（车辆工程专业论文）风力致热机控制系统的研究.pdf

摘要 本文对风力致热问题进行了系统的分析，在此基础上，以风车输入转速和传热介质 温度作为控制对象，研制了一套以a t 8 9 c 5 1 单片机为核心的致热器控制系统。该系统通 过对电磁阀和电动机的控制，实现了对致热器工作状况的自动调节。 本文的主要内容包括：根据设计任务要求和风力致热的特点。设计了以单片机为 核心的致热器控制系统；通过对比分析各种微处理器的性能和特点，确定了以a t 8 9 c 5 1 单片机作为控制系统的主控模块。对控制系统硬件进行了设计；选择了温度和转速传 感器、设计了数据采集模块，通过a d 转换和接口电路，传感器信号可以被单片机实时 采集和处理；设计了输出控制模块，可以实现对电磁阀的驱动、可以控制电动机的工 作、可以实现电路报警；设计了控制系统的人机界面、显示电路及键盘扫描电路； 采用模块化的设计思想开发了系统软件。 经过系统软、硬件调试和系统试运行表明，所开发的致热器系统软硬件设计合理， 运行可靠。 关键词：风力致热，单片机，控制系统 中国农业大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t t h et h e s i so fw i n d h e a t i n gi sa n a l y z e da n dd i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i sp a p e r _ t h e n ac h e a pa n de f f i c i e n tw i n d h e a t i n gc o n t r o ls y s t e mt h a tu s et h es c ma t 8 9 c 5 1i sd e v e l o p e d o nt h eb a s eo fl o o k i n gr o t a t es p e e do fw i n d m i l la n dt h et e m p e r a t u r eo fd i a t h e r m a n o u s m e d i u ma st h eo b j e c t t h ec o n t r o ls y s t e mc a nr e g u l a t et h ew i n d _ h e a t i n gd e v i c eb yc o n t r o l l i n g t h ei n d u c t i o nv a l v ea n dt h ee l e c t r o m o t o r t h em a i nr e s e a r c ha c h i e v e m e n t si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ：f i r s t l y ，aw i n d h e a t i n g c o n t r o ls y s t e mt h a tu s e st h es c ma t 8 9 c 5 1i sg i v e na c c o r d i n gt ot h em i s s i o nr e q u i r e m e n t a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fw i n d - h e a t i n g s e c o n d l y , o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c o fa l ls o r t so fs c m ，as c ma t 8 9 c 5 1i ss e l e c t e da st h em a s t e rm o d u l ea n dt h eh a r d w a r eo f t h es y s t e mi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h i r d l y , o nt h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，t h es e l e c t i o n o fs e n s o r s ，t e m p e r a t u r ea n dr o t a t es p e e ds a m p l i n ga n dm a g n i f y i n g ，a dc o n v e r s i o na n ds c m i n t e r f a c ec i r c u i td e s i g ni si n t r o d u c e d f o u r t h l y , t h eo u t p u tm o d u l ei sd e s i g n e dw h i c hc a n c o n t r o lt h ee l e c t r o m o t o ra n dt h ei n d u c t i o nv a l v e ，r e a l i