高淑芝， 郎 丹

(沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

當(dāng)今社會對水溫的控制已經(jīng)滲透到方方面面，對生活生產(chǎn)中各個(gè)環(huán)節(jié)都造成不同程度的影響，所以對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控具有很重要的意義[1-3].在工業(yè)生產(chǎn)中，對溫度控制系統(tǒng)的要求主要是保證溫度在一定范圍內(nèi)變化，穩(wěn)定性較好，震蕩幅度較小[4].例如石油開采、運(yùn)輸以及污水的排放；化工生產(chǎn)中反應(yīng)釜內(nèi)液體溫度;對高層建筑水溫度壓力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[5];養(yǎng)殖業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控水溫[6]等，這些都要求水溫控制在一定范圍之內(nèi).通過精確的溫度控制，可以滿足工藝要求、生產(chǎn)安全、提高工藝水平、產(chǎn)品質(zhì)量，并且能夠降低勞動(dòng)成本.文獻(xiàn)[7]針對船舶柴油機(jī)冷卻水溫度大慣性、易超調(diào)等問題，在船舶柴油機(jī)高溫冷卻水溫度控制系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，通過PLC S7-200來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，利用仿真軟件對控制效果進(jìn)行了仿真對比試驗(yàn).文獻(xiàn)[8]在單片機(jī)中加入PID來對鍋爐水溫中的測量數(shù)據(jù)和設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使水溫穩(wěn)定在設(shè)定值.李昌祿等人采用STC89C52單片機(jī)與溫度傳感器DS18B20構(gòu)成采集電路，結(jié)合PID算法進(jìn)行加熱系統(tǒng)的水溫控制，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[9].Alfa Laval公司開發(fā)的控制系統(tǒng)不僅能夠?qū)Φ疁囟冗M(jìn)行調(diào)節(jié)，而且具有根據(jù)熱負(fù)荷的變化對海水泵進(jìn)行流量模式轉(zhuǎn)換的功能，同時(shí)系統(tǒng)還能夠定時(shí)對海水系統(tǒng)進(jìn)行清洗[7].

本文針對船舶柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)冷卻水溫度控制不穩(wěn)定問題，采用基于AT89C51單片機(jī)進(jìn)行冷卻水溫控制.船舶柴油機(jī)是船舶內(nèi)重要組成部分，其冷卻水可帶走這些熱量，從而保障受熱部件處于正常溫度進(jìn)行工作.柴油機(jī)冷卻水溫度低于30 ℃以下，會使氣缸的磨損增加；冷卻水溫度過高，柴油機(jī)燃燒不正常，容易引起敲缸、爆燃，同時(shí)機(jī)油變質(zhì)和燒損嚴(yán)重，柴油機(jī)功率降低，燃油耗、機(jī)油耗增加.精確控制冷卻水的溫度,對于提高柴油機(jī)的動(dòng)力性、減少廢氣的產(chǎn)生、降低燃料消耗量等方面有著重要的意義[7].本系統(tǒng)以AT89C51為核心、DS18B20為溫度采集模塊、液晶屏LM016L為溫度顯示模塊、獨(dú)立按鍵為信息輸入模塊、Keil為C程序編譯器、Proteus為仿真軟件設(shè)計(jì)整個(gè)模塊功能[10]，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件的交互仿真.系統(tǒng)啟動(dòng)后，可通過獨(dú)立按鍵調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)溫度值.高于標(biāo)準(zhǔn)溫度蜂鳴器報(bào)警、加熱裝置停止加熱，低于標(biāo)準(zhǔn)溫度值時(shí)，蜂鳴器停止報(bào)警，加熱裝置開始加熱，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對溫度的自動(dòng)控制.此系統(tǒng)不僅可用于遠(yuǎn)程環(huán)境的監(jiān)測與控制，還可用于有著惡劣環(huán)境的作業(yè)現(xiàn)場.

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為控制核心，采用單個(gè)溫度傳感器對溫度進(jìn)行檢測，以LM016L顯示溫度，繼電器間接控制加熱裝置.系統(tǒng)總體控制框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Block diagram of system

1.2 模塊劃分

根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將其分成5個(gè)子模塊：單片機(jī)核心控制模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、溫度處理模塊、溫度顯示模塊和溫度采集模塊.通過Keil編輯程序，在Proteus仿真軟件上仿真出來.

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

溫度高于設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)溫度，則蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，繼電器動(dòng)作；溫度低于設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)溫度，蜂鳴器停止報(bào)警，繼電器復(fù)位，系統(tǒng)啟動(dòng)設(shè)置默認(rèn)為24 ℃，如圖2所示.

