符合国家标准的冷却塔热力性能在线监测装置设计

本科毕业设计（论文）说明书符合国家标准的冷却塔热力性能在线监测装置设计学 院 汽车工程学院 专业班级 09级汽车服务工程1班 姓 名 余晓俊 学生学号 200930023746 指导教师 刘桂雄 教授 提交日期 2013年 5月24日 华南理工大学广州学院学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学广州学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名： 日期： 年 月 日指导教师签名： 日期： 年 月 日摘 要结合现代计算机科学、软件技术和通信技术，传感器技术已经脱离传统的单点，纯硬件的形式，向智能化发展。计算机科学使传感器技术走向网络化；软件技术简化了电路设计，节约了成本，使传感器技术走向便捷化；通信技术扩大了传感器的功能，射频技术使传感器走向无线化。基于上述的现代智能传感器发展方向，本文以“符合国家标准的冷却塔热力性能在线检测装置设计”为课题，介绍了国家标准的冷却塔热力性能，以Merkel模型为主要设计模型，设计出符合国家标准的冷却塔热力性能在线监测装置的总框架，分析电路中各模块的原理以及核心芯片，完成以电源模块、传感网络电路以及耗电测量电路模块的设计。编写下位机、传感网络和上位机软件。利用软件设计出各自的算法、串口配置、传感器配置等功能，使整个监测装置的可操作性更高。利用硬件和软件相结合，对冷却塔热力性能在线检测装置进行了测试，验证了系统的可行性。对系统存在的问题进行了分析，获得提高在线监测装置性能的相关理论。关键词：国家标准；冷却塔热力性能；在线监测装置；传感器Abstract With the help of the computer science, software technology and communication technology, traditional sensor technology has developed from the single point and pure hardware to intelligent sensor. Computer science makes it go to networked; Software technology simplifies the design of the circuit, lessees the cost and makes sensor technology more contracted; Communication technology enlarges the function of the sensor and FR technology makes it go to wireless.With the future of the modern sensor technology as mentioned, with the title A designed for the Cooling tower thermal performance line detection device Based on National Institute of Standards, Introduced the national standard cooling tower thermal performance, used the Merkel to be the Major design model, designed the General Framework of the Cooling tower thermal performance line detection device Based on National Institute of Standards, analyses very modules of the circuit and the main IC, complete with power supply module, sensor network circuits and power measuring circuit module design.Preparation of the next-bit machine, sensor network and PC software. Use software to design their own algorithms, serial port configuration, sensor configuration and other functions, take the monitoring device to a