调节器采用了较为简单的控制规律，比如比例微分(PD)控制规律 或者比例积分(PI)控制规律，若采用 PD 控制会出现静态误差，使系统长时间偏 离最佳工作点运行，若采用 PI 控制，则对于冷却水温度这样具有较大惯性的被 控对象会因为缺乏超前的控制作用而产生较大的超调量，使得系统动态特性较 差，而且调节阀的开度改变以后，温度传感器不能马上反映出调节作用的结果， 存在滞后，难以得到满意的控制效果。其次这种控制系统的测量和控制部分， 是利用一些电子器件进行逻辑运算输出的，它的缺点就是一旦逻辑输出部分机 械部件出现故障，则整个测控系统的控制能力和精度就会出现故障，其工作效 果大打折扣。而冷却效果的下降，将会产生严重的后果，如船舶主柴油机气缸 和活塞温度升高、润滑油随温度的升高而粘度降低造成机械运动的磨损，缩短 了柴油机的使用寿命等。 （4）智能调节方式 2002 年，杜玉恒提出了“船用柴油机冷却水温度的模糊控制”方法，但模 糊控制在精确控制水温时效果不太理想； 2003 年， “主机缸套冷却水出口温度控制方法”及“基于功率的缸套冷却 水出口温度控制系统的研究”其针对缸套冷却水“惯性大，缸套冷却水出口温 度经常超调”的特点，提出了在现有的传统 PID 反馈控制的基础上，采用“前 馈”方法，引入以船舶主柴油机输出功率作为反映缸套冷却水热负荷扰动信号 的前馈控制，以减小缸套冷却水出口温度的动态偏差，并利用 Mat lab 仿真进 行了验证。仿真结果表明，这种控制方法比传统的控制方法具有更好的控制性 能； 2004 年吴桂涛等人提出了船用主柴油机缸套冷却水出口温度的智能控制， 其将基于神经网络的模糊 PID 控制引入到缸套冷却水出口温度控制系统中，以 实现对控制对象进行在线控制。仿真结果表明，基于神经网络的模糊 PID 自适 船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 8 应控制比传统的 PID 控制的控制性能更好而且前者具有适应控制环境变化的能 力和自学习能力，当柴油机运行工况发生变化时仍具有很好的控制性能。还有 针对船舶柴油机冷却水系统的时滞特性提出了 Smith 预估器与 PID 控制方法， 并取得了较为理想的控制效果。 1.3 本课题研究的主要内容 “基于单片机的船舶柴油机冷却水温度控制系统”是以现代远洋船舶上广 泛应用的船舶中央冷却系统为研究模型，以船舶柴油机冷却水的温度测量和控 制为研究对象进行的。 先来了解绝大多数远洋轮船所采用的中央冷却系统工作过程。利用船舷外 的海水泵泵入海水进入中央冷却系统，来冷却低温淡水，被冷却后的低温淡水 再去冷却船舶主柴油机气缸套和气缸盖的高温淡水。中央冷却系统分为两个冷 却水回路：开式冷却，闭式冷却。 （1）开式冷却： 开式回路又称为低温回路，是由海水泵泵入的海水来冷却低温淡水的回路 因为海水的流入流出并不是一个闭合的过程所以称为开式回路。 （2）闭式冷却： 闭式回路又称高温回路，就是由低温淡水来冷却高温淡水的回路，因为低 温淡水和高温淡水的流动是一个循环利用的过程，因此又称为闭式冷却 在这种冷却系统中，由于舷外海水不再接触各种热交换器和船舶主柴油机 的冷却空间，因而避免了海水引起的腐蚀，提高了设备和系统的安全可靠性以 及设备使用寿命。 下图 1-1 为船舶中央冷却系统简化框图 船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 9 图图 1-11-1 船舶中央冷却水系统简化框图船舶中央冷却水系统简化框图 因此，我们设计的“基于单片机的船舶柴油机冷却水控制系统”课题应该 重点解决以下内容： （1） 通过查找资料和计算分析得出船用柴油机中央冷却系统的工作方式， 以及工作流程，并且对发动机冷却水系统的结构有初步的了解，为后期的设计 做准备 （2） 画出水温测量电路，A/D 转换电路，功率信号测量电路，膨胀水箱 液位测量电路，压力信号电路，报警电路，三通阀控制电路，海水泵控制电路 的电路图，并进行电路分析得出原理，以及工作方法。 （3） 分析了种在温度控制中常见的控制算法，根据各自的优缺点，以及 针对冷却水的固有特性的分析，实现了带有 smith 补偿的 PID 控制 （4） 根据硬件的设计画出各个硬件中算法的设计，并且进行验证 1.4 系统研究的应用前景 本温度测控系统是用于对船舶主柴油机冷却水的温度进行监测和控制的全 自动智能调节系统。它可以广泛地应用在船舶工程中，如现代远洋船舶上对温 度要求比较高的船舶中央冷却水控制系统中。它具有安全可靠、操作简单方便、 智能控制等优点。 另外，此测控系统以及相关产品的研发，既有利于推动工控技术的发展， 又能带来可观的经济效益和社会效益。 （1）市场预测: 随着计算机技术、现代通信技术和自动控制技术等高新技术在几十年内飞 速的崛起，尤其是这几年的大力发展以及电子技术在船舶上的应用。无不带动 了国内电子业，航海业的腾飞。相信我们的柴油机冷却水温智能控制系统会给 现代船舶带来极大的应用空间，创造良好的经济效益。 （2）课题的实用性及前瞻性: 全球经济一体化的快速发展，对货物要求量的需求增大，人民的物质需求 日益加大，各国进出口量与日俱增。使得船舶自动控制技术也突飞猛进的提高。 “温度测控技术”具有很强的灵活性，根据用户需要，可以方便地调整系统温 度给定值，从而使整个船舶主柴油机在更加理想的条件下运转，增加了柴油机 的使用寿命，满足了人们对其经济性的要求。同时，由于系统具有良好的扩展 性能，可以与船舶内部网络进行通讯，使得系统功能再扩展成为可能，最大限 度地满足了今后的需求。 船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 10 第 2 章 船用柴油机中央冷却系统 2.1 船用柴油机中央冷却系统工作过程 船舶柴油机中央冷却水系统由高温冷却回路、低温冷却回路和海水部分构 成其简化图如图 1.1 所示（第 6 页） 。高温冷却回路的冷却水由柴油机缸套流出， 经高温淡水冷却器。三通阀门、高温淡水泵后流入柴油机缸套。在柴油机缸套 冷却水的进口和出口分别装有温度传感器，并在进口处装压力传感器，实时监 测缸套冷却水的进口温度和出口温度及压力。高温淡水回路和主要作用是冷却 柴油机的缸套，高温淡水温度的调节原理是：通过改变三通阀门的开度，改变 流过高温淡水冷却器的流量，进而改变冷、热水的配比，调节冷却水的温度。 低温冷却水回路的冷却水由淡水泵流出后经中央冷却器、三通阀、柴油机 滑油冷却器、空气冷却器后流入高温淡水冷却器，冷却高温淡水。在滑油冷却 器和空气冷却器的冷却水进口和出口处均装有温度传感器，并在中央冷却器的 进口处装压力传感器，以实现监测冷却水温度和压力。低温冷却回路冷却原理 同高温冷却水回路，也是通过三通阀调节冷却器的旁通水量，改变冷、热水的 比例，达到调节水温的目的。低温淡水回路的功能主要是冷却柴油机的滑油冷 却器和空气冷却器，同时用低温淡水冷却高温淡水冷却器。海水冷却部分的作 用是通过海水泵从弦外引入海水，冷却中央冷却器。 2.2 系统的构成 整个船舶柴油机冷却水温度控制系统主要由计算机控制中心(上位机)和打 印机、测量电路（温度测量、液位测量、功率测量、压力测量） 、信号转换电路、 单片机（下位机） 、执行机构，以及控制软件等部分组成的，系统采用了总线结 构、模块化的设计方法，各部分既可以独立工作，又能够联网协同工作，组建 方式灵活，并具有良好的可扩展性。其中计算机控制中心即可实时监测柴油机 冷却水温度控制系统的工作状态，又可实时显示水温，在有需要的时候还可以 进行人工干扰和调节，十分方便快捷。