z et h ea l e r tc i r c u i t f i f t h l y , t h e m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，d i s p l a yc i r c u i ta n dk e y b o a r ds c a nc i r c u i to ft h es y s t e ma r ed e s i g n e d l a s t l y ，t h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d ，a n dt h em o d u l e d e s i g ni d e ai su s e di n t h es o f t w a r e a f t e rt h ed e b u go fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t e s tr u nh a v ed o n e t h er e s u l t ss h o w st h a t t h ed e s i g no fw i n d h e a t i n gc o n t r o ls y s t e md e v e l o p e di nt h i sr e s e a r c hi sr a t i o n a la n dt h e s y s t e mc a nw o r kr e l i a b l y i tw i l lh a v eaw i d ep r o s p e c to fp o p u l a r i z a t i o na n du s a g ew i t ht h e d e v e l o p m e n to fw i n d - h e a t i n gt e c h n o l o g yi nc h i n a k e y w o r d s ：w i n d - h e a t i n g ；s c m ；c o n t r o ls y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名莓蹬 时间： 如。厂年，月爹日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 研究生签名：芝l 习翌 时间：知。5 ，年，月侈日 导师签名：旅江 时间：挪5 年占月1 7 日 中国农业大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 风力致热的方法 第1 章绪论 风能是一种清洁的可再生能源，取之不尽，用之不竭。根据世界气象组织( w m o ) 和中国气象局气象科学研究所分析，整个地球上可利用的风能资源为2 0 0 亿k r ”。，是 地球上可利用水能的2 0 倍“3 。在中国，仅陆地上可利用的风能就达到2 ，5 3 亿k w ”1 ，利 用前景非常广阔。改革开放以后，中国的经济建设迎来了建国以后最好的发展时期，g d p 值每年以8 - 9 的速度迅速提高，相应的能源需求量也越来越大。与此同时，以石油、 煤炭、天然气为代表的一次性化石能源却在逐年减少能源问题越来越成为制约我国经 济发展的瓶颈。如何加快寻找和发展其他形式的可替代能源及其利用技术，减少对化石 能源的依赖，在当代中国乃至世界都有极大的现实意义和紧迫性。风能很早就为人们所 利用，近年来随着人们在技术开发方面的投入越来越大。风能作为化石能源的替代能源 必定具有更加光明的前景”2 。 风能的利用形式多样，可转化成电能、热能等。在农村地区风能转化为热能相对意 义更大。目前在我国广大的农村地区，塑料大棚和水产养殖等特色农业对热能的消耗越 来越大，采暖、加热、保温、烘干等对热能的消耗已经成为农村能源消耗的主要部分”“。 因此在广大的农村地区采取风力致热技术，利用廉价的风力资源，就地取材满足生产生 活中对热能的需求，对农村经济的发展具有更大的意义。 目前风力致热有三种转换方法1 7 】：一是风力机发电再通过电热器发熟：二是由风 力机将风能转挽成空气压能，从而获得热能；三是将风能直接转换成热能。第一种方法 中，虽然电能转换成熟能的效率较高，但风能转换为电能的效率却不高，加之风能的不 稳定性，将引起风电电压的波动。因此从能量利用的效率、转换设备及其控削系统的复 杂性和成本考虑，这一方法是不经济的。第二种方法中，空气被绝热压缩，温度、压力 升高，在获得热能的同时，也获得了压力能，但需要两套不同形式的能量负载装置。而 风力直接转换为热能时，其能量利用率高，最高可达到3 0 左右，对风能变化的适应性 强，蓄能问题也便于解决。 风能热能的直接转换在理论上可以得到比其他两种转换方式更高的风能利用效 率，但在现实使用中，由于吸收能量的方法和设备不同，致热效率的差别很大。 中国农业大学2 0 0 2 年设计了一套液体搅拌致热模拟装置，并且利用这套装置作了大 量的实验，从中总结出了定的致热规律。本课题在研究了这些规律的基础上，设计开 发了风力致热控制系统及其控制电路，使控制系统与搅拌装置合理匹配，尽可能使搅拌 装置在各种不同风速条件下都能正常工作。