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

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1、潍坊学院本科毕业设计（论文） I 目 录 摘要 .1 ABSTRACT.2 第 1 章 绪论 .3 1.1 课题提出的背景 .3 1.2 船舶柴油机冷却水温度控制技术发展历程 .3 1.3 本课题研究的主要内容 .4 1.4 系统研究的应用前景 .5 第 2 章 温度控制系统介绍 .7 2.1 系统的构成 .7 2.1.1 系统硬件框图 .7 2.1.2 系统各组成部分功能说明 .8 2.2 系统的性能指标 .9 2.2.1 系统主要的技术指标 .9 2.2.2 系统的性能特点 .10 第 3 章 系统的硬件开发 .11 3.1 系统电路结构原理图 .11 3.2 系统各主要模块介绍: .11

2、 第 4 章 系统的软件开发 .16 4.1 温度控制算法的确定 .16 4.1.1 系统传递函数和温度控制算法: .16 4.1.2 算法介绍: .17 4.1.3 算法中各系数的整定: .21 4.2 系统的软件设计 .22 4.2.1 上位 PC 机监控软件设计 : .23 4.2.2 下位单片机软件设计: .24 潍坊学院本科毕业设计（论文） II 第 5 章 系统的可靠性研究 .28 5.1 系统硬件设计中可靠性问题的解决 .28 5.2 系统软件设计中提高可靠性的方法 .30 第 6 章 结论 .32 第 7 章 结束语 .33 参考文献 .34 附录 .35 致谢 .36 潍坊学

3、院本科毕业设计（论文） 1 基于单片机的柴油机冷却水温度控制系统的设计 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。 本课题的研究正是适应了这种发展趋势，将单片机应用于船舶主柴油机冷 却水温度自动控制系统中。课题首先对温度测控系统各环节进行了功能需求分 析，明确了本温控系统所要达到了技术要求，从

4、而为随后的系统设计打下了坚 实的基础；然后又根据系统所要实现的功能进行了硬件元器件的选择和软件算 法的确定;最后，本课题最终给出了基于单片机的船舶柴油机冷却水温度控制系 统的整套软硬件设计方案。同时，又讨论了有关提高控制系统可靠性的软硬件 解决措施，因而更进一步完善了系统的整体设计方案。根据本课题的研究，我 们将单片机控制方式成功地引入了船舶设备自动控制领域，丰富了船舶自动控 制技术，也为今后轮机自动化技术的发展探索了一条 行之有效的道路，具有广 阔的发展空间。 关键词：船舶，冷却水系统，单片机，温度控制，可靠性 潍坊学院本科毕业设计（论文） 2 The MicrocontrollerBase

5、d Main Engine Cooling Water Temperature Control System Abstract With the highly speedy development to of computer technology，measurement apparatus，and control technology，more and more advanced technology，equipments and methods for measurement and control are applied in modern automation control real

6、m .In these numerous advanced measurement and control technology，because of the enhanced performance and reduced price of single chip microcomputer，making the advantage that its ratio of performance to price been obvious .Therefore，how to apply the single chip microcomputer to ship automation contro

7、l realm，it becomes the one of questions for discussion in ship engine automation，more and more scientific research organization attach importance to it. This work of this monograph adapts to the development tendency，applying the single chip microcomputer to cooling water temperature automation contr

8、ol system of ship main engine. First of all, the monograph analyzes the function demand of all modules of the control system，specifies the technique request，it provides a solid foundation for the subsequent system design ; then，confirms the choice of the hardware parts and the software arithmetic ac

9、cording to the system function: finally， this monograph provides a whole plan about hardware and software design for the al1 main engine cooling water temperature control system that based on single chip microcomputer. At the same time，discusses about hardware and software design methods for improvi

10、ng the reliability of the control system，these methods perfect the whole system design. According to the research of this monograph，we successfully introduce the single chip microcomputer to ship engine automation control realm，it enriches the automation control technology and explore an effective w

11、ay for ship engine automation. It has a wide development space. Keywords: Ship; Cooling Water System: Single Chip Microcomputer: Temperature Control: Reliability 潍坊学院本科毕业设计（论文） 3 第 1 章 绪论 1.1 课题提出的背景 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