温度测量电路采用了十分灵敏并且具有 良好感温效果元件，用来测量冷却水的温度。单片机是本课题的核心部分。它 既可独立工作，又能与上位机组成通讯网络，同时还可以对柴油机冷却水的温 度进行监控，对执行机构发出控制指令，实现温度的检测与控制，是由温度采 集接口电路、键盘与显示电路、串行通讯接口申路、看门狗电路，以及执行机 构接口电路所组成的。 由于现代远洋船舶的中央冷却系统具有.高温淡水和低温淡水两个冷却水回 船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 11 路，所有我们在设计时应对高温淡水和低温淡水进行分别设计。但两个回路的 设计方法基本相同。在本文中仅对高温淡水回路进行设计。 2.2.1 系统结构图 智能控制器控制系统结构如图 3-1 所示。 图 3-1 智能控制器控制系统结构图 Smith 预估控制可以预测未来的系统偏差，对系统输出进行提前校正，这 种超前预估作用克服了时滞的不利影响。 船舶柴油机缸套冷却水温度的变化，主要是由于主机功率发生了变化。船 舶柴油机冷却水温度经常超调，是由于控制方法存在一定缺陷。本文将功率扰 动信号引入控制系统中，通过模糊决策，使系统能够在功率变化的时候，预先 调节阀门开度，改变冷、热水配比，可大大降低主机缸套冷却水温度超调量， 并用 Smith 预估 PID 控制器精确调节水温，优化控制系统的调节能力。智能控 制器控制系统结构如图 2.1 所示。 将模糊控制与 Smith 预估器结合是模糊控制在纯滞后系统应用中比较成功 的一种方式。针对船舶柴油机中央冷却水温度控制对象的特点。本文提出了冷 却水温度智能控制器，本系统在 Smith 预估器 PID 控制器的基础上，将柴油机 功率的模糊控制含量信号引入到冷却水温度控制系统中，使系统能够在柴油机 的功率变化以后，立即做出反应，来预先调节三通阀的开度，从而达到降低冷 却水温度动超调量，快速调节冷却水温度的目的。 2.2.2系统各组成部分功能说明系统各组成部分功能说明 下面我没对计算机控制中心(上位机)和打印机、温度测量、 、单片机（下位 机） 、执行机构，以及控制软件等部分做逐一介绍。 （1）计算机控制中心 计算机控制中心可以对单片机测控平台进行远程实时显示和检测。利用计 船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 12 算机中安装的通讯软件，计算机可以与单片机进行实时通讯，将单片机存储器 中的相关数据传输和显示在计算机终端显示器上，方便用户对每个检测点的实 际温度和设定温度进行比较和监测，对于超标的数据给予特殊颜色的显示并报 警。 同时，上位机也可以对测控平台的历史数据进行存储分析和打印，以方便 用户对测控平台的每一个温度数据进行存储。当每次启动软件时，该软件可以 自动的从单片机温度控制器中读出历史数据并存储到计算机中。 （2）温度传感器组: 本系统采用了铂热电阻 Pt100，其感温效果较其他感温元件比较突出。用 来测量冷却水的温度。同时，本系统采用了多点测量的方法以保证测量的准确 性，即在低温回路中低温冷却淡水的出口和进口、高温回路中高温冷却淡水的 出口和进口都安装了温度传感器，分别测量这几点的温度，然后单片机控制多 路开关，分别采集这几点的温度数值。在某一时刻，单片机采集的是某个点的 温度实际数值，然后与该点的设定数值相比较，再输出控制信号，因此，并不 会增加单片机的运算负荷，使得单片机完全有能力承担控制中心的任务。 由于采用了这种多点测量的方法，克服了在以往温度控制中，只能单一的 测量冷却水进口或者出口的实际温度，出现偏差的现象，这也证明了本课题设 置的科学性和合理性。 （3）单片机测控平台(下位机): 单片机测控平台(下位机)是整个温度控制系统的重要组成部分，是联系温 度信号采集和计算机管理控制中心的枢纽。一方面，它要获取温度传感器组的 测量数据，并且与温度设定值进行比较，同时输出控制信号到执行机构;另一方 面，它要将温度测量数据和设定数据上传到计算机管理控制中心(连接打印机)。 系统控制流程是，单片机将温度传感器测量到的信号经信号调制电路和 A/D 转 换得到实际测量温度，与预先设定温度数值进行比较，当测量温度比设定温度 高时，单片机断续输出控制信号，经过光电隔离和驱动放大后，输出给增大输 出继电器，继电器控制三相伺服交流电动机断续运转，使得连接在电机上的三 通调节阀转动，减少不经冷却器的旁通水量，增加经冷却器的淡水量;若是测量 温度比设定温度低时，单片机断续输出控制信号，经过光电隔离和驱动放大后， 输出给减小输出继电器，继电器控制三相伺服交流电动机断续运转，使得连接 在电机上的三通调节阀转动，增加不经冷却器的旁通水量，减少经冷却器的淡 水量。经过此自动控制过程，使柴油机冷却水温度稳定在设定数值，或是设定 数值周围，从而达到自动控制温度的目的。 船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 13 （4）执行机构: 本控制系统的执行机构是指进行温度调节的机械装置，即控制继电器、三 相伺服交流电动机和三通调节阀。由于水是一种大惯性的传热介质，当控制系 统对水温进行调节时，由于冷却水的热容量大，温度响应速度很慢，水温并不 是立即调整到指定数值，而是一个缓慢、渐进的变化过程，因此，就需要执行 机构进行断续地控制，以一定量的延迟时间来确定水温的变化。利用继电器接 受单片机发出的间断的控制指令，控制三相伺服交流电动机断续运转，带动三 通调节阀的转动，改变三通调节阀的开度，进而改变冷却水的温度。通过单片 机控制指令的改变，来改变选择增大输出继电器和减小输出继电器，进而改变 三相伺服交流电动机的转动方向，来控制三通调节阀的开度，最终起到了温度 自动控制的作用。 （5）控制软件: 系统的控制软件包括计算机管理控制中心的温度管理和储存软件、单片机 测控系统运行软件，以及 RS-232 通讯软件等。计算机管理控制中心的温度管理 和储存软件可以使用户在上位机上方便地对测量温度数值和设定温度数值进行 管理、查看、储存和打印;单片机测控系统运行软件是烧录在单片机程序存储器 中，控制单片机运行的程序，它包括初始化子程序、中断子程序、测量子程序 和比较子程序等，是本课题中软件编写的最重要部分;RS-232 通讯软件是使上 位机与下位机进行串行数据交换需要编写的软件，符合标准 RS-232 通讯规范。 2.3 系统的性能指标 2.3.1 系统的主要技术功能 （1）系统的测温范围：099.9； 世界海洋的水温变化一般在-230之间，其中年平均水温超过 20的 区域占整个海洋面积的一半以上。但是由于柴油机在工作时排出大量的热量。 所以考虑测量水温变化范围为 099.9。同时根据以往航行的数据表明， 当船舶柴油机处于最佳工作状态时，高温淡水温度应该稳定工作在 78左右， 低温淡水温度应该稳定工作在 54左右。 （2）多点测量： 在低温回路中低温冷却淡水的出口和进口、高温回路中高温冷却淡水的出 口和进口都安装了温度传感器，分别测量这几点的温度，然后单片机控制多路 开关，分别采集这几点的温度数值。用户可以对任念一个测量点的温度进行监 控。 船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 14 （3）设定温度: 用户可以自行设定任何一个测量点的温度数值，数字小键盘输入、三位 LED 数码管显示，其显示数值范围是 000 一 999，代表温度范围是 0 一 99.9。 （4）掉电数据保护和系统故障复位： 利用硬件看门狗(watchdog)电路，具有掉电数据保护功能和系统故障复位 功能。当系统突然失电时，可以利用硬件看门狗中的 EEPROM 数据储存器，将控 制系统中的正在运算的数值和结果保存起来，当系统恢复供电后，单片机再从 看门狗中读出这些数据，从而保证了系统中临时数据的安全。同时，当系统出 现故障死机或者程序跑飞进入某个死循环后，可以利用看门狗电路向单片机发 出复位信号，使系统重新开始运行。 （5）报警功能: 当温度测量数值偏离设定数值士 5时，系统会自动报警，以提醒轮机管 理人员注意，及时查明故障原因和解决问题。 2.3.2 系统的性能特点 （1）系统整体造价低: 随着单片微处理器性能的增强，价格却始终不断降低，使得单片机的性能 价格比很高。本系统由于选用了单片机作为控制核心，使得系统整体的成本控 制在有限的范围内。同时，外围控制电路都选用了目前市场上常见的一些元器 件，比如温度传感器、A/D 转换元件、看门狗器件以及 LED 数码管等，其成本 均不高，进一步降低了整个系统的造价，使得本控制系统具有良好的性价比。 （2）系统可靠性高: 众所周知，船舶机舱的工作环境极其恶劣，比如高温、高湿度、海水腐蚀 和振动等不良因素，因此，控制系统是否安全可靠，就需要我们进行重点研究。 由于在系统设计中着重对系统的可靠性做了充分的探讨，对可能影响系统可靠 性的因素进行了详细的分析，同时采取了相应的解决措施，使得整个系统的可 靠性提高，运行安全、可靠。 （3）控制精度高: 由于采用了高精度的温度传感器和性能良好的信号调制电路，使得温度控 制的精度进一步提高，运用 8 位 A/D 转换单元，使得系统控制精度达到 0.4， 足以满足用户对温度控制的要求。 （4）可控点多，扩展性能好: 船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 15 本系统采用了多点测温的方法，单片机可以利用多路开关来选择测控点， 从而使用户可以分别对中央冷却系统的不同部位进行监测，了解整个机械设备 的运行状态。同时，也方便用户今后对本控制系统的扩展。 船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 16 第 3 章 系统硬件组成 3.1 系统硬件组成结构图 温度控制系统的硬件电路结构原理图如下图 3-1 所示。 图 3-1 硬件电路结构原理图 本系统采用常见的 89C51 单片机作为微处理器。选用铂热电阻（Pt100）作 为温度传感器，与高精度的查分运算放大器 OP27 组成了高响应的精密温度测量 电路。采用了 ADC0809 芯片作为精密测温电路与单片机的转换通道（A/D 转换 电路） 。键盘矩阵采用 2 行 3 列非编码方式，显示部分为 3 位 LED 数码管显示， 看门狗电路采用了较为常见的 X5045 芯片。系统输出环节通过单片机输出口传 递输出控制信号，经光电藕合 4N25 和模拟开关 CD4052 后去控制继电器的通断， 进而控制三相伺服交流步进电机电机的旋转，当实际温度偏高时，单片机输出 控制信号使正转继电器通电，伺服电机正转，改变三通调节阀的开度，增加流 过淡水冷却器的淡水量，使淡水温度降低;当实际温度偏低时，单片机输出控制 信号使反转继电器通电，伺服电机反转，改变三通调节阀的开度，增加旁通冷 却水流量，使淡水温度升高，最终起到温度控制的作用。 温度传感器组 放大调制电路 键盘与显示电路 串行通信 多 路 开 关 看门狗电路 执 行 机 构 驱 动 电 路 报警电路 A/D 转换 单 片 机 船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 17 3.2 系统各部分结构 3.2.1 测温电路 为了避免或减小导线电阻对测温的影响，工业中热电阻多采用三线制接法， 由热电阻 PT100 与电桥共同构成测量电路，其结构如图 3-21 所示。 