致热效率尽力提高。 1 2 国内外风力致热研究概况 中国农业大学硕士学位论文 第1 章绪论 曼量量詈鲁量_ - ii i 皇! ! 曼鼍鼍鼍篁! 曼 l 。2 1 国外研究简介。1 1 0 1 i 、日本 日本研究风力致热技术比较早，在1 9 8 0 年便开始了中小型风力致热系统的研究，现 在已经取得很大进展，风力致热设备在农副业中已有很多的实际应用。 日本岛津制造厂研制的油压式致热装置一号机组于1 9 8 0 年底在扎晃北海道农业试 验站安装并投入使用，为温室加热。该机风轮直径只有4 机舱直径为1 m ，塔架高2 5 m ， 风轮额定转速为2 8 0 r m i n ，在7 5 m s 的风速条件下可获得1 k w 的致热效率，总效率为 3 0 5 。在一号机组的基础上，1 9 8 1 年又研制了一台风轮直径为l o m ，功率为2 0 k w 的二 号机组，实际运行试验表明，其致热总效率已经达到3 5 4 5 。1 9 8 2 年在北海道一个村 镇安装了一台2 0 k w 的液压式致热机组为浴池供应热水。 1 9 8 0 1 9 8 1 年，b 本进行了全国性的“地区能源开发利用的调查”。从而奁明了地 方的能源储量，此后在各地展开了能源的开发利用工作。1 9 8 2 年底在青森县车力村开始 了风力和稻壳加热系统联合应用为温室加热的试验点。 日本科学技术厅从1 9 7 8 1 9 7 9 年实施了小型风力机的应用验证计划，从1 9 8 0 年第 二季度起实施了第二次风能起飞计划，用了6 年的时间对风力致热技术进行了专门的研 究。经过6 年的研究试验，于1 9 8 6 年研制成一台风车直径为1 4 m 。功率为2 0 k w 的风力 致热装置，来为温室供热。试验证明，该机桨叶控制特性和储能特性均达到了设计指标。 该风机8 7 r m i n 时平均输出功率为2 2 k w ，其油压式桨叶控制装置精确可靠，风速4 2 0 m s 变化时，风机转速变化幅值仅在5 的范围之内。 小松制造厂研制的搅拌式风力致热装置起动风速为3 5 4 m s ，额定风速8 m s ，转 速为7 2 r m i n ，致热功率为2 5 k w 。但该机有一个缺点，就是急剧变化的风速适应性较差， 因而该机的转速难以控制。 岛根大学农业部，从1 9 8 0 年开始实糟太阳能和风能利用的计划，他们的2 0 k w 油压 式致热装置现在已经成功运行多年。 2 、美国和世界其他国家 美国乔治州立大学，从1 9 7 8 年起开始风力致热的研究，并成功研制了一台功率为 5 k w 的风力热泵，用来对没有加工的牛奶进行加热。 美国罗拉多州立大学研制的风力发电加热装置与太阳能集热器和生物质能加热炉联 合使用，来为牛奶的加热提供热水取得了很大的效益。另外，荷兰、丹麦、英国、联 邦德国和芬兰等北欧国家，由于风力资源比较丰富，国内政策本身也对环境保护比较重 视，因而对没有环境污染的风能研究投入较多，风力致热方面也进行了卓有成效的研究。 1 2 2 国内研究情况2 1 目前国内有两所高校对风力致热技术有过研究，开发出相应的致热系统，并给出了具 体的控制方式。一是沈阳工业大学，二是中国农业大学。 2 中国农业大学硕士学位论文 第1 章绪论 ! ! ! , ! _ 自g s | l e 目s | 目! _ i | ! _ 皇i i i 一 ii i i s 1 、沈阳工业大学对风力致热的研究 沈阳工业大学是我国最早对风力致热器进行研究的单位。1 9 8 5 年沈阳工业大学的热 能研究所研制了一台2 0 k w 的油压式风力致热系统。该研究通过理论推导得出了风力机与 致热器之间在额定工况下可以达到最佳匹配的理论公式。并且指出；无论风速如何变 化，风力致热器总可以较好地吸收风能；导出了风力机与致热器的最佳匹配条件，为 液压式致热元件的设计提供了参考公式；在理论分析的基础上成功地研制了一种致热 的关键元件一一多级节流孔板。 在沈阳工大的研究中，研究人员应用现代控制理论建立了符合实际的数学模型，通 过大量的计算机数字仿真，成功地研制了一种油温自动控制系统。经过他们试验表明： 试验结果与理论计算基本吻合；该系统反应灵敏，具有良好的动态和静态稳定特性， 用于风力致热系统的过温保护是可行的。研究者还提出了一种风力致热系统的过速保护 装置，应用现代控制理论建立了其数学模型，并对该装置进行了计算机的仿真和优化。 仿真和优化的结果表明：该装置同样具有反应灵敏，动、静态稳定性好等特点，从而对 该系统的设计制造提供了重要的参数。同时，为了研究过速保护系统对致热系统风力机 失速控制的可行性，又对固定桨叶风力机的失速特性进行了大量的计算分析。结果表明， 用上面所提出的过速保护装置对致热系统的固定桨叶风力机进行失速控制是可行的。 2 、中国农业大学对风力致热的研究 1 9 8 8 年中国农业大学农村能源研究所对搅拌式风力致热系统进行了实验性研究。 在该研究中，分析了风能直接转化成热能的过程、工作原理、搅拌式风力致热器的功率 吸收和动压特性。通过试验得出了功率吸收方程和压力方程，为设计风力致热器提供了 一定的理论依据。该研究还描述了搅拌式风力致热器的设计方法，并给出了相应的计算 机设计程序。设计了一台风力致热器。