12、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。 我们知道，船舶主柴油机动力装置运转时，有许多机械、设备等的运动部 件将会产生热量，而燃烧的燃气和压缩的空气也会散发出大量的热量，为了保 证受热部件的温度不致于过高而影响其正常工作，或者不致于因热负荷过大而 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

13、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。综合以上的各种不利因素，我们认为， 此类控制系统已经无法满足日益提高的控制性能需求，必须采用新的控制方式。 鉴于此，我们提出了基于单片机控制的船舶柴油机冷却水温度控制方法。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

14、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 船舶柴油机冷却水温度控制技术发展历程 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，船舶柴油机冷却水温度控制是采用直接作用方式。 这是一种早期的

15、反馈式控制方式。其特点是，他们都不需要外加能源，而是根 据在冷却水管路中的测量元件内充注的工作介质的压力随温度成比例变化而产 生的力来汽接驱动二通调节阀，进而改变流经淡水冷却器的淡水流量和旁通淡 水流量，从而进行温度调节的。这种控制方式的缺点也是显而易见的，测量元 潍坊学院本科毕业设计（论文） 4 件内充注的工作介质对密封性要求很高，如果造成测量元件内充注的工作介质 泄漏，那么其本身的压力就不能随温度成比例进行变化，因而使得温度控制失 去作用。同时，其控制精度不高，冷却水温度变化较大，对船舶柴油机的稳定 运行不利。 2气动式控制方式： 在 20 世纪 70 年代末期，船舶柴油机冷却水温度控制是

16、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的密闭性要求也很高，如果控制气压信号有所损失，使得 控制精度降低，效果减小。因此，这种控制方式现在也很少采用了。 3电动式控制方式: 在 20 世纪 80 年代中期，船舶柴油机冷却水温度控制是采用气动式作用方 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

17、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

18、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

19、短了柴 油机的使用寿命等。 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。首先，我们介绍一下现代远洋船舶绝大多数所采用的中 央冷却系统的工作过程。利用船舷外的海水泵输送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。因此，这种冷却系统中就有两个冷却水回路:一个是低温回路，就是 由舷外海水来冷却低温淡水的回路，因为海水的流入和流出不是一个闭合的过 程，因此又称为开式冷却;另一个是高温回路，就是由低温淡

20、水来冷却高温淡水 潍坊学院本科毕业设计（论文） 5 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 l.1 为船舶中央冷却系统简化框图: 图 1.1 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： 其一，本课题的攻关任务:研究船舶柴油机冷却水温度控制系统，开发出具 有智能控制装置，实现对温度进行测量和控制; 其二，本课题的目标:提供具有温度

21、测控功能的智能控制设备一套 ; 其三，课题研究的技术关键： 多点测量:分别在船舶柴油机中央冷却系统的高温淡水的进口和出口、低 温淡水的进口和出口处安装了温度传感器。采用“进口处温度测控，出口处报 警”的方式，这样，使整个系统各循环回路的温度均可自动调节，提高了整个 系统的适应性和控制精确性: 通讯方式:在系统设计中，我们分析了多种单片机与上层控制计算机的通 讯方式，最终实现了 RS-232 串口通讯接口，有利于系统今后的扩展; 控制算法:分析了几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; 另外， 系统设计时充

22、分考虑了对船舶原有的资源进行合理利用，应用原有的计算机和 打印机来搭建整个系统的计算机控制中心(上位机)，应用现有的船舶网络进行 系统通讯和数据传输。 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 海水泵 淡水泵 淡水泵 低温淡水膨胀 水箱 高温淡水膨 胀水箱 淡水冷却 器 中央冷却器 船舶柴油机 海水 舷外 潍坊学院本科毕业设计（论文） 6 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

23、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船舶工业的 发展和延伸，以计算机为中心的自动化控制是当今世界范围内的工业技术革命 的核心之一。计算机测控技术可以实现综合自动化和生产过程最优控制，是使 得在现代远洋船舶上工作的人提高工作效率，减轻工作强度的有效保证。因此， 这项测控系统具有良好的市场发展空间。 2课题的实用性及前瞻性: 现代船舶工业的快速发展，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