higher operability. Use a combination of hardware and software, tested the device of thermal performance of the cooling tower line detection, Verify the feasibility of the system. Analyzed the problem of the system, line monitoring device to obtain improved performance of the relevant theory.Keyword: National Institute of Standards, Cooling tower thermal performance, Line monitoring device, Sensor目 录摘 要IIIAbstractII第一章 绪 论11.1 冷却塔概况及国家标准11.2 课题研究的内容和意义21.3 冷却塔研究现状21.3.1 冷却塔模型研究现状21.3.2 冷却塔热力性能监测技术研究现状31.4 论文研究的内容6第二章 冷却塔热力性能在线监测装置原理模型和总体框架72.1 引言72.2 冷却塔热力性能在线监测原理72.3 符合国家标准的冷却塔热力性能在线监测系统82.4 本章小结9第三章 冷却塔热力性能在线监测装置的硬件设计113.1总体硬件设计113.2 监测装置电源模块设计113.3 监测装置传感网络电路设计123.3.1 运行工况传感网络电路设计123.2.2 环境工况传感网络电路设计133.3 系统耗电测量电路设计153.5 本章小结16第四章 冷却塔热力性能在线监测装置软件设计174.1 引言174.2 监测装置传感器下位机程序设计174.3 监测装置传感器驱动程序设计184.3.1 MS5534C驱动程序设计184.3.2 SHT11驱动程序设计194.3.3 Pt1000驱动程序设计204.4 监测装置上位机程序设计214.5 本章小结24第五章 在线监测装置集成与系统测试255.1 引言255.2 监测装置系统集成255.3监测系统的测试与数据分析265.4 本章小结28结 论29参考文献30致 谢32III参考文献第一章 绪 论1.1 冷却塔概况及国家标准冷却塔是利用空气同水的接触(直接或间接)来冷却水的装备。是以水位循环冷却剂，从系统中吸收热量并排放到大气中，从而降低塔内空气温度，制造冷却水可循环使用的设备。通用术语“冷却塔”是用来面熟直接（开路）和间接（闭路）散热设备。虽然大多数想出一个“冷却塔作为一个开放的直接接触散热装置”，间接冷却塔，有时候被称为“闭合电路的冷却塔”但也是一个冷却塔。一个直接或开路冷却塔是一个密封结构内部的手段，通过将循环水以喷雾方式，喷淋到玻璃纤维的填充物料上，填料提供了更大的接触面积，通过水与空气的接触，达到换热效果。再有风机带动塔内气流循环，讲与水混啊热后的热气流带出，从而达到冷却。填充可能包括多个，主要是垂直，湿面赖以传播的水（填充）或横向飞溅要素创造了许多具有较大的地表面积小水滴级联几个层次的薄膜（飞溅）。间接或闭路冷却塔不涉及对空气和液体，通常是水或乙二醇混合物直接接触被冷却。不同的是开放式冷却塔，冷却塔的间接拥有两个独立的流体电路。一个是外部电路中的水是第二赛道，这是管束外循环（非公开线圈）的连接到的热流体进程被冷却并在闭路返回。空气是通过循环绘制在整个热管外级联水，提供类似的蒸发冷却冷却塔开放。在运作的热流内部流体电流，通过线圈管墙，外部电路，然后由空气和水的一些蒸发加热，到大气中。间接冷却塔的行动，因此非常相似，打开冷却塔 有一个例外。这一过程被冷却液在一个“封闭”回路中，不直接暴露在大气或外部循环水。在逆流冷却塔空中旅行向上通过填充或管束，对面水向下运动。在横流冷却塔空气水平移动通过补水向下移动。现行的玻璃纤维增强塑料冷却塔 第一部分：中小型玻璃纤维增强塑料冷却塔的国家标准是根据中华人民共和国建设部建标函2005124号文件的要求编制而成的1。本规范在总结我国多年来工业企业循环冷却水系统机械通风冷却塔的设计、运行经验，广泛征求国内有关单位和专家的意见的基础上，结合国内、外工业用机械通风冷却塔的先进技术和先进、成熟的理念编制而成。玻璃纤维增强塑料冷却塔第一部分：中小型玻璃纤维增强塑料冷却塔在编制中力求有较好的可操作性，对工业企业循环冷却水系统机械通风冷却塔的设计、设备招标能起到指导作用，推进我国工业循环冷却水系统机械通风冷却塔设计与国际接轨，使机械通风冷却塔在工业节水中发挥更好作用。冷却塔的设计国家标准是使用Merkel模型作为主要的参考数据来设计冷却塔，因此本文也主要研究和探讨Merkel模型的主要参数对冷却塔热力性能影响问题。