同时对风力致热器进行了实际的运行试验，证明 风力致热的可行性。但是在该研究中，未对致热器的控制特性进行过研究。 2 0 0 2 年。中国农业大学车系研制了一套液体搅拌致热的装置，其基本结构如图卜1 所示。 试验人员用变频器改变电动机的转速，以模拟风车的不同转速，利用数据采集卡采 集搅拌轴转速和油液的温度。通过改变搅拌装置内的液面高度，研究发热规律。通过对 实验结果进行数据采集和分析处理后，总结出搅拌致热的致热规律如下； ( 1 ) 在保持风车输入转速不变的情况下，搅拌装置内油液的温度越低，油液的温度升 高越快，致热的效率越高：相反，致热装置内油液的温度越高，温度升高越慢，致热效 率越低。 ( 2 ) 在保持搅拌桶内液位高度不变的情况下，风车转速越高，则温度升高越快，即系 统的致热效率越高。 ( 3 ) 在保持风车输入转速不变的情况下， ( 4 ) 在所测定的转速范围下，转速越高 1 3 本课题的研究内容和意义 搅拌桶内油液体积越大，则致热效率越高。 发热越快。 3 中国农业大学硕士学位论文 第1 章绪论 ! r ri l i , ! g ! e 圈1 1 液体搅拌致热装i 装鲁田 1 数据采集卡：2 温度传感器；3 转速传感器；4 电动机；5 - 搅拌轴；6 - 搅拌桶； 7 搅拌叶片；8 - 保温层 本课题对上述致热规律进行了进一步研究，在此基础上，结合实际应用情况，开发 出了相应的控制系统，使控制系统能够根据致热规律合理地控制致热装置。期望达到的 目标是，搅拌式致热装置的致热效率更高，同时将风能产生的热及时导出在实际生活中 加以利用。 本课题采用单片机作为整个控制系统的核心，单片机数据处理能力较强，提高了系 统的反应速度：并且单片机价格低廉，相关的接口电路也比较成熟，整个控制系统的费 用比用p c 机控制大大降低。具体研究内容包括： 1 、控制系统的硬件设计 根据控制系统的组成，开发研制以a t 8 9 c 5 1 单片机为核心的价廉、高效控制装置。 对系统中用到的温度传感器和转速传感器进行选型，设计传感器的信号采集和放大电路； 设计系统的执行机构即电动机和电磁换向阀控制电路；为了实现人机交互，使操作人员 有效地掌握系统的工作情况，设计了操作按键和显示模块；为有效地保护系统，使系统 在超出工作能力的情况下及时报警而设计了l e d 显示报警电路和蜂鸣器报警电路；最后 完成相关接口电路的设计。 2 、控制系统的软件设计 在设计完成控制系统硬件的基础上，用汇编语言开发了系统软件，将采集的模拟量 进行a d 转换，按照控制系统的要求，可以完成数据采集、分析、判断，可根据需要输 出控制信号，完成对执行机构的控制。 4 中国农业大学硕士学位论文 第1 章绪论 3 、控制系统的调试 对控制系统进行调试，包括硬件调试、软件调试以及脱机运行。在此基础上对相关 的硬件、软件做出相应的修改。最终使系统能够达到实用的目的。 本课题的研究意义在于，通过廉价实用的控制系统，保证风能充分利用，提高风能 利用水平。 5 中国农业大学礤士学位论文 第2 章控制系统的功能分折和基本构成 墨鼍曼寡寡-iiiii,一 i 曼! 曼! 曼! 第2 章控制系统的功能分析和基本构成 本章首先介绍了风力致热装置，然后分析了搅拌致热系统的控制方法；从控制方法 出发对整个控制系统的基本功能进行了分析。最后按照基本功能对控制系统的组成作了 详细规划。 2 1 风力致热与热利用 2 1 1 致热系统的基本组成 风能利用的关键技术问题是如何对各种风速的风能都加以利用。如果致热装置不可 控制，则有可能出现低风速的风无法利用，高风速的风又导致致热装置过热的问题。 为了达到对各种风速的风能都加以利用，并及时将产生的热导出应用的目的，需要 设计一套控制系统，该系统能自动调节对风机的负荷，及时取走产生的热量。致热装置 的组成及其控制系统的原理如图2 - 1 所示。图中的集热器用以吸收搅拌装置工作中产生 的热量，集热器与散热器相连。 田2 1 控制系统原理豳 1 油桶；2 - 油管；3 - 温度传感器i4 - 电磁阀；5 - 电动机；6 - 油泵： 7 控制单元； 8 - 转速传感器：9 - 风机：1 0 - 搅拌轴：1 1 一电动机：1 2 水泵：1 3 搅拌桶；1 4 一水管 1 5 一散热器；1 6 一搅拌叶片：1 7 集热器 6 中国农业大学硕士学位论文第2 章控制系统的功能分析和基本构成 曼曼鼍曼量量量量_ i i m i i 1 1 田置曼曼曼曼量曼曼曼詈曼鼍| 暑鼍| 舅曼皇篁 当外界风力较强，集热器的水温升高到一定温度时，控制单元应该及时发出指令， 启动集热器控制电动机1 1 ，使集热器内的传热介质开始循环，及时将致热装置的热量加 以利用，降低搅拌桶内的温度，以利于搅拌装置更好地致热。 本文规定传热介质的温度大于6 0 时，控制电动机1 1 开始工作。当温度低于4 0 c 时，控制电动机1 l 将停止工作。 2 1 2 搅拌液的极限液位 搅拌桶内搅拌液容积的大小应随风能输入功率的变化而变化。 