24、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。 3本课题的社会效益: 本课题是以测控智能化为宗旨，旨在为现代远洋船舶提供有效、实用的温 度测控方法。这一方面是对当前船舶工业温度测控技术的更新，另一方面也为 现代远洋船舶主柴油机提供了良好的运转环境。此外，对于生产船舶工业智能 控制器的厂商来说，他们在推广应用这项成果中，将会获得可观的经济效益。 潍坊学院本科毕业设计（论文） 7 第 2 章 温度控制系统介绍 2.1 系统的构成 整个船舶柴油机冷却水温度控制系统主

25、要由计算机控制中心(上位机)和打 印机、远程通讯模块、单片机测控平台(下位机.)、温度传感器组、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，计算机控制中心中的计算机和打印机可以利用船舶原有资源，安 装串行通讯软件，实现与单片机系统的通讯:温度采集模块是由分布在柴油机冷 却水系统各部分的温度传感器组成的，采用了具有良好性能的感温元件，用来 测量冷却水的温度;单片机测控平台是是本课题最重要的研究内容，它内置单片 微处理器，智能化设计，可以独立工作又可以与上位机组成通讯网络，同时还

26、 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。 同时，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 却水回路，因此，在设计本船舶柴油机冷却水温度控制系统时，我们分别对这 两个冷却回路进行设计，其实际方法基本相同。在本文的论述中，我们仅以高 温冷却水回路的温度控制设计方法进行详细说明，低温冷却水回路的方法基本 类似，因此不作介绍。 2.1.1 系统硬件框图 整个系统的硬件组简图如图 2.1 所示。 图 2.1 系统硬件组成图 RS-232 通信

27、方式 计算机控制中 心（上位机） 单片机检测平 台（下位机） 温度数据采集 （温度传感器 组） 执行机构（伺 服电机、调节 阀） 打印机 潍坊学院本科毕业设计（论文） 8 2.1.2 系统各组成部分功能说明 下面，我们分别对计算机管理控制中心(上位机)和打印机、远程通讯模块、 单片机测控平台( 下位机) 、温度传感器组、执行机构和控制软件等部分进行详 细的说明: 1 计算机管理控制中心(上位机)和打印机: 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 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

28、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远程通讯模块: 为了便于上位机(计算机) 和下位机(单片机) 的通讯，我们采用了标准 RS- 232 串行通讯规范。通过 RS-232 接口，单片机可以将采集到的温度数据传输到 计算机中，从而可以利用计算机的强大处理能力对数据进行分析和存储，以及 连接打印机对数据进行打印保存。 同时，我们知道，RS-232 通

29、讯标准的有效传输距离受到一定的限制，只有 15 米左右，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 RS-232 转 RS-485 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

30、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 0-99.9; 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 0-99.9；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

31、、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

32、控制过程，使柴油机冷却水温度稳定在设定数值， 潍坊学院本科毕业设计（论文） 9 或是设定数值周围，从而达到自动控制温度的目的。 4.温度传感器组: 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

33、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

34、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 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

35、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。 2.2 系统的性能指标 2.2.1 系统主要的技术指标 1.测温范围:099.9 : 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 099.9之间，三位 LED 数码管显示，其显示数值范围是 000-999，代表温度 范围是 0-99.9。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:

36、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 潍坊学院本科毕业设计（论文） 10 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。 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

37、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。 6.通讯功能: 利用尺 5-232 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。 2.2.2 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

38、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

39、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: 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 3.1 系统电路结构原理

40、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

41、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。 3.2 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。 1.主控单元(MCC): 主控单元采用 ATMEL 公司的 AT89C51

42、 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

43、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 ADC0809、8279、MAX232、4N25、CD4052 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，

44、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 3.2 是 AT89C51 芯片管脚分配示意图。 图 3.2 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 0150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(0100时) 与阻值的关系如下表

45、 3-l 所示。 温度 0 25 50 75 100 阻值 100 109.73 119.40 128.98 138.50 表 3-1ptl00 铂电阻温度与阻值的关系 AT89C51 P0.0P0.7 P0.0P0.7 P3.0P3.1 P1.3P1.5 P1.0P1.2 P1.6P1.7 P2.5 P2.6P2.7 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 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， 可以按照具有线形关系处理。 3A/D 转换电路: A/D 转换电路中采

46、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 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 3.3 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。温度传感器传来的检测信号 经过模拟/数字转换后，变成单片机