1.2 课题研究的内容和意义本文研究主要以冷却塔热力性能为主，并研究符合国家标准的冷却塔热力性能在线监测装置设计方案，试图通过研究冷却塔热力性能的各种模型和主要参数得出良好的设计方案。首先，通过介绍了解冷却塔的基本理论及基本知识开展对冷却塔的了解，而后，以冷却塔热力性能的基本模型和参数着手，对其基本模型及参数进行分析，得出良好的设计方案，再联合国家标准提出设计的最终方案。冷却塔作为最重要的末端冷却装置，被广泛用于排除电厂、暖通空调系统、钢铁厂和化学加工场等产生的大量废热，是循环冷却系统的重要组成部分。湿式冷却塔因效率高而成为冷却塔的主流，其原理是通过空气与高温工业循环冷却水直接接触，在塔内完成水向空气传热传质过程，并将高温湿度空气排除塔内，带走部分热量，降低水温，实现工业冷却水的循环利用。研究表明，大部分冷却塔采用人工方式，使用分立仪器手动测量冷却塔运行工况，再利用测量参数计算出冷却塔热力性能。该方式具有测量点安装麻烦，测量时间长、成本高、难度大，无法根据冷却塔热力性能实时控制冷却塔等缺点。此外，随着无线通信技术和网络计划的发展，可利用远程监控技术对冷却塔运行进行远程监控，具有缩短监控时间、减少监控人力、突破监控地域限制等优点，并且有利于降低工业系统监控平台搭建成本，实现监控平台的统一高效管理。课题结合以上需要，以“符合国家标准的冷却塔热力性能在线监测装置设计”为题，重点研究湿式冷却塔热力性能高效模型、新型冷却塔热力性能监测技术与装置研制等问题，从而开发具有自主知识产权的湿式冷却塔热力性能在线监测仪及远程监控平台。课题研究学术意义体现在：研究湿式冷却塔建模方法与高准确度热力性能模型，可实现湿式冷却塔运行过程的有效抽象，对通用冷却塔热力性能的准确高效评估奠定基础；研究新型冷却塔热力性能实时监测技术与监测装置，对智能监测技术在工业领域的应用和推广具有重要参考意义。1.3 冷却塔研究现状1.3.1 冷却塔模型研究现状Merkel模型、Poppe模型以及e-NTU模型是冷却塔热力性能模型的三个经典的计算方程，三种评估方法如表1-1所示:国家标准是使用Merkel模型作为主要标准，因此本文冷却塔热力性能模型研究主要以Merkel模型为主，其他两种不做考虑。表1-1 冷却塔热力性能评估算法比较早在18世纪，冷却塔就作为末端冷却装置用于冷却高温工业循环冷却水，但关于其理论问题直到上世纪才被提出。Merkel(1925)在其博士论文中首次基于三个假设，提出冷却塔热力性能模型2，如图1所示，并以此推导出著名的Merkel方程。该模型成为冷却塔理论研究的里程碑，但由于冷却模型的简化和建模过程中的假设，导致Merkel模型无法精确地描述冷却塔的传热传质过程3，且Merkel方程求解困难，需要采用数值积分法或迭代法进行求解，求解过程较复杂。图1-1 湿式冷却塔Merkel模型Sutherland(1983)通过计算机程序计算精确模型与Merkel模型结果，并将两者进行比较以讨论 Merkel 模型中忽略蒸发对淋水密度减少该重要简化的影响4，发现该简化导致5 %15%的计算误差。Kloppers等(2005)进一步针对Merkel模型中的无量纲数刘易斯因子(Lewis Factor)，对计算结果的影响做仔细的研究和讨论，并陈述刘易斯因子和刘易斯数(Lewis Number)的区别和关系5。研究发现刘易斯因子对计算结果的影响随着进塔空气含湿量增高而减小，该结论对冷却塔热力性能模型适用范围界定和模型选择具有指导意义。研究内容：冷却塔热力性能是冷却塔运行效率的重要评估指标，为实现冷却塔热力性能的准确评估，需要对湿式冷却塔进行准确的物理建模并求解相关物理方程。本科题将物理建模与数学算法有机结合，在深入研究湿式冷却塔Merkel物理模型，并研究冷却塔各个运行工况对其热力性能的影响程度，并在不影响评估精度的前提下，参考Merkel，适当简化个别可忽略参数的变化，对冷却塔物理模型进行优化。利用数学局部最优化思想，研究高效可行的求解方法，提出一种运算简单、结果准确通用冷却塔热力性能评估算法。1.3.2 冷却塔热力性能监测技术研究现状冷却塔热力性能监测是提高冷却塔运行效率的关键，因此，冷却塔热力性能监测技术的研究一直是国内外研究学者的研究热点。目前，关于湿式冷却塔热力性能的监测评估技术主要有基于热力性能模型方法、基于高性能数学解法和结合工智能算法等技术。图1-2 基于特征模型冷却塔监控系统结构上海大学吴建国等(2006)开发一套基于特征模型冷却塔监控装置6，装置结构框图如图2所示，该系统采用基于多输入单输出的特征模型对冷却塔进行监控，具有一定的时变性，但只能监控冷却塔当时冷却性能，未对冷却塔相关参数进行存储和进一步分析。