圖2 總體設(shè)計(jì)圖Fig.2 General layout scheme

2.2 模塊功能簡介

2.2.1 單片機(jī)核心控制模塊

AT89C51是一種低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)，其內(nèi)部的只讀存儲器擦寫壽命可達(dá)1 000次.AT89C51包含4 K字節(jié)FLASH存儲器和128 B的片內(nèi)RAM，2個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，4個(gè)并行I/O端口.P0口根據(jù)使用情況，可以工作在普通漏極開路的8位準(zhǔn)雙向I/O端口，每一位可帶8個(gè)LSTTL類型的負(fù)載.它的驅(qū)動(dòng)灌電流為1.6 mA，拉負(fù)載能力為幾十微安.需要輸出高電平時(shí)，要連接上拉電阻.P1口能且僅能作為I/O端口使用，它是準(zhǔn)雙向I/O并且自帶上拉電阻，每一位最多可以驅(qū)動(dòng)LSTTL負(fù)載數(shù)為4個(gè).P3口是8位準(zhǔn)雙向I/O端口，且自帶上拉電阻.P2有兩種工作方式：一是可以作為普通帶上拉電阻的I/O端口，二是可以作為訪問片外存儲器時(shí)的8位地址線.如果構(gòu)建單片機(jī)核心模塊的最小系統(tǒng)時(shí)，需要1個(gè)11.059 2 MHz的晶振，2個(gè)33 pF的電容[11].

2.2.2 溫度采集模塊

DS18B20具有體積小巧，性能可靠，有著極強(qiáng)的抗干擾能力，還具有與微處理器無縫配合等特點(diǎn).它的測溫范圍是-55～125 ℃，誤差僅為0.5 ℃.采用單總線控制方式，與主機(jī)通信時(shí)，僅憑單總線即可完成雙向通訊.抗干擾能力強(qiáng)，可適應(yīng)環(huán)境惡劣的現(xiàn)場.并且可通過控制一條單線來測量多點(diǎn)的溫度.將AT89C51的P3.7端口分配給DS18B20的DQ端口作為數(shù)據(jù)線使用.溫度可使用面板上的兩個(gè)按鈕控制，如圖3所示.

圖3 DS18B20顯示面板Fig.3 DS18B20 display board

2.2.3 溫度顯示模塊與獨(dú)立按鍵模塊

LM016L是液晶顯示屏幕的核心，其中控制器HD44780有著強(qiáng)大功能的指令集，可以輕松使字符閃爍、移動(dòng)等.LM016L與單片機(jī)的通訊可采用兩種方式：4位傳輸方式或者8位傳輸方式.獨(dú)立按鍵一端接地，另一端接在端口作為輸入量.如果不進(jìn)行延時(shí)消抖操作，會使系統(tǒng)產(chǎn)生很大誤差：實(shí)際按鍵1次，而系統(tǒng)卻檢測到按鍵被多次按下.消抖分為2種：軟件消抖和硬件消抖，基于成本的考慮，采用軟件消抖.

2.2.4 溫度控制和溫度報(bào)警模塊

蜂鳴器報(bào)警模塊由繼電器和有源蜂鳴器組成.繼電器輸入信號由單片機(jī)給定：當(dāng)輸入信號為1時(shí)，線圈通電，常開觸點(diǎn)閉合，蜂鳴器通電報(bào)警；當(dāng)信號為0時(shí)，線圈斷電，常開觸點(diǎn)復(fù)位，蜂鳴器斷電.

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 Proteus功能簡介

Proteus主要是針對單片機(jī)類的仿真，可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM等常用主流單片機(jī).Proteus是常用的單片機(jī)仿真軟件之一，也是唯一一款同時(shí)支持軟件及硬件仿真的軟件.Proteus有豐富的器件庫，并且提供仿真儀表資源，除此之外Proteus還具有顯示功能.通過Proteus來建立虛擬實(shí)驗(yàn)電路，然后進(jìn)行調(diào)試與仿真.AT89C51使用Keil編輯器，使用C語言來編寫DS18B2、LM016L、獨(dú)立按鍵等程序的設(shè)計(jì).其功能強(qiáng)大的元件庫和內(nèi)置Keil C編程為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)互動(dòng)的電路仿真與仿真處理器及其外圍電路，集編輯、編譯和程序仿真等于一體.Proteus可以直接與Keil編程軟件進(jìn)行調(diào)試，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)電路的驗(yàn)證[12].

3.2 Proteus與各模塊的創(chuàng)建

3.2.1 Proteus 工程文件的創(chuàng)建

打開軟件創(chuàng)建新的工程項(xiàng)目，設(shè)置項(xiàng)目保存路徑，在“Firmware”選項(xiàng)中，“Family”下拉菜單選擇“8051”,“Controller”選擇“AT89C51”,“Compiler”選擇“Keil for 8051”，如圖4所示.