47、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 3.3 ADC0809 接口电路示意图 4.键盘与显示电路: AT89C51 ALE P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 WR EA P RD 输入 信号 G74LS373 分频 CLKADDA 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 潍坊学院本科毕业设计（论文） 14 由于 CPU 管脚的数量有限，因此对键盘和显示电路

48、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

49、理。显示程序的执行过程是:首先 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

50、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

51、示的就是测量温度数值。 5.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 接口直接相连。由于单片机串行口的输入输出都是 TTL 电平， 而上位计算上的 RS-232 接口为了提高抗十扰性能，采用的是 RS-232 标准中 EIA 电平，EIA-RS-232C 是用正负电压来表示逻辑状态 (逻辑“1”:-3-15V；逻 辑“0”:+3-+15v)，与单片机中 TTL 以高低电平表示逻辑状态的规定不同，因 此，为了能够实现上位计算机与单片机之间的串行通讯，必须在 EIA-RS-232C 与 TTL 电路之间进行电平和逻辑关系的变换

52、。我们选用了 MAXIM 公司的 MAX232 芯片来完成这两种电平之间的转换工作。采用了 RS-232 接口中的 RD(接收数据线) 、TD( 发送数据线 )、GND(信号地 )三条引脚来完成计算机与单 片机的双工通讯任务。 6.声光报警电路: 为了系统的安全运行，我们对冷却水温度进行上限或下限声光报警处理， 我们采用了如下的判断报警方法:以冷却水温度设定值 T 设为参考数值，则温度 变化的上限是 T:= T 设+5 ，下限是 T=T 设-5 .当测量到的冷却水温度持续增 加，高于上限 时，即 T ，时，则上限报警状态值 THA=l;当测量到的冷却11 水温度持续减少，低于下限 时，即 时，

53、则下限报警状态值 TLA=l。这22T 样，当出现上、下报警状态值(THA，TLA) 为 1 的情况时，就会触发系统报警 潍坊学院本科毕业设计（论文） 15 电路。上图中左侧是实现超限声光报警的电路。我们采用了一片时基集成电路 NE555，将其接成振荡工作状态，同时，将 NE555 的复位端“4”与 AT89C51 的 引脚反相连接。当系统被测参数在正常范围内时，AT89C51 的 引脚输ZP ZP 出端为高电平，经过反相后为低电平，这样，NE555 的复位端“4”处于低电平 (零电位) ，NE555 电路处于稳态，被迫停止振荡，则输出端“3”恒为低电平， 扬声器(SP)无声，9014 三极管

54、(NPN 极性)截止，报警灯不亮，使报警电路不工 作;当系统被测温度出现高于上限或者低于下限的情况时，即上、下报警状态值 (THA，TLA)为 l，AT89C51 启动自身定时器，使其 引脚输出端输出连续脉ZP 冲波形(或连续方波) ，这样，NE55.:时基电路根据其复位端 “4”的信号变化， 在它的输出端“3”产生频率的输出，输出信号给继申器(J)动作信号，继电器常 开开关闭合，推动扬声器(SP)工作，获得声音报警信号，报警灯同步闪亮。 7.执行机构: AT89C51 根据采样的温度数值对其进行相应规则的计算、处理、判断后， 得出控制结果，从 AT89C51 的 P2 口输出相应的控制信号，

55、此控制信号为 0、1(低、高电平) 连续脉冲信号，经过光电隔离器 4N25 和 CD4052 后，去控制 继电器动作，再经过继电器控制三相伺服交流步进电机，步进电机是以脉冲方 式进行工作的，线圈中每输入一个脉冲，转子就旋转一个步距角，因此，可以 由电机的正转或者反转来调节三通调节阀的开度，因而使冷却水温度得到控制。 其中， 口输出的高低电平的占空比，有 PID 控制算法来决定，从而实现了系ZP 统闭环自动温度控制。 由于实验条件的限制，在本课题实施的过程中，没有相应的执行机构进行 结果试验，无法得到其电气参数，因而对输出部分电路结构就不作介绍。在本 论文的叙述中，仅仅说明输出控制相应执行机构的