液体质量m 、比热容c 和温升( t 一乃) 之间关系的计算公式为： q c m 口一瓦) 液体吸收的热量q 、 不计搅拌装置的摩擦损耗，风能的输入功率全部转化成搅拌液的热量，即有： q w p x t 代入上式得p - c m 口一t o ) i t ( 2 一1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 液体的比热值c 是常数，假定温升( t 一乃) 为常数，从式( 2 - 3 ) 可以看出，风能 的输入功率p 越大，搅拌液的容积应该越大。搅拌叶片与搅拌液越能够充分接触，越能 够最大限度地利用风能，此时液位相应地越高；反之，风能的输入功率越小，搅拌液的 容积应该越小，液位相应地越低，否则致热装置将不能工作。 在控制系统中，搅拌桶的内径是固定的，液位的高低直接反映了搅拌液容积的大小。 当风机输入功率足够大时，搅拌液应该全部没过搅拌叶片，这样才能最大限度的利用风 能的输入功率发热。按照设计的搅拌装置，液面的最高位置取为2 5 0 m m 。 在外界风力输入功率较小的情况下，保持较高的液位往往由于叶片和搅拌液之间的 阻力过大致使装置不能正常工作。因此，为了合理地利用风能，当风能的输入功率较小 时，搅拌桶内应该保持一个较低的液位以使致热器能够正常运转。本文根据试验情况确 定了最低液位的合理值，将搅拌桶内的液位最低值确定为9 0 m m 。 由以上分析，搅拌桶内的油液液位高度根据风能的功率大小应该能够调节，致热装 置才能合理的发挥功能，产生尽量多的热量。控制系统应该能够根据风车的转速不同， 打开、关闭电动机5 和电磁阀4 ，自动调节搅拌桶内的液面高度。 2 1 3 搅拌液的一般液位 风能的功率不容易直接测量，本文通过搅拌轴转速和搅拌桶内液位高低间接推算风 能的大小。显然液位越高，转速越快，风能的功率越大。由于风能功率的不确定性，考 虑到控制系统的执行机构不可能频繁的启动和关闭，将在不同风能功率条件下每次液位 的调整采取一定的梯度，不采取连续的调整，每次液位增加或降低都为定值l o m m 。 本课题选用的风车是低转速风车，其最高转速是6 0 0 r m i n ，为了安全起见，我们将 5 0 0 r m i n 作为其额定转速。当搅拌桶内的液位处在最低的9 0 m m 。风车的输入转速在 7 中国农业大学硕士学位论文第2 章控制系统的功能分析和基本构成 1 置鼻 5 0 0 r m i n 以下时，液位高度保持不变 当风车的输入转速超过5 0 0 r m i a ，搅拌桶内的液 位提高到l o o n 。同样在风车输入转速超过5 0 0 r m i n 时提高液位高度。当液位高度达到 最高的2 5 0 m a 风车的输入转速超过最高转速6 0 0 r m i n 时，为了保护设备的安全控制 系统应该发出报警信号，提醒操作者断开风车和搅拌装置的联接，停止系统运行。 综上所述，控制系统最终要达到如下工作要求： ( 1 当风能功率较小时，将液位控制在9 0 m m ： ( 2 ) 当风能功率很大时，搅拌桶最高液位高度置2 5 0 m m ，以利于吸收尽可能多的风能 并转化为热能： ( 3 ) 当液位保持在2 5 0 m m ，风车转速超过6 0 0 r m i n 的最高转速时，报警系统报警。 可关闭整个致热系统； ( 4 ) 当风速变化时，根据搅拌轴转速的变化，随时调整液面高度，调整范围在9 0 m m 2 5 0 m m 之间： ( 5 ) 当集热器内传热介质温度超过6 0 1 2 以上时，启动控制电动机1 1 ，在水泵1 2 的作 用下，集热器内传热介质开始循环，将热能导入散热器加以利用同时降低搅拌桶内油 液的温度。当集热器的温度低于4 0 时，电动机1 1 停止工作，传热介质停止循环。 2 2 控制系统基本功能分析 从满足使用要求的角度看，风力致热器控制系统需要从两方面来控制致热装置： 搅拌桶内液面的高度。液位高度应该随着风能功率的大小而变化，当风能功率增大时， 应该按要求增大液位高度，反之则降低液位高度。集热器内传热介质的温度。当致热 装置产生足够多的热量。传热介质温度达到一定值时，控制系统应该及时启动介质循环 装置，带走搅拌产生的热量并加以利用。同时控制系统应该及时掌握传热介质的温度和 风车转速等工作信息，这些信息为系统如何控制执行机构提供判断依据。信息的采集通 过不同的传感器完成。 控制系统的执行机构包括：搅拌桶液面控制系统；集热器传热介质循环系统。 现将二者的特点与功能分别介绍。 1 搅拌桶液面控制系统 由控制原理可知，搅拌桶内滚面的高低对整个搅拌装置的致热效率的影响很大，能 够根据风车输入功率及时提高或降低搅拌液液面、增加和减小搅拌液容积将直接影响致 热系统把风能转化成热能的效率。所以，液面控制的主要目的就是系统根据传感器采集 的数据。按照一定的计算方法，及时强制改变搅拌桶内的液面高度，以利于致热装置能 够更好地致热。 2 集热器传热介质循环系统 集热器传熟介质循环系统主要由电动机、水泵和散热器构成。当搅拌系统工作一定 时间，传热介质的温度达到一定值时才开始工作。传热介质通过循环及时带走风能转化 的热量，既满足了日常生产、生活的需要，同时也降低了搅拌桶内油液的温度，有利于 提高致热效率。 8 中国农业大学硕士学位论文 第2 章控制系统的功能分析和基本构成 控制系统组成关系如图2 2 所示，传感器、主控机、各执行机构组成一个闭环系统。 各执行机构与控制系统的结构关系是平行的，统一受控制系统的控制。 