毕业设计论文-基于单片机的柴油机冷却水温度控制系统的设计

毕业设计论文-基于单片机的柴油机冷却水温度控制系统的设计内容摘要：

，这对系统总的布局不利。 但由于船舶上的空间有限，一般情况下，上位机与下 位机的距离都在 15 米以内，所以就不再对通讯模块加装长距离接受器 (中继器 )或者进行 RS232 转 RS485 处理，以降低系统的整体投资。 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 )。 本测控设备提供了 3 位 LED 数码管显示设定温度数值和测量温度数值，其显示的数值范围是 000 一 999，代表温度范围是 ℃。 数字小键盘可以使用户输入温反设定值，其范围是 000 一 999，代表的温度范围同样是 ℃ ； 系统设计了硬件看门狗电路，具有掉电数拒保护功能和系统故障复位功能，如果系统突然失去电力，测量数值可以保存在看门狗电路的 EEPROM 中，在系统重新工作时，可以重新从看门狗的存储单元里读取数据，保证了数据的安全，同时，如果系统出现死机或者程序跑飞而进入某个死 循环，由该看狗电路向 CPU(控制器 )发出复位信号，使系统重新开始运行从而保证了系统安全、可靠地运行。 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。 潍坊学院本科毕业设计（论文） 9 : 在 系统设计时，我们采用了具有良好性能的感温元件，铂热电阻 Pt100，用来测量冷却水的温度。 同时，为了保证测量的准确性，我们采用了多点测量的方法，即在高温回 路中高温冷却淡水的进口和出口、低温回路中低温冷却淡水的进口和出 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。 5． 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。 6． 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 RS232 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。 RS232 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 RS232 通讯规范。 系统的性能指标 系统主要的技术指标 :0~℃ : 因为被控参数是水，其工作状态始终是液态，所以其工作温度就是在0~℃ 之间，三位 LED 数码管显示，其显示数值范围是 000999，代表温度范围是 ℃。 同时，根据多年总结的控制经验，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 : 分别在高温回路中高温冷却淡水的进口和出口、低温回路中低温冷却淡水的进 口 和出 口 安装了温度传感器，用户可以 对任念一个测量点的温度进行监控和设置，方便调节。 潍坊学院本科毕业设计（论文） 10 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 ℃。 ： 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。 : 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。 : 利用尺 5232 串行通讯模块，可以打展系统的功能。 例如，可以将单片机测控平台接入计算机管理控制中心，利用现代计算机的强大处理能力，以达到数据存 储和打 印等目的。 系统的性能特点 : 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。 : 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 ℃，足以满足用户对温度控制的要求。 4． 可控点多，扩展性能好 : 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，利用增加传感 器的方法来增加测温点，因而具有良好的扩展性能。 潍坊学院本科毕业设计（论文） 11 第 3 章 系统的硬件开发 系统电路结构原理图 温度控制系统的硬件电路结构原理图如下图 所示。 图 硬件电路结构原来图和电路图 本测控系统采用了 AT89C51 作为微处理器，采用铂电阻 (pt100)作为温度传感器，一与运算放大器 (op27)相结合构成精密测温电路，采用了 ADC0809 芯片作为精密测温电路与单片机的转换通道。 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 X25045 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。 系统各主要模块介绍 : 系统的 硬件结构主要由温度检测电路、信号调制电路、 A/D 转换电路、键盘与显示电路、串行通讯模块、看门狗电路、报警电路、驱动电路和输出控制电路等部分组成。 下面，我们分别对几个主要模块进行一下详细介绍。 (MCC): 主控单元采用 ATMEL 公司的 AT89C51 控制芯片，是一种高性能、低电压、温度传感器组 放大调制电路 键盘与显示电路 串行通信 单片机 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 潍坊学院本科毕业设计（论文） 12 低功耗的 8 位 CM05 微型处理器，它具有 40 针脚，与 51 系列单片机的指令、管脚完全兼容。 具有 4K 字节片内程序存储器，并且是 FLASH 工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，同时，写入单片机内的程序还可以进 行加密，因而可以有效地保存数据信启、。 由于本系统主要用于冷却水温度的测控，片内具有的 4K 字节己经能够满足系统设计需求。 此外， AT89C51 还具有 128 字节 RAM， 32 条可编程 I/O 口线， 2 个 16 位 可编程定时计数器， 6 个中断源， 1 个串行 l/O 日，片内振荡器和时钟电路。 在控制软件的支持下， CPU 对外围电路进行控制、计算，将温度检测电路输入的温度测量数值进行处理，并扫描、显示，同时将计算得到的控制结果输出给控制电路对执行机构进行操作，完成整套控制过程。 AT89C51 的接口电路有 ADC080 827 MAX23 4N2CD4052 和 X25045 等芯片。 其中， ADC0809 作为温度测量电路的输入接口， 8279用于键盘、 LED 数码管 数码管 显示电路的接口 ， MAX232 是单片机与上位计算机的串行通讯接口， 4N25 和 CD4052 控制系统输出， 包括光电祸合和模拟开关等元器件， X25045 是硬件看门狗电路。 我们将在后面着重介绍这些接口电路。 图 是 AT89C51 芯片管脚分配示意图。 图 AT89C51 芯片管脚分配示意图 2．温度检测电路 ： 根据 温度测量电路的结构图。 温度传感器采用的是铂电阻 Pt100，带有不锈钢钢套，具有良好的精度指标和稳定性，在 0~150℃的范围内，其电阻值与温度成线性变化，性能优良，成本低。 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 (0~100℃时 )与阻值的关系如下表 3l 所示。 温度 0 25 50 75 100 阻值 100 表 31ptl00 铂电阻温度与阻值的关系 可 见，其关系不是严格线形的，不过由于温度系统对温度精度要求 不高，可AT89C51 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ADC0809 8279 XE555 X25045 MAX232 4X25 电机驱动电路 CD4052 潍坊学院本科毕业设计（论文） 13 以按照具有线形关系处理。 3． A/D 转换电路 : A/D 转换电路中采用了比较常用的 ADC0809 芯片。 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 ℃。 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 给出了 ADC0809 与 AT89C51接口图。 在硬件连接时， IN0~IN7 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 ADC0809 接口电路示意图 : 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AT89C51 ALE WR EA P RD 输入信号 G74LS373 分频 CLK ADDA REF（ +） ADDB REF（ ） ADDC。