56、工作原理，并不作设计详细 说明。 潍坊学院本科毕业设计（论文） 16 第 4 章 系统的软件开发 4.1 温度控制算法的确定 4.1.1 系统传递函数和温度控制算法: 根据硬件设计的原理图可以画出系统控制框图，如图 4.1 所示。 4.1 系统控制框图 图中，TS 是系统给定温度值 是以 BCD 码，由键盘或者上位机输入。程序 （S）的作用就是将 TS 的 BCD 码转换成单片机可以识别的二进制码，由软TD 件来承担。)(Z) 是本系统的温度控制算法，将由下文给出。 由于本系统的执行机构需要的是扮制量的增量，即驱动的是步进电动机， 因此，控制算法 D（Z）的输入是给定温度数值 r 与系统测量数

57、值 y(t)之间的差 值，经过单片机的软件计算，输出的是控制增量u(k)。被控对象的输出是 c(t)， 输入是步进电机的输出 u(t)。同时，由温度传感器及信号处理模块等组成了反 馈回路。我们通过对冷却水温度调节过程进行了详细的分析，很容易发现，船 舶柴油机冷却水的温度控制系统还具有明显的纯滞后特性。这是由于温度传感 器安装在柴油机冷却水的进口和出口处，而控制作用却是在相对较远的三通调 节阀上实现的。因此，当执行机构施加了控制作用以后，冷却水的温度并不是 马上发生变化，无法反映控制作用，而是要等到冷却水流过了淡水冷却器，两 路水流混合后，再到达温度传感器处，被测温度的变化才能反映出控制效果。

58、因此，我们确定冷却水温度控制系统的传递函数时，必须要考虑到此纯滞 后特性。一般来说，冷却水温度变化滞后于控制作用的时间为 t，则 t 应该由以 下的表达式给出，即 t=L/V。其中，L 是冷却水流经管路的长度，单位是米(m) ， v 是冷却水流动速度，单位是米/秒(m/S)。滞后时间 t 的单位秒(s)。在不同船舶 的中央冷却系统中，系统的管路长度和水流速度都是不同的，要根据具体的情 况进行具体分析和计算。目前，应用在远洋船舶上的大多数模拟式冷却水温度 调节器都是采用的相对简单的控制规律。比如，MR -型调节器采用了即调节 r y(t) c (t) u(k)e(k) （STD ） D(Z) 步

59、 进 电 动 机 执行 机构 被控对象温 度 传 感 器 信号 处理 潍坊学院本科毕业设计（论文） 17 规律(比例微分调节规律) ， 由于此类调节器的调节作用中没有积分调节作用，而积分环节的作用是消 除静态误差，提高系统的无差度。因此，在系统中必然会产生静态误差，因而 就会出现长时间使被控对象脱离最佳工作点的情况，使得执行机构反复进行执 行动作，加速了执行机构的磨损等;而另一种常见的冷却水温度调节器 TELEPERM 型，采用的是内调节规律(比例积分调节规律 )，没有微分作用，而 微分环节的作用是能够反映偏差信号的变化趋势(或者变化速率)，并且能够在 偏差信号数值变得太大之前，在系统中引入一

60、个有效的早期修正信号，从而加 快系统的动作速度，减少了系统的调节时间。因此，此类调节器没有了微分作 用，而且冷却水温度又是属于惯性环节较大的控制对象，使系统超调会比较大， 调节时间长，汲易变成积分饱和，使系统的动态特性变差，甚至出现长时间振 荡。鉴于现有的此类控制器的种种控制规律存在的问题，我们在本温度控制系 统中采用了 PID 控制规律(比例积分微分作用)，使得系统没有静态误差，动态 特性也得到良好改善。 同时由于上文中分析的冷却水温度的这种纯滞后特性的影响，我们对控制 对象的描述是用一阶惯性加纯滞后环节。因此，温度控制系统的传递函数可以 表达为： STeKG n1)( 其中，K 为控制对象

61、的静态增益: 为惯性环节时间常数;c=t，为纯滞后时1T 间。我们知道，对于带纯滞后时间对象的反馈系统当频率高时是不稳定系统， 纯滞后降低了系统的稳定性。当纯滞后时间比较小时，可以直接采用 PID 控制; 但是，当T0.5 时，再采用常规的 PID 控制，就无法取得良好的控制效果了， 特别是当纯滞后时间较大时会产生系统的持续振荡。在本系统中，纯滞后时间 与惯性环节时间常数的比值，远远大于所要求的 0.5，这就要求我们必须选择另 外一种控制算法。因此，我们选择了基于 smith 预估器补偿的 PID 控制算法。 4.1.2 算法介绍: 本系统采用基于 smith 预估器补偿的 PID 控制算法。