圖4 創(chuàng)建設(shè)置界面Fig.4 Create setting interface

3.2.2 AT89C51最小系統(tǒng)的構(gòu)建

Proteus不提供最小系統(tǒng)，所以要自己構(gòu)建一個(gè)最小系統(tǒng).最小系統(tǒng)需要2個(gè)33 pF的電容，1個(gè)11.059 2 MHz的晶振，對于單片機(jī)來說，晶振尤為重要.選擇相應(yīng)原件，并添加到圖層中，電容設(shè)置如圖5所示.

圖5 電容設(shè)置界面Fig.5 Capacitance setting interface

選擇“Terminals Mode”，選擇“POWER”5V電壓輸入端.在Keil C51中使用項(xiàng)目進(jìn)行管理完成一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，需要進(jìn)行建立源程序文件、項(xiàng)目文件、編譯項(xiàng)目及調(diào)試程序和固化程序.

3.2.3 各模塊的構(gòu)建

將AT89C51的P3.7端口分配給DS18B20的DQ端口作為數(shù)據(jù)線使用，溫度可使用面板上的兩個(gè)按鈕控制.單片機(jī)的P0～P7對應(yīng)顯示屏的LM016L的DB0～DB7，RS對應(yīng)P2.6，E對應(yīng)P2.7，RW對應(yīng)P2.5.P0需要上拉電阻才能輸出高電平.獨(dú)立按鍵共有4個(gè):K1為單片機(jī)復(fù)位按鍵，K2為增加標(biāo)準(zhǔn)溫度，K3為減少標(biāo)準(zhǔn)溫度，K4為確定按鍵.K2分配 P1.1端口；K3分配 P1.2端口；K4分配 P1.3端口.

雙觸點(diǎn)繼電器常閉觸點(diǎn)控制加熱裝置，常開觸點(diǎn)控制蜂鳴器.繼電器用三極管間接控制通斷，信號由P1.0發(fā)出.若實(shí)際溫度高于標(biāo)準(zhǔn)溫度則P1.0輸出1，反之則輸出0信號.當(dāng)P1.0輸出1信號時(shí)，三極管導(dǎo)通，此時(shí)線圈通電，繼電器所有觸點(diǎn)均動(dòng)作，蜂鳴器報(bào)警、加熱裝置停止加熱.當(dāng)P1.0輸出信號為0時(shí)，三極管截止，此時(shí)線圈斷電.繼電器所有觸點(diǎn)均復(fù)位.此時(shí)蜂鳴器關(guān)閉報(bào)警，加熱裝開始加熱.

4 仿真研究

4.1 系統(tǒng)流程

整個(gè)系統(tǒng)的核心是基于AT89C51的單片機(jī)核心控制模塊，其工作原理是通過執(zhí)行AT89C51只讀存儲器中預(yù)先寫入的程序來控制外圍的4個(gè)I/O端口，從而達(dá)到對各個(gè)模塊控制的目的.溫度信號采集模塊是由溫度傳感器DS18B20組成，主要采集溫度并將數(shù)據(jù)上傳至核心模塊.DS18B20將采集的溫度數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)核心控制模塊AT89C51進(jìn)行處理，同時(shí)使液晶屏LM016L顯示當(dāng)前溫度.溫度處理模塊由繼電器控制，通過繼電器的通斷控制加熱系統(tǒng).蜂鳴器報(bào)警模塊對當(dāng)前溫度超過給定溫度時(shí)報(bào)警.系統(tǒng)基本流程如圖6所示.

圖6 系統(tǒng)基本流程Fig.6 System flow chart

4.2 仿真結(jié)果

回到工程主界面，單擊左下角的仿真按鈕，開始仿真.開機(jī)后系統(tǒng)等待確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)溫度，默認(rèn)為24 ℃.單擊增加標(biāo)準(zhǔn)溫度按鈕后，可見標(biāo)準(zhǔn)溫度增高了1 ℃.若單擊減少標(biāo)準(zhǔn)溫度按鈕，可見標(biāo)準(zhǔn)溫度減少了1 ℃.首先把DS18B20的模擬檢測溫度調(diào)節(jié)到20 ℃，標(biāo)準(zhǔn)溫度使用25 ℃.此時(shí)液晶屏的顯示結(jié)果為OFF.仿真過程以5 V燈泡代替加熱裝置，可見加熱裝置通電，蜂鳴器未報(bào)警.如果標(biāo)準(zhǔn)溫度為25 ℃，實(shí)際溫度為30 ℃時(shí)，可觀察到加熱裝置斷電，蜂鳴器已開始報(bào)警.

5 結(jié)束語

采用AT89C51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對船舶柴油機(jī)冷卻水溫度的控制.系統(tǒng)以單片機(jī)核心控制模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、溫度顯示模塊、溫度采集模塊對溫度進(jìn)行控制，通過Proteus仿真軟件對水溫控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，將采集的冷卻水溫度值與標(biāo)準(zhǔn)溫度值進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)智能加熱、報(bào)警等功能，進(jìn)而達(dá)到了對溫度系統(tǒng)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測與控制.