2 3 控制系统的基本组成 田2 2 控制系统组成关系 随着计算机技术的发展和大规模集成电路的出现，自动控制中越来越多地采用了微 型计算机控制技术。即由微型计算机处理所有的控制信息，井根据处理结果指挥系统按 照预定的程序进行过程控制。在工业应用领域中，相继开发出一系列通用的工业控制计 算机，即工控机。工控机是满足特殊要求的倚单计算机，它的优点是非常明显的。工控 机和一些标准的输入输出接口卡组成控制系统，操作起来非常容易，并且可以使系统有 友好的人机界面，可视性好，功能齐全，抗干扰能力强，编写和修改程序也很方便。但 这种方法一个明显缺点是成本太高、安装复杂，与本控制系统着眼于降低成本，提高效 率的设计要求背道而驰，不符合本系统的控制要求。 实际控制应用中还有另一种很实用的方法是以单片机为核心组成的控制系统。这种 方法的实现相对麻烦一些，但是由于单片机系统的测控功能强，可靠性高，体积小，有 专门的开发平台，调试方便，且成本很低廉，与本系统的控制要求非常适合，所以本系 统优先考虑用单片机来实现该系统。 根据控制系统的控制要求。设计出系统的功能框图如图2 3 。各个部分的功能简单 介绍如下； 单片机是整个控制系统的核心，完成控制系统的最核心和最基本功能，包括键盘输 入与显示处理、输入输出处理、算法控制和决策判断等。 模拟信号处理和a 转换部分，负责采集传热介质的温度以及风车的输入转速，并 将信号放大为合适的范围，同时将模拟信号转化为能够为单片机认识的数字信号，以便 送入单片机中作为决策依据。 人机界面完成人机对话功能，包括参数显示与键盘输入。 输出隔离与驱动部分完成弱电控制信号到强电控制信号的隔离与放大，并控制各个 继电器，从而驱动被控设备，实现相应的动作。 9 中国农业大学硕士学位论文第2 章控制系统的功能分析和基本构成 被控设备主要是指控制搅拌桶内油液渡面高度的电磁阀、油泵和控制集热器传热介 质循环的电动机、水泵等。 2 4 小结 圈2 - 3 控制系统的功能桎田 本章首先介绍了风力致热装置，确定了所要开发的控制系统的基本控制目标。其次， 分析了所要开发的控制系统应实现的功能。在此基础上，提出了以单片机为核心的控制 系统的基本构成方案并明确系统各组成部分的基本功能。 1 0 中国农业大学硕士学位论文第3 章控制系统的硬件设计 第3 章控制系统的硬件设计 3 1 控制系统硬件总体设计 从本控制系统拟实现的功能可以看出，该系统应具有前向通道( 信号采集) 、后向通 道( 对执行机构的控制) 、逻辑和数据运算部分( 决定控制时机和方式) 及人机界面，是 一个典型的测控系统。控制系统硬件结构图如图3 - l 所示。 信数 转速传感器l ：1 号模 i 一 放转 爿显示器 温度传感器f 一1 键 大换 前向通道 盘 0 显 人机通道 微控制器b 。 不 接 后向通道 ， 口 鬻h 斟旧 e = 叫键盘 田3 - 1 控制系统硬件结构圈 控制系统的目标是对搅拌桶内油液的液位和集热器内传热介质的循环进行控制，即： 由温度传感器对集燕器内传熟介质的温度进行采样。同时转速传感器对风车输入转速进 行采样，并将各采样值送入微控制器；微控制器根据当前的温度和转速判断是否调节油 液的液位，或者是否启动传热介质循环。另外，本系统应具有良好的人机交互性，使操 作者能够及时了解现在的温度和转速情况，进而了解现在整个系统地运转状况。 前向通道部分主要是通过传感器对风车输入转速和集热器内传热介质温度进行采 样，将采集的信号经过放大电路放大后，送至微控制器。 人机通道部分主要完成人机交互的功能。它通过串口接收微控制器传送来的信息， 并根据这些信息显示当前的温度或者转速。由于用同一段l e d 显示器显示数值，为了区 分显示的是哪个数值，故设立两个l e d 管加以区别。各个l e d 所表示的状态需要说明j 1 1 中国农业大学硕士学位论文第3 章控铆系统的硬件设计 1 带亮表示显示器正在显示的是风车转速值，2 # 亮表示显示器正在显示的是传热介质的温 度值。另外这个部分设立了三个按键，方便操作者对控制系统进行操作。 后向通道主要是根据微控制器发出的信号控制各个继电器的通断，从而驱动被控设 备或报警器，实现徽控制器的意圈。 3 2 单片机类型的选型m 5 6 1 n 7 8 1 单片机是把微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机a 由于它 的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的。故又叫单片控制器( s i n g l e c h i p m i c r o c o n t r o l l e r ) 。国外曾经一度把它称为单片微计算机( s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r ) 通常，一个徽计算机系统由微型计算机与外部设备组成。而微型计算机则包含有微 处理器( 通称c p u ) ，存储器( 存放程序指令或数据的r o m 、r a m 等) ，输入输出口( i o 口) 及其它功能部件如定时计数器、中断系统等。它们通过地址总线( a b ) 、数据总线 ( d b ) 和控制总线( c b ) 连接起来。通过输入，输出口线与外部设备及外围芯片相连。