教学基于单片机的柴油机冷却水温度控制系统的设计

目录TOC\o"1-3"\u摘要 1Abstract 2第1章绪论 31.1课题提出的背景 31.2船舶柴油机冷却水温度控制技术发展历程 31.3本课题研究的主要内容 41.4系统研究的应用前景 5第2章温度控制系统介绍 72.1系统的构成 72.1.1系统硬件框图 72.1.2系统各组成部分功能说明 82.2系统的性能指标 92.2.1系统主要的技术指标 92.2.2系统的性能特点 10第3章系统的硬件开发 113.1系统电路结构原理图 113.2系统各主要模块介绍: 11第4章系统的软件开发 164.1温度控制算法的确定 164.1.1系统传递函数和温度控制算法: 164.1.2算法介绍: 174.1.3算法中各系数的整定: 214.2系统的软件设计 224.2.1上位PC机监控软件设计: 234.2.2下位单片机软件设计: 24第5章系统的可靠性研究 285.1系统硬件设计中可靠性问题的解决 285.2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TheMicrocontroller——BasedMainEngineCoolingWaterTemperatureControlSystemAbstractWiththehighlyspeedydevelopmenttoofcomputertechnology，measurementapparatus，andcontroltechnology，moreandmoreadvancedtechnology，equipmentsandmethodsformeasurementandcontrolareappliedinmodernautomationcontrolrealm.Inthesenumerousadvancedmeasurementandcontroltechnology，becauseoftheenhancedperformanceandreducedpriceofsinglechipmicrocomputer，makingtheadvantagethatitsratioofperformancetopricebeenobvious.Therefore，howtoapplythesinglechipmicrocomputertoshipautomationcontrolrealm，itbecomestheoneofquestionsfordiscussioninshipengineautomation，moreandmorescientificresearchorganizationattachimportancetoit..Thisworkofthismonographadaptstothedevelopmenttendency，applyingthesinglechipmicrocomputertocoolingwatertemperatureautomationcontrolsystemofshipmainengine.Firstofall,themonographanalyzesthefunctiondemandofallmodulesofthecontrolsystem，specifiesthetechniquerequest，itprovidesasolidfoundationforthesubsequentsystemdesign;then，confirmsthechoiceofthehardwarepartsandthesoftwarearithmeticaccordingtothesystemfunction:finally，thismonographprovidesawholeplanabouthardwareandsoftwaredesignfortheal1mainenginecoolingwatertemperaturecontrolsystemthatbasedonsinglechipmicrocomputer.Atthesametime，discussesabouthardwareandsoftwaredesignmethodsforimprovingthereliabilityofthecontrolsystem，thesemethodsperfectthewholesystemdesign.Accordingtotheresearchofthismonograph，wesuccessfullyintroducethesinglechipmicrocomputertoshipengineautomationcontrolrealm，itenrichestheautomationcontroltechnologyandexploreaneffectivewayforshipengineautomation.Ithasawidedevelopmentspace.Keywords:Ship;CoolingWaterSystem:SingleChipMicrocomputer:TemperatureControl:Reliability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:①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;②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，就是由低温淡水来冷却高温淡水的回路，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:海水泵淡水泵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:提供具有温度测控功能的智能控制设备一套;其三，课题研究的技术关键：①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:②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;③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。