江苏李武全和瞿国庆(2009)设计了一套冷却塔监测装置7，该装置可用于同时采集冷却塔的相关运行参数与环境参数，并采用Merkel方程对冷却塔热力性能进行监测，但该装置未结合想干监测算法，且由于计算速度的要求，该系统缺乏实时性。北京张春蕾等(2011)基于Merkel模型，采用辛普森数值积分法对麦克尔方程进行求解，实现对冷却塔热力性能的检测8，实验结果讨论采用8阶辛普森公式对冷却塔热力性能进行求解比较合理，但只有该方法只是一个经验值，并未对其给出解法阶数的进行讨论比较，且该监测技术采用单一方式，缺乏时变性。部分学者基于冷却塔热力性能模型，采用高效数学算法对冷却塔热力性能进行监测。新加坡南洋理工大学Guang-Yu Jin等(2006)基于非线性最小二乘Levenberg-Marquardt法，提出一种计算相对简单、结果比较准确的冷却塔性能评估模型，该方法利用离散代替连续，当点数较少时准确度会有所下降。德克萨斯A&M大学Vipin Tyagi(2006)利用极值跟踪法对冷却塔出水温进行计算9，获得较准确的计算结果，如图1-3所示，当出现局部收敛时，将存在较大计算结果误差。图1-3 极值跟踪算法计算过程与计算结果上海交通大学Xiaoni Qi等(2008)基于投影寻踪回归法(PPR)对冷却塔的热力性能进行预测10，图1-4为基于投影寻踪回归法的计算结果与基于传热传质模型(HMT)的计算结果和实验结果进行比较，该结果显示投影寻踪回归法误差为3.75%，传热传质模型误差为8.78%，投影寻踪回归法比一般的传热传质模具有更好的准确度，但该方法计算较为复杂，计算量较大，因此对于实时性有较高要求的冷却塔监控系统仍无法适用。近年来，许多国内外学者将人工智能算法加入冷却塔热力性能监测中，并取得较好效果。土耳其M. Hosoza等(2007)利用人工神经网络对冷却塔热力性能进行监测11，结构框图如图1-5所示，该模型通过把冷却塔的进风温度、进水温度、进水量、进风量和相对湿度作为输入进行训练，并把出水温度、出风温度、出风相对湿度、出水量作为输出，实验结果表明，该监测技术的误差为0.894.64%，表明该方法准确可行，但人工神经网络需要大量训练样本，对监测系统的存储量和计算量都有较高要求。 图1-4 PPR实验结果对比 图1-5 冷却塔人工神经网络训练模型北京理工大学Hui Xie等(2008)利用模糊-神经网络算法对冷却塔的热力性能进行估计12，如图1-6所示，该算法存在0.69-3.74%的计算误差，具有较大准确度，缺点同样是需要大量的冷却塔运行数据作为训练样本。江苏大学Tian-Hong Pan(2011)采用Local Model Network算法评估冷却塔工作效率13，通过局部线性模型计算达到简化计算，并提高计算准确度的效果。图1-6 冷却塔热力性能模糊-神经网络评估算法模型为进一步提高冷却塔运行效率，部分学者采用相关优化控制技术对冷却塔进行优化控制。香港理工大学F.W. Yu和K.T. Chan对冷却塔的热力性能进行监测14，基于其负载对冷却塔风机和水泵进行优化控制，提高冷却塔运行效率，实验表明该算法可节能达4.9%。伊朗M.H. Panjeshahia等(2009)结合夹点技术与数学规划对冷却塔进行优化设计15，并利用Matlab进行软件仿真证明其合理性，仿真结果证明该方法可节能到达17%，但该方法并没有实际实验数据进行支撑。印度R.V. Rao和V.K. Patel(2011)人工蜂群算法对湿式逆流机械通风冷却塔进行优化16，该算法基于Merkel方程，对冷却塔的气水比、进水速度进行优化，但该方法所采用的热力性能模型误差较大。墨西哥Eusiel Rubio-Castro等基于严格的Poppe模型对冷却塔的热力性能进行优化17，采用混合整数非线性规划技术对冷却塔进行优化，从而降低机械式冷却塔系统的能总成本。1.4 论文研究的内容通过对冷却塔的概况及国家标准、冷却塔的研究现状（冷却塔模型研究现状和冷却塔热力性能检测技术研究现状）以及本课题研究的内容和意义的了解和定义，初步对冷却塔的资料有了一定得理解，为文章设计符合国家标准的冷却塔热力性能在线检测系统的设计做好了准备。 第一章为绪论，介绍了冷却塔概况及国家标准，然后介绍了冷却塔技术研究的现状，并了解各种已有研究方案的优缺点。 第二章为冷却塔热力性能在线监测装置原理系统概述，在框架结构上对整个系统进行介绍，设计出符合国家标准的冷却塔热力性能在线监测装置。 第三章为系统硬件设计，先提出框架，然后分别阐述监测装置电源模块、监测装置传感网络电路、系统耗电测量电路的设计。 第四章为系统软件设计，按照模块化的思想，主要阐述监测装置传感器下位机程序、监测装置传感器驱动程序、监测装置上位机程序的设计。 第五章为系统集成测试，为系统最后的集成和系统测试分析。