c p u 中配置有指令系统，计算机系统中配有驻机监控程序、系统操作软件及用户应用软件。 由于单片机是把微型计算机主要部件都集成在一块芯片上，故可以把单片机看成是 一个不带外部设备的微计算机。相当于一个没有显示器，没有键盘，不带监控程序的单 板机。 1 、单片机的特点 ( 1 ) 受集成度限制，片内存储器容量较小，一般r o m 小于4 1 8 k 字节，r a m 小于2 5 6 字节；但可在外部扩展，通常r o m 、r a m 可分别扩展至6 4 k 字节。 ( 2 ) 可靠性好。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其抗工业噪声干扰优于一般 通用c p u ：程序指令及常数、表格固化在r o m 中不易破坏；许多信号通道均在一个芯 片内，故可靠性高。 ( 3 ) 易扩展。片内具有计算机正常运行所必须的部件。芯片外部有许多供扩展用三总 线及并行、串行输入输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 ( 4 ) 控制功能强。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的条 件分支转移指令、i o 口的逻辑操作蚍及位处理功能。一般说来，单片机的逻辑控制功 能及运行速度均高于同一档次的徽处理器。 ( 5 ) 一般单片机内无监控程序或系统通用管理软件，只放置用户调试好的应用程序。 但近年来也开始出现了在片内固化有b a s i c 解释程序的单片机。 目前的单片机品种繁多，功能各异。比较早的有i n t e l 的8 0 3 1 ，以后各个公司陆续 推出了自己的5 1 系列的单片机。像摩托罗拉、菲利普、n e c 、m i c r o c h i p 、a t m e l 等。到目前为止，各公司在原来的基础上又相继推出了高性能的单片机和各种专用单片 机，如1 6 位、3 2 位单片机等。 在选择单片机时，主要根据控制系统的实际情况选择合适的c p u 。在整个单片机控 制系统中，c p u 既是运算处理中心，又是控制中心，是最关键的器件。因为本系统运算 速度要求不高，所用i 0 资源相对较少，所以选用8 位c p u 就已经足够了。5 1 单片机 中国农业大学硕士学位论文第3 章控制系统的硬件设计 曼量曼曼毫量置曼鼍mi i i iiiii,i l l 曼曼 在国内市场上应用最广泛，与其匹配的外围资源也容易选购；内部有程序存储器，不需 要扩展存储器，容易简化电路。综合各种因素考虑，本系统选用a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 1 作为c p u 。a t 8 9 c 5 1 是一种低功耗低电压、高性能的8 位单片机，片内带有一个4 k 字 节的f l a s h 可编程可擦除只读存储器( e p r o m ) ，它采用了c m o s 工艺和a t m e l 公司 的高密度非易失性存储器( n u r a m ) 技术，而且输出引脚和指令系统都与m c s 5 1 兼 容- 片内的f l a s h 存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编 程。因此a t 8 9 c 5 1 是一种功能强，灵活性高而且价格合理的单片机，可以方便地应用在 各种控制领域。 2 、a t 8 9 c 5 l 的优点 ( 1 ) 较为兜镶的中断系统。一般系统正常时，需要肖处理紧急突发事件的熊为，而 且拥有实对控制缝宠。系统运行对，在猿入输出募常或盥凝紧急持况辩应擐警秘处理， 整理这些阉蘧一般都采用中断控嬲方式。舞票c p u 接受中辑系统的谗求，簧l l 黉停藤来 执行的程序，转到中断的入口，执杼相应的中断服务糨降。如果突然撺电蒋突发事俸 的发生。c p u 也会转入中断系统，将驻留在数据存储嚣中的重要数据保存下来。 ( 2 ) 足够的存储容量。如果单片机有限的存储容量不够使用时，可以用扩展存储容 量豹办法，以保证采集来的数据在分橱处理完之前有足蝣存放空间。 蟹3 - 2a t 8 9 c 5 1 片内巷薅络梅橇龋 ( 3 ) 完备的i o 通道。输a 输出滤道是外部过程与烹机交换信息的通道，如模拟量 的输入输出通道，数据量的i o 遇邀等，对于需要实现外部设备和内存之阃的快速、 中国农业大学硕士学位论文第3 章粒莉蒙磋萌磋被井 批量交换信息的，还应有直接数据通道。a t 8 9 c 5 1 单片机能满足一般的数据采集系统 要求而且价格低、体积小的特点，适合于生产现场使用，便于维护和管理。 a t 8 9 c 5 1 的总体结构图如3 - 2 所示，a t 8 9 c 5 1 芯片内部具有下列硬件资源：4 k 字节闪 电存储器，1 2 8 字节r a m ，4 个i o 共3 2 条i o 线，两个1 6 位定时计数器，五源蹶级中断结 构，全双工串行口，片内振荡嚣及时钟电路等。此外a t 8 9 c 5 1 以静态逻辑设计而成，其 时钟频率为0 h z 一2 4 m h z 。这就是说，不一定要求连续的时钟定时，在等待内部事件期间， 时钟频率降至0 亦无妨。 