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。RS-232通信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）RS-232通信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、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。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:0~99.9℃: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0~99.9℃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: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。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。第3章系统的硬件开发3.1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3.1所示。温度传感器组放大调制电路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控制芯片，是一种高性能、低电压、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，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。AT89C51P0.0~P0.7P0.0~P0.7AT89C51P0.0~P0.7P0.0~P0.7P3.0~P3.1P1.3~P1.5P1.0~P1.2P1.6~P1.7P2.5P2.6~P2.7ADC08098279XE555X25045MAX2324X25电机驱动电路CD4052图3.2AT89C51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3-l所示。温度0255075100阻值100109.73119.40128.98138.50表3-1ptl00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，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。AT89C51AT89C51ALEP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0WREAPRD输入信号G74LS373分频CLKADDAREF（+）ADDBREF（-）ADDCADC0809D7D6IN7D5IN6IN5D4IN4D3IN3D2IN2D1IN1D0IN0STARTALEOEEOC图3.3ADC0809接口电路示意图4.键盘与显示电路: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。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;当测量到的冷却水温度持续减少，低于下限时，即时，则下限报警状态值TLA=l。这样，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(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冲波形(或连续方波)，这样，NE555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，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工作原理，并不作设计详细说明。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。ry(t)c(t)△ry(t)c(t)△u(k)e(k)（S）D(Z)步进电动机执行机构被控对象温度传感器信号处理图中，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。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-Ⅱ型调节器采用了即调节规律(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：其中，K为控制对象的静态增益:为惯性环节时间常数;c=t，为纯滞后时间。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。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)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)将上式(4-2)改写成传递函数形式如下:(4-3)式中:—比例系数;—积分时间常数;—微分时间常数。