31第二章 冷却塔热力性能在线监测装置原理模型和总体框架2.1 引言上一章介绍了冷却塔的概况及国家标准、冷却塔的研究现状的发展现状，提出符合国家标准的冷却塔热力性能在线监测装置的发展方向，并从冷却塔模型研究现状和冷却塔热力性能检测技术研究现状举例说明了冷却塔热力性能在线监测技术在应用方面的发展。本章基于绪论的基础，研究冷却塔热力性能在线监测装置原理模型和设计出冷却塔热力性能在线监测装置的总体框架。2.2 冷却塔热力性能在线监测原理冷却塔热力性能在线监测原理主要以Merkel模型作为研究对象,将冷却塔模型抽象为塔内空气和水膜间的传热传质过程，逆流冷却塔模型如图2-1所示18，布水器洒水后高温冷却水掉落过程中与低温低湿空气接触，并向空气传递热量和水分，完成能量交换。图2-1 湿式冷却塔Merkel模型饱和焓值，热力性能，根据Merkel方程得 (1) 图2-2 冷却塔热力性能监测装置安装示意图该式积分运算可利用数值积分法求解。为在保证监测结果准确的前提下简化计算过程，本文根据冷却塔国标GB/T 7190.1-2008采用三阶辛普森近似积分公式计算监测结果19，将运行工况和环境参数传感器网络按规定安装于冷却塔周围，如图2-2所示。根据国家标准GB/T 7190.1-2008的附录A可知，该标准的热力性能试验方法原理为冷却塔的实测冷却能力与设计冷却能力有可比性，前提是需将非设计工况下的实测冷却能力换算成相当于设计工况条件下的冷却能力，用实际风量（或设计风量）及实测工况，求出实测交换数，将该交换数代入标准设计的冷却水流量、进塔水温、湿球温度及对应的实测风量（或设计风量），求出出塔水温进行评价。监测装置测量冷却塔周围大气压、进风干球温度、进风湿球温度、进水量、进风量、进水温度、出水温度，空气密度为，设温度时空气饱和气压为，则空气相对湿度、冷却塔气水比、冷却塔进塔空气焓值、冷却塔水塔空气焓值分别为：(2)相应塔内空气平均焓值为：(3)设温度时饱和空气焓值为，进出水温差为，则可基于三阶辛普森积分公式计算出冷却塔热力性能(4)由此得出冷却塔热力性能的大小。2.3 符合国家标准的冷却塔热力性能在线监测系统根据国家标准GB/T 7190.1-2008的标准设计，图2-3为冷却塔热力性能在线监测系统结构20,该系统由检测装置、上位机软件和远程监控模块三部分组成。图2-3 冷却塔热力性能在线监测系统结构冷却塔热力性能在线监测系统中监测装置采用STM32为中央处理器的嵌入式系统，为该监测系统的主要部分，由中央处理器模块、运行工况测量模块、环境参数测量模块、实时时钟模块、人机交互模块、存储模块等构成。运行工况和环境参数测量模块运用传感器负责实时监测冷却塔内工况以及外环境的进出水温度、进水量、大气压、干球温度、湿球温度、相对湿度等传感信号,最终传输到中央处理器模块的ADC中；中央处理器模块用于采集上述数据，并进一步进行软件滤波和校准；SD存储模块实现中央处理模块处理数据的存储，用于后期数据挖掘；人机交互模块用于测量参数、采集频率、数据处理模式的设置；Flash模块负责存储传感器校准信息和人机交互模块字库。上位机软件负责测量参数的显示，评估算法的存储和计算，是整个冷却塔热力性能在线监测系统的监测平台部分。上位机软件部分和中央处理器模块使用RS232(异步传输标准接头)进行连接。远程监测模块包括3G通讯模块以及手机终端，主要负责监测结果和故障报警的远程短信发送。远程监测模块与上位机软件通过USB进行连接。2.4 本章小结本章主要介绍了冷却塔热力性能在线监测原理和符合国家标准的冷却塔热力性能在线监测系统的总体框架。相关工作如下： 通过分析Merkel方程，结合国家标准GB/T 7190.1-2008采用三阶辛普森近似积分公式计算监测结果，了解冷却塔热力性能在线监测原理的几个重要指标，并得出冷却塔热力性能计算方法； 提出符合国家标准的冷却塔热力性能在线监测系统的总框架，并冷却塔热力性能在线监测系统的工作流程作了简单介绍。第三章 冷却塔热力性能在线监测装置的硬件设计3.1总体硬件设计冷却塔热力性能在线监测装置的硬件总体设计如图3-1，有运行参数部分、气象参数、stm32中央处理器模块、冷却塔热力性能现场实际监控平台以及其他各种辅助模块组成，其中运行参数部分主要包括了冷却塔热力性能各项指标的传感器，用于测定各项参数数据；测定数据通过stm32中央处理器的采集分析后，进一步进行软件滤波和校准，在各种辅助模块的协助下，通过冷却塔冷力性能在线实时检测装置对冷却塔的热力性能进行监控。图3-1 系统硬件总体设计3.2 监测装置电源模块设计该冷却塔热力性能在线监测装置需要用到两种不同的电源模块，一个使用AMS1117-5.0，另一个使用AMS1117-3.3，电路图如图3-2所示。AMS1117系列稳压器是由AMS公司生产经销的稳压器，是一个正向低压稳压器，在1A电流下压降为1.2V。