62、下面我们分别介绍一 下这两种控制算法的主要特点。(l)PID 控制算法:PID 控制算法我们已经非常熟 悉，PID 控制算法即比例、积分、微分控制，是目前应用最为广泛的一种控制 规律。P1D 控制的基本算法是这样的:PID 控制器是一种线性控制器，它是根据 给定值 r(t)与实际输出值 C(t)构成了控制偏差，如下式 : (4-1)()(tcrte 然后将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对波控对象进 行控制的，其控制规律如下: (4-2)dteTtetKtuDp )()(1)()( 将上式(4-2)改写成传递函数形式如下: (4-3)1()(TSSEUsGP 潍坊学院本科毕业设计

63、（论文） 18 式中: 比例系数;pK 积分时间常数;1T 微分时间常数。D 总体来说，PID 控制器的各个校正环节的作用如下: 比例环节:比例环节可以及时成比例地反映控制系统的偏差信号 e(t)偏差 数值一旦产生，控制器就会立即产生控制作用，用以减少和纠正偏差，及时性 和快速性。 积分环节:积分环节的作用主要是用来消除控制系统静态误差，提高系统 的整体无差度。积分作用的强弱主要取决于系统的积分时间常数 ，当 的数1T 值越大，则系统的积分作用越弱;当 的数值越小，则系统的积分作用越强。1T 微分环节:微分环节能够及时反映系统偏差信号的变化趋势 (或者数值变 化速率) ，并且能够在偏差信号变得

64、过大之前，在控制系统中引入一个有效得早 期修正信号，从而可以加快系统的动作速度，减小调节过程的时间，因而减小 了系统的超调量，增加系统的稳定性。 在计算机控制系统中，使用的是数字 PID 控制器。即，计算机控制是一种 采样控制方法，它只能根据采样时刻的偏差数值来计算控制量，因此，在式子 (4.3)中的积分项和微分项下能直接进行计算，必须进行数字离散化处理之后， 才能被计算机应用。因此，我们把式子(4.2)进行一系列转化: 以一系列的采样时 刻点 kT 代表连续时间 t，以求和的方式代替积分运算，以求增量商值的方法来 代替微分运算，进行如下近似变换: (4-4)TkeTkedtejJtkTkik

65、jt )1()1)(,.)20(000 式中:T叫作系统采样周期。 显然，在上述的离散化处理过程中，只有采样周期足够短才能保证近似转 化有足够的计算精确度将式子(4-4)代入到式子(4-2)中，就可以推导出数字 PID 的控制算法表达式为: （4-)1()()()(0 keKjekeKuDkjp 5） 式中： k采样时刻序号，k=0，l，2，: u(k)第 k 次采样时刻的计算机输出数值; e(k)第 k 次采样时刻的输入偏差数值; e(k 一 1)第(k-l)次采样时刻的输入偏差数值; 积分系数，由 表示;j jpjTk 微分系数，由 表示:DkD 潍坊学院本科毕业设计（论文） 19 同时，

66、又由于上文介绍的，本系统的执行机构需要的是控制量的增量，即 驱动的是步进电动机，因此，所使用的控制算法是增量式 PID 控制算法。由式 子(4-5) 提供的增量 PID 控制算式，根据递推原理可以得到以下两个相近的算式： （4-)2()1()()1()1( 100 keKjekeKkukDjJpDJ 6） 两式相减可得以下关系式： （4-)2()1(2)()( )2(11 kekeKkeK keuDjp Dj 7）式中： （4-8） 式子（4-8 ）称为增量式 PID 控制算法。我们可以将式子(4-8)进一步改写为 以下关系式: （4-)2()1()()( kCeBkAu 9） 式中： TKC TDpD)21( 可以看出，A、B、C 都是与采样周期 T、比例系数 、积分时间常数pK 微分时间常数 等有关的系数。由于在计算机控制系统中是采用的恒定的采1TD 样周期 T，这样，当我们进行计算时，只要确定了比例系数 ，积分时间常数p 、微分时间常数 T，这三个数值，只要使用前后三次测量数值的偏差，就可1 以使用计算机执行软件计算出控制增量来，准确性高。至于 、 、 这三p1TD 个数值的确定