总体来说，PID控制器的各个校正环节的作用如下:①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。②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。③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)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:（4-5）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;—微分系数，由表示:同时，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：（4-6）两式相减可得以下关系式：（4-7）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:（4-9）式中：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、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、、这三个数值的确定，将在后文中介绍。(2)纯滞后补偿算法一一smith预估器:由上文介绍，本系统的简化传递函数为:但是由于被控对象具有明显的纯滞后特性，会导致系统的控制作用不及时，引起系统产生超调或者振荡的现象，所以我们采用了smith纯滞后补偿算法，利用计算机的计算性能好的特点来实现被控对象滞后补偿。smith预估器是得到广泛应用的时滞系统的控制方法。该方法的基本思路是:预先估计出系统在基本扰动下的动态特性，然后由预估器对时滞进行补偿，力图使破延迟了的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而抵消掉时滞特性所造成的影响，减小系统超调量，提高系统的稳定性，加速调节过程，从而提高了系统的快速性。smith补偿的原理是:与PID控制器并联一个补偿环节，用于补偿纯滞后的产生，这个补偿环节就是Smith:预估器，其传递函数如下所示:带有纯滞后补偿的系统框图如下图4.2。vdvd纯滞后补偿C(t)uerPID控制被控对象图4.2smith纯滞后补偿控制系统如图4.2所示，增加的补偿环节与被控对象组成了一个广义对象，其传递函数是:这样，可以将控制系统框图简化为图4.3所示:ueuerPID控制图4.3用Smith补偿后控制系统简化框图由上图我们可以看出，用srnith预估器进行纯滞后补偿之后，被控对象的纯滞后坏节被移到反馈回路之外，而系统的传递函数是简单的一阶惯性环节，在进行肛三调节时，不再存在因滞后带来的一系列问题，能够得到良好的调节效果，因而系统是稳定的。同时，纯滞后环节中，存在函数。在以往冷却水温度调节器是模拟仪表时，是很难实现的环节，但是现在用单片机控制时，可以很容易用执行软件计算的形式来实现。4.1.3算法中各系数的整定:我们在确定使用基于smith预估器补偿的PID控制算法之后，还要进一步确定PID算法中，比例系数、积分时间常数、微分时间常数三个具体数值。由于被控对象的/T的数值比较大，因而比较难于控制，所以在确定这三个数值时，我们应该遵循以下的原则:(l)比例环节中，由于被控对象的滞后时间比较长，因为比例环节的作用相对会小一些，因此比例系数的取值应该小一些;(2)积分环节中，考虑到被控对象的惯性较大，容易产生积分饱和现象，从而会使系统的动态性能变差，因此，要将积分时间常数的数值取得较大，即采用较弱的积分作用方式;(3)微分环节中，由于被控对象的纯滞后影响，使得系统超调会比较大，调节时间长，极易变成积分饱和，使系统的动态特性变差，甚至出现长时间振荡，因此，微分时间常数的取值应该大一些。通过以上对比例系数、积分时间常数微分时间常数三个具体数值取值的分析，我们在PID控制参数整定中，由经验法确定出本控制系统的采样周期为15秒，同时利用温度飞升曲线法来测定对象，然后利用Cohn一Coon公式来求解系统参数。本系统被控对象是一阶惯性纯滞后特性。Cohn-Coon公式如下：式中，系统的阶跃输入；系统的相应输出响应；被控对象飞升曲线为0.28时的时间；被控对象飞升曲线为0.632时的时间；经过计算，可以得到如下结果:由于，所以被控对象属于难于控制的情况，根据经验，对比例系数、积分时间常数、微分时间常数，进行设置初始数值，=3，=10，=1，并且在买际系统实验中逐步调节到最佳数值。下表(4-l)为进行实验数据记录:恒温温度采样时间（S）40~50℃151.81.480.0550~60℃152.11.540.0660~70℃152.31.620.0670~80℃152.61.660.07表4-1PID实验数据记录根据多次实验我们取得数值如下：=2.22=9.45=0.92本控制系统在PID参数设定在以上数值时实际系统运行结果如表(4-2)所示。恒温温度最大超调精度无误差时间40~50±1.6±0.875%50~60±1.3±0.779%60~70±1.0±0.681%70~80±0.9±0.584%表4-2实际系统运行结果表中，无误差时间是指运行过程中，温度无误差时间与恒温时间的百分比。可见，控制效果满足了我们对系统的要求，因而达到了温度控制的目的，取得了满意的控制效果。4.2系统的软件设计软件是整个控制系统设计的核心环节，它具有充分的灵活J目一和自由性，可以根据系统的控制要求而变化。如果说，硬件部分的设计具有通用性，那么软件设计则主要是针对某一特定控制对象，可以用来完成硬件设计不能达到的功能。单片机所具备的智能功能就是要由软件部分来完成。在本“基于单片机的船舶柴油机冷却水温度控制系统”的设计中，控制参数的输入和计算等都是需要软件来完成的。