AMS1117有两个版本：固定输出版本和可调版本，AMS1117内部集成过热保护和限流电路，是电池供电和便携式计算机的最佳选择。AMS1117的工作结温范围是-40125，输入电压为15V，焊接温度（25秒）为265，存储温度为-65150，封装类型为SOT-223。AMS1117-5.0和AMS1117-3.3拥有上述共有的特性，同时具有1%的精度，不同点在于AMS1117-5.0和AMS1117-3.3的电压不同，AMS1117-5.0的电压为5.0V，AMS1117-3.3的电压为3.3V。图3-2 电源模块电路图3.3 监测装置传感网络电路设计3.3.1 运行工况传感网络电路设计运行工况参数主要包括流量和进水温度、出水温度，图3-1中进水管道和出水管道为运行工况模块，流量测量电路如下图3-3所示。图3-3 流量测量电路图进水管道包括了进水量和进水温度两部分的参数测量，进水量采用DN125电磁流量计进行测量，进水温度使用pt1000温度传感器进行测量。进水量测量采用的DN125电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表，采用单片机嵌入式技术，实现数字励磁，同时在酸碱电磁流量计上采用CAN现场总线的流量传感器，其测量范围是（40400）m3/h，测量精度0.5%，输出方式为RS485输出，产品规格模式如图3-4。图3-4 DN125电磁流量计进水温度使用pt1000温度传感器进行测量，pt1000是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。PT1000的阻值与温度变化关系为：当PT1000温度为0时它的阻值为1000，在100时它的阻值约为1385.005。它的工业原理：阻值会随着温度上升而成匀速增长的。 此处采用针探头式pt1000温度传感器，其测温范围为-6090，基本误差为0.2，最小分辨力为0.01，通信接口方式为RS232，产品规格模式如图3-5。 图3-5 pt1000温度传感器 图3-6 pt1000温度传感器温度与阻值的关系图出水管道的主要参数为出水温度，出水温度同样使用pt1000温度传感器进行测量。3.2.2 环境工况传感网络电路设计环境工况运行的主要参数包括干球温度、湿球温度、大气压、大气湿度等，环境工况运行包括了储水盘、冷却塔周围、进风口和大气参数。图3-7、图3-8分别是大气参数关于测量大气压电路和测量温湿度电路。 图3-7 测量大气压电路图 图3-8 测量温湿度电路图储水盘中的温度测量依旧使用pt1000温度传感器，储水盘温度的是用于北方防冻参量，这个设计防范在于为北方冬天时冰冻天气对冷却塔运行过程中的影响。冷却塔周围主要包括干球温度、湿球温度和出风温度三个参数。干球温度是温度计在普通空气中所测出的温度，即我们一般天气预报里常说的气温。湿球温度是指同等焓值空气状态下，空气中水蒸汽达到饱和时的空气温度，在空气焓湿图上是由空气状态点沿等焓线下降至100%相对湿度线上，对应点的干球温度。出风温度是指冷却塔排出大气环境中风的温度。干球温度、湿球温度和出风温度都使用pt1000温度传感器。进风口主要考虑大气环境中进入冷却塔的风速。测量该风速选用武汉新惠普生产的PHWS风速传感器。PHWS的测量范围是070m/s，精度为（0.30.03V）m/s，分辨率为0.1m/s，启动风速0.5m/s，重量0.5kg，工作环境温度在于-6050，湿度100%RH，输入有5V、12V、24V三种可供选择，输出为01000HZ，测量方法为频率计数，测量参数为风速，同时计算出风量。风速传感器的工作原理是当风杯受水平风力作用而旋转时，通过活轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率信号。产品规格如图3-9所示。图3-9 风速传感器图3-10 大气压力传感器大气参数包括了大气压力和温湿度。大气压力传感器采用瑞士INTERSEMA生产的MS5534C型大气压力传感器。该传感器的测量范围是101100mbar（即1110Kpa），分辨率为0.1mbar，使用16位SPI接口输出，工作环境温度为-4085，供电电压为2.2V3.6V，测量参数为大气压。图3-10和3-11分别为MS5534C大气压力传感器及其电路图。图3-11 大气压力传感器电路图温湿度传感器采用瑞士Sensirion生产的SHT11型温湿度传感器，其测湿范围为0100%RH，湿度精度为3.0%RH；测温范围为-40+120，温度精度为0.4。输出方式为类I2C总线数字输出，测量参数为大气湿温度。图3-12和2-13分别为SHT11型湿温度传感器及其电路图。 