图 3-21 温度测量电路图 因铂热电阻 pt100 的精度较高，考虑到导线的电阻问题。图中热电阻 Rt的 三根导线粗细相同，长度相同，阻值都是 r，即 Ra=Rb=Rc=r。其中一根导线串联 在电桥的电源上，对电桥的平衡无影响，另外两根分别串联在相邻的两臂上， 使相邻两臂的阻值都增加相同的阻值 r。这样，导线对热电阻测量温度的准确 性毫无影响。测温电路选择 OP27 作为放大器。OP27 它是一种低噪音、高精准、 高速运算放大器，适应的温度范围较广。本系统选用的放大器适宜的工作温度 范围为2585，完全能够适应船舶环境，这无疑提高了温度测量的精度。 信号放大部分属于 V-V 放大，将电桥等效成差分放大电路，可以得运算放大倍 数 A=R5/R2。另外，可通过调节桥臂上的电位器 RT3 使电桥平衡。 在水温 0时，调整 R3阻值使得电桥平衡。即 Rt=R3。此时差分放大电路两 端的输入电压相同。即 U+=U-。那么差分运算电路的输出电压为 0。根据铂热电 阻在不同温度下的阻值的线性变化，可以得到 U+、U-电压差的变化。继而可以 得到差分运算放大器输出电压的变化。将温度的变化转化为电压的变化输送到 A/D 转换电路。A/D 转换电路将电压的模拟信号转换为数字信号输送给单片机， 单片机通过运算将数字信号转换为 ASCII 码。最终通过 3 位 LED 显示管转换成 3 位十进制数字。这便是测温电路的整体工作流程。 Pt100 铂热电阻，当其铂丝温度上升时，其电阻阻值也随之增加。其温度 船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 18 (0100时)与阻值的关系如下表 3-1 所示。 表 3-1ptl00 铂电阻温度与阻值的关系 温 度 0102030405060708090100 阻 值 100103.90107.79111.67115.54119.40123.24127.08130.90134.71138.51 由此可见铂热电阻随温度的变化关系为： 式中，A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735。可见 Pt100 在常温 0100 摄氏度之间变化时线性非常好，其组织表达式可近似简化为 RPt=100（1+At） ，当温度变化 1 摄氏度时，Pt100 的阻值近似变化 0.39。 3.2.2 A/D 转换电路 传感器采集的信号是模拟信号，需要转换成数字信号后才能由微处理器进 行处理。A/D 转换电路 ADC 电路有两大类：直接转换型（通过基准电压与采样 保持电路的输出信号进行比较，直接转换为数字量） 、间接转换型（将采样 保持电路输出的信号首先转换成时间或频率，然后再将时间或频率转换成 数字量） 。直接转换电路转换速度高，转换精度容易变；间接转换电路转换速度 低，转换精度可以做的较高，对干扰抑制能力强，在测试仪表中应用广泛。 A/D 转换电路中采用了比较常用的 ADC0809 芯片。ADC0809 是 CMOS 工艺， 采用逐次逼近法的 8 位 A/D 转换芯片，28 引脚双列直插式封装，片内除 A/D 转 换部分外还有多路模拟开关部分。 多路开关有 8 路模拟量输入端，最多允许 8 路模拟量分时输入，共用一个 A/D 转换器进行转换。 ADC0809 是一种 8 位逐次逼近式 A/D 转换器，它由 8 通道模拟开关和 A/D 转换两部分组成，其转换时间大约为 100vs，转换精度为 0.4。