3 、a t 8 9 c 5 1 的特别说明 ( 1 ) 中央处理器：由算术逻辑运算部件a l u 、布尔处理器、控制器和工作寄存器组成： ( 2 ) 闪电存储器：f l a s hm e m o r y 型单片机内部具有f l a s hm e m o r y 程序存储器，其内容 可由用户通过编程写入和擦除： ( 3 ) y o 部件：有四十个管脚，它们包括并行口、定时器、串行1 2 1 、a d 等。 a t 8 9 c 5 1 片内存储器售后通常处于擦除状态，即每个地址单元均为f f h ，人们随时可对 其编程。编程电玉v p p 由高压1 2 v 的，也有低压5 v 的。低压编程方式为用户系统对a t 8 9 c 5 1 进行编程提供了方便；而高压编程方式则与常规的闪电存储器或e p r 0 b l 编程器相兼容。 在这两种编程方式下，a t 8 9 c 5 1 代码程序阵列均是逐个字节编程的。为对片内闪电存储器 任一非空白字节进行编程，必须用芯片擦除方式将整个存储器擦除掉。 3 3 控制系统前向通道的设计 3 3 1 温度传感器的选型m 伽” 温度传感器是应用最普遍的传感器，种类非常多，常见的有热电偶、热电阻、热敏 电阻和p n 结温度传感器等。 各种温度传感器的比较：热电偶是利用金属的热电效应来反映温度的变化。热电偶 构造简单、使用方便、具有较高的准确度、温度测量范围较宽。但是应用热电偶测温时 需要进行冷端补偿。热电阻是利用导体的电阻值随温度变化的特性来检测温度。热电阻 有正的温度系数，其测温范围相对于热电偶来说较窄。目前应用较广泛的热电阻是铂和 铜。铂电阻有较好的物理和化学稳定性，在常用的热电阻中准确度最高，国际温标i t s - 9 0 中还规定，将具有特殊构造的铂电阻作为标准温度计来使用。相对于铂电阻，铜电阻价 格较便宜，但其电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，且易被氧化，物理和化 学稳定性不好。热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度而显著变化的特性制成的一种热 敏元件。热敏电阻具有负的温度系数，体积小，热惯性小，且比热电阻温度系数大，灵 敏度高，这都是热敏电阻的优点。但也有缺点：测温范围较窄，阻值随温度变化严重非 线性。互换性差。p n 结温度传感器是利用p n 结的反向电压随温度变化的特性来检测温 度的。同热敏电阻一样，p n 结温度传感器也具有体积小、热惯性小、灵敏度高的优点， 但p n 结也具有非线性、互换性差的缺点。此外，由于其具有很高的灵敏度，使得p n 1 4 中国农业大学硕士学位论文 第3 章控制系统的硬件设计 结在很窄的测温范围内能达到很高的精度。 本控制系统中，传热介质温度变化范围大约在0 - 8 0 c ，温度的变化范围较小，而且 温度变化较为缓慢，因而对传感器的反应速度要求不高。但是温度传感器是浸泡在液体 里工作，所以要求必须具有较好的物理性能和化学稳定性。根据对以上不同种类温度传 感器的比较，综合各种因素考虑，认为选用热电阻比较合适。而铂电阻具有良好的物理 和化学稳定性，温度线性度好，重复性好，因此本系统选用铂电阻p t l o o 温度传感器。 p t l 0 0 铂电阻技术数据如下表所示： 表3 - 1p t l 0 0 铂电阻技术参数 o 1 k d c1 3 m a 热响应系数1 0 m 0 k 0 c 时传感器的阻值1 0 0 q o - 1 2 0 o - - 1 0 0 时传感器的阻值0 3 8 5 0 k 绝缘强度 a c1 5 k v p t l 0 0 特性参数如图3 - 3 所示： d r 1 7 5 1 3 8 1 0 0 n 1 n “ 2 0 0 围3 3p t l 0 0 特性参数 3 3 2 温度采样与放大电路 t ( ) 铂电阻的性能十分稳定，在一2 6 0 一+ 6 3 0 之间，铂热电阻器常用做标准温度计；在 0 + 6 3 0 c 之间铂热电阻与温度之间呈如下关系； r - r o i i , a t4 - b t 4j ( 3 - 1 ) ，r r + o “0 4 5 ( r l ( t i ，( t 1 0 0 1 0 01 4 1 9 。一- ) ( 赤0 一) 3 ， l儿一ji5 8 一儿6 3 7 4 j ( - 2 ) 式中：爿- 3 9 7 4 9 7 3 x 1 0 3 ；由一- 5 = 8 9 7 3 i o - # 。 、 7 由以上两式可知，他们的二次项极小，在0 1 0 0 。c 范围内最大非线性偏差0 5 。c 。 根据设计要求，系统控制温度范围在o 8 0 。c 之间就可以，因此它的非线性偏差将更小， 中国农业大学硕士学位论文 第3 章控制系统的硬件设计 完全满足设计要求。 测温电阻的基本电路如图3 - 4 所示。图中r 。为铂电阻，0 c 时r o = 1 0 0 q 田3 - 4 沮度传感器的基本电路 测温电阻流过的标称电流为2 ，“，基准电压陀c 一5 v 。由图中可知，流过传感器 r 。的电流为 i * 一l y c c e 1 1 f r s 运算放大器( o p 0 7 ) 正常工作时，e 】和同相输入端乞相等。p 2