图3-12 湿温度传感器 图3-13 湿温度传感器电路图3.3 系统耗电测量电路设计冷却塔热力性能在线监测装置的耗电测量电路为电量参数，主要部分为冷却塔控制柜。冷却塔控制柜主要包含的零件包括电流互感器和三相多功能电力仪表。电流互感器的原理是依据电磁感应原理的。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。这里选用的电流互感器型号为LMZJ1-0.5，最高电压为0.6kV，电流比为100/5，下限为3.75VA，测量参数为系统电流总数。三相多功能电力仪表主要用于测量三相电流，三相相电压，三相线电压，三相有功功率，三相无功功率，三相视在功率，三相总功率因数，频率，三相有功电能，三相无功电能为一体的综合仪表。三相多功能电力仪表为思路开关量输入，2路电能脉冲输出、思路开关量，输出通讯协议为RS485，测量参数为系统总功耗。综合上述所有模块可得到系统的总原理图如图3-14所示，PCB图如图3-15所示。图3-14 冷却塔热力性能在线检测装置总电路图图3-15 冷却塔热力性能在线检测装置PCB图3.5 本章小结本章介绍冷却塔热力性能在线检测装置的硬件电路及主要模块。主要分电源模块、传感网络电路模块和耗电测量电路三部分组成。先总结如下： 电源模块是系统的能量源和动力系统，有了足够功率和稳定的电源才能保证系统正常的工作，该系统电平多样化，因此选用两种电压不同的芯片对电压进行转换； 传感网络电路模块是保证系统可靠性的重要部分，如何选用合适的传感器进行数据采集，提高参考电平的可靠性，使系统准确性更高是传感网络电路模块的重点。 耗电测量电路是监测系统工作的电力控制，保障系统有足够的电源进行运转，使得系统运行更加可靠。第四章 冷却塔热力性能在线监测装置软件设计4.1 引言第三章基于国家标准设计冷却塔热力性能在线监测装置的硬件电路，并将电路进行了模块化分析，对电源模块、传感网络电路模块和耗电测量电路部分的原理进行描述，为系统的进一步开发打下基础。本章重点在上一章硬件的基础上，对下位机程序和监测装置传感器驱动程序软件进行开发。4.2 监测装置传感器下位机程序设计本设计采用STM32F103RBT6作为处理器，STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。STM32F103RBT6属于STM32F103“增强型”系列。STM32F103“增强型”系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品，系列内置32K到128K的闪存，。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。STM32F103RBT6重要程序段如下：/u8 MenuState,YearSet;FATFS fs; / Work area (file system object) for logical driveFIL fsrc; / file objectsDIR sub1;FRESULT res; / FatFs function common result codeUINT br; / File R/W countint main(void)u8 t,key;u8 index=0;u16 detime=0; Stm32_Clock_Init(9); /系统时钟设置delay_init(72); /延时初始化uart_init(72,9600); /串口初始化 LED_Init(); /初始化与LED连接的硬件接口LCD_Init();SPI_Flash_Init();/SPI FLASH初始化DS1302PortInit();SD_Init();MS5534C_Init();/大气压传感器初始化SHT11_Init();DS1302_Set();RTC_Init();Timerx_Init(10000,7199);/10Khz的计数频率，计数到5000为500ms Timer2_Init(10,7199);/分频值为7200，分频后为10000Hz，定时器2的周期为1ms Font_Init();Touch_Init();Touch_Adjust(); /屏幕校准 delay_ms(1500);res = f_mount(0, &fs);res = f_open(&fsrc, test.txt, FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE);/创建新文件f_close(&fsrc); if(res=FR_OK)printf(FATfs implement sucessfully!n);LoadSysMenu();4.3 监测装置传感器驱动程序设计检测装置传感器主要包括三个:大气压力传感器MS5534C，SHT11温湿度传感器和pt1000温度传感器。