由于冷却水是 大惯性的传热介质，ADC0809 的此项性能指标己经满足了温度控制的时间和精 度，因此，我们选择 ADC0809 作为模拟/数字转换芯片，使系统成本较低。图 3-22 给出了 ADC0809 与 AT89C51 接口图。在硬件连接时，IN0IN7 为 8 路通道 模拟开关，我们只需要其中 IN0 路用以转换电路，其他各路直接接地。温度传 船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 19 感器传来的检测信号经过模拟/数字转换后，变成单片机可以识别的数字信号， 从而可以对冷却水温度进行量化比较。 图 3-22 ADC0809 接口电路示意图 3.2.3 键盘与显示电路 由于 CPU 管脚的数量有限，因此对键盘和显示电路的设计，我们采用了 8279 可编程的键盘显示一专用扩展 I/O 接口芯片，它木身能够提供键盘、显示 控制所需的扫描信号，因此可以代替单片机完成键盘、显示的控制。其中，键 盘矩阵采用 2 行 3 列非编码方式，采用软件查询方法来设计，低电平有效。为 了消除按键抖动对系统的干扰，在键盘软件设计中，我们采用了 20ms 的延时程 序。显示部分为 3 位 LED 数码管显示，显示的内容是温度数值的，十位、个位 和小数点后一位，软件设计中采用动态扫描显示的方法，以减少硬件成本和增 加系统可靠性。键盘控制的方式是采用 8279 扫描键盘，判断是否有按键按下， 进而判断按键的内容，送至 AT89C51 处理。显示程序的执行过程是:首先 AT89C51 ALE P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0 WR EA P RD INT1 测温 信 号 G74LS37 3 分频 CLK ADDA VREF（+） ADDB VREF（-） ADDC ADC0809 D7 D6 IN7 D5 IN6 IN5 D4 IN4 D3 IN3 D2 IN2 D1 IN1 D0 IN0 START ALE OE EOC + - 船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制 20 AT89C51 通过 P 口选通 8279，低电平有效，然后把将要显示的数字，其相应的 字型码送至 DB 口，接下来设置位选信号，利用 SL0、SL1、SL2 二分别设置 0 或 者 l，分别选择要显示的二印数码管(共阴极)，8279 将要显示的数字通过 OPTB 和 OUTA 口显示在 LED 数码管上。同时，我们将要显示的数字的二进制代 码转换成 7 段码形式，编写成数据表格的形式，存储在单片机内部存储空间里， 这样，单片机将 A/D 转换的结果与表格的指针相结合，直接将 A/D 转换结果显 示出来，可以减轻系统计算量，提高系统的数据处理和显示速度。 下面介绍键盘与显示电路。 在小键盘上有六个按键，分别是“设置状态”按键、 “运行状态”按键、 “数值增加”按健、 “数值减少” 按键、以及“高温” 按键和“低温”按键。 当系统开机运行时，其温度设定值由软件编制时事先设置好，当需要改变数值 时，用户首先按下键盘的“设置状态”按键，使显示部分切换到设定值的显示， 然后由键盘的“高温”或者“低温”键切换到需要更改的温度显示，此时，三 位 LED 数码数码管中的最低一立开始闪烁，再由“数值增加”或“数值减少” 按键输入所需设置的数值，可以改变了设定数值。当设定好新的数值后，用户 再次按下“运行状态”按键，切换列系统运行状态，这时三位 LED 数码管所显 示的就是测量温度数值。 3.2.4 串行通讯模块 本测控系统是近距离(小于 15 米)的串行通讯，因此选择了计算机和单片机 之间通过 RS-232 接口直接相