4.3.1 MS5534C驱动程序设计MS5534C是瑞士INTERSEMA生产大气压力传感器，本传感器中重要程序段如下： u16 MS5534C_Cal(void)u16 c1,c2,c3,c4,c5,c6; float dt,temp,off,sens,x,p; float temp2,p2; c1 = (W1&0xfffe)1; c2 = (W3&0x003f)0); c3 = (W4&0xffc0)6); c4 = (W3&0xffc0)6); c5 = (W1&0x0001)6); c6 = (W2&0x003f); /vPrintf(C1=%d C2=%d C3=%d C4=%d C5=%d C6=%drn,c1,c2,c3,c4,c5,c6); utmp = 8*c5 + 20224; dt = (float)(D2-utmp); temp = 200+dt*(c6+50)/1024; off = c2*4+(c4-512)*dt)/4096; sens = c1+(c3*dt)/1024+24567; x = (sens*(D1-7168)/16384-off; p = x*10/32+250*10; if(temp450) temp2 =3*(c6+24)*(450 - temp)*(450-temp)/1048576; p2 = temp2*(p-10000)/8192; else if(temp200) temp2=11*(c6+24)*(200-temp)*(200-temp)/1048576; p2=3*temp2*(p-3500)/16384; else temp2=0; p2=0; temp = temp-temp2; p = p-p2; Pressure = (u16)(p/10); Temperature = (u16)(temp);return Pressure;4.3.2 SHT11驱动程序设计SHT11是瑞士Sensirion生产温湿度传感器，本传感器中重要程序段如下：void SHT11_reset(void) u8 i;/* Set DIO lines */SHT11_DAT_OUT();SHT11_SCLK=0; /vClearClock();SHT11_DATA_OUT=0; /vClearData(); /vSetDataDirection(); /vAHI_DioSetDirection(0, HTS_CLK_DIO_BIT_MASK); /* Connection reset sequence */ SHT11_DATA_OUT=1;/vSetData(); for (i=0;i9;i+) SHT11_SCLK=1;/vSetClock();delay_us(2); /vWait(1);SHT11_SCLK=0; /vClearClock();delay_us(2); /vWait(1); /* Soft reset device */ StartSequence(); SendByte(0x1e); /* Wait for minimum 11ms after reset */delay_ms(15); /vWait(1000);WriteStatus(0x01);state = 1;4.3.3 Pt1000驱动程序设计pt1000温度传感器重要程序段如下：float temp,temperature;Stm32_Clock_Init(9);/系统时钟设置delay_init(72);/延时初始化uart_init(72,9600); /串口1初始化 LED_Init();LCD_Init(); Adc_Init();POINT_COLOR=RED;/设置字体为红色 LCD_ShowString(60,50,Mini STM32);LCD_ShowString(60,70,ADC TEST);LCD_ShowString(60,90,ATOMALIENTEK);LCD_ShowString(60,110,2010/12/30);/显示提示信息POINT_COLOR=BLUE;/设置字体为蓝色LCD_ShowString(60,130,ADC_CH0_VAL:); LCD_ShowString(60,150,ADC_CH0_VOL:0.000V);LCD_ShowString(60,170,ADC_CH0_TEM:00.00C); while(1)adcx=drift_data(Get_Adc(ADC_CH8);LCD_ShowNum(156,130,adcx,4,16);/显示ADC的值temp=(float)adcx*