在进行软件设计时，软件的结构采用了模块化的设计思路，将本控制器所要完成的功能分别进行编写和调试，等到所有的模块都调试成功后，再将各个模块连接成整体，组成单片机软件系统。这样的设计思路，有利于程序代码的编写和优化，同时也便于设计、调试和日后的维护等。整个控制系统的软件设计包括上位PC机软件和单片机子系统软件两个部分。其中，上位PC机的软件主要是系统给定值的设定、历史数据的显示和于打印、异常报警、与单片机进行通信的各个程序;单片机子系统的软件是由主程序、采样(A/D转换)子程序、带Smith预估器的尸拍算法子程序、报警处理子程序、键盘和显示子程序、RS-232串行口通信子程序等组成。我们主要介绍单片机子系统的各个程序的编制。4.2.1上位PC机监控软件设计:本控制系统的上位机.监控软件的主要模块结构图如图4.4所示。参数设置报警处理参数设置报警处理串行通信检测平台界面历史数据记录图4.4上位机主要模块结构上位PC监控软件主要实现以下功能:(1)串行通信:主要是进行上位机和卜位机的通信模式配置，实现上位机与下位机之间的串行通信。我们在设计仁位机的通信软件时，利用VisualBasic编程工具实现。VB支持面向对象的程序设训，具有结构化的事件驱动编程模式，而且可以十分简便地做出良好的人机交互界面。在window、环境下，我们利用VB中提供的通信控件MSCOMM32.0CX，可以方便地对串行通信的各项参数进行设置，包括串口状态、通信格式和通信协议等。MSCOMM控件有很多属性，主要的有：①CommPor:设置并返回通信端口号，此属性反映了系统所使用的端口，如果使用上位匹机的COMI口，则设置:Commpor=1;②PortOpen:[TRUE/FALSE]，设置并返回通信端口的状态，或者打开和关闭端口。若系统进行串行通信时，此属性为TRUE;③:Input:从接收缓冲区中返回并删除数据;④Output:问缓冲区中写数据，可以是文本文件或者二进制文件，本系统设置为二进制数据;⑤Settings:以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位等。系统缺省设置为9600，N，8，1，表示波特率为9600，不进行奇偶校验，8位数据位，l位停止位。⑥CommEvent:返回最近的通讯事件或者错误。在与单片机通信时用到的串口事件如下表4-3所示:常数值属性描述ComEvSend1发送数据事件ComEvReceive2接受数据事件ComEvCD5检测到CD载波信号ComEvRing6检测到振铃ComEvEOF7文件结束标志表4-3串口通信事件当CommEVent属性的数值发生变化时，则触发OnComm事件，通过编程了解通信事件的类型后进行相应的处理。整个上位机软件的实现过程是这样的:在上位机上设定一个按钮“接收”，当按钮按下时，计算机便向单片机发出一个请求信号，单片机收到信息后，通过串口向计算机发送温度“设定值”和“测量值”。当计算机一旦检测到有数据过来。就触发MsComm通信控件的OnComm事件，通过检查CommEvent属性中ComEvReceive数值的变化，将收到的数据在计算机监控平台界面上显示出来。(2)数据显示、存储和打印:用户可以随时查看当前系统运行的各项参数，同时可以将数据导出到文件，以文本方，式将数据保存到一个文本文件中。同时，可以利用windows操作系统的打印功能将历史数据打印保存;(3)参数设定:用户可以对温度给定值进行设置，实时将设定值传送给单片机;(4)异常报警:当上位计算机检测到的实时温度数据超越了设定的上、下限温度数值时，启动报警程序，声光报警。4.2.2下位单片机软件设计:系统的下位单片机应用软件包括主程序、采样(A/D转换)子程序、带Smith顶估器的PID算法子程序、报警处理于程序、键盘和显示子程序、RS-232串行口通信子程序等主要模块。它们的模块结构图如图4.5所示。YNYNSmith补偿PID运算键盘管理数据处理看门狗显示程序返回主程序主程序系统调度程序结束？图4.5单片机流程模块结构图(l)主程序:主程序流程图如图4.6所示。初始化程序包括元器件、PID参数等初始化过程。YNYN开始显示自检开T0中断按键处理元器件初始化堆栈初始化参数初始化有键按下？图4.6单片机主程序流程图(2)T.0中断服务子程序:T0，中断服务子程序是本温度控制系统的主体程序，用于启动A/D转化、读入采样数据、进行数字滤波、越限温度报警和处理、带smith补偿的PID计算和控制信号输出等。如图4.7所示。:YNYNN过热保护上限报警下限报警温度显示数字滤波保护现场启动ADC0809控制信号输出取最大PID输出恢复现场带smith补偿的PID运算T＞T1T〈T1返回Y图4.7T0中断服务程序流程图(3)串行口中断服务程序:串行口中断子程序是单片机与上位PC机通信子程序，其流程图如图4.8所示。(4)带有smith补偿的PID控制算法子程序:带有smith补偿的PID控制算法子程序是用于控制系统输出控制信号的重要运算程序。YYYYNN串行中断子程序入口参数压栈保护从缓冲区读出数据清楚接收标志参数出栈退出中断子程序清楚发送标志向缓冲区写入数据发送标志接收标志图4.8串行口中断服务程序流程图第5章系统的可靠性研究设备的可靠性，是指在规定的条件下，规定时间内完成规定功能的能力。目前，可靠性理论已经被广一泛地应用在工程的各个领域，并且日益起到重要的作用。单片机应用于船舶设备测控是实现轮机自动化的发展趋势。因而，随着单片机在轮机自动化系统中的深入应用，使其应用的可靠性和安全性就成为一个非常突出、亚待解决的重要问题。影响可靠性、安全运行的主要因素是系统内部和外部的各种干扰和系统的整体结构设计。其中，干扰对测控系统造成的严重后果主要表现在测量数据误差增大、控制状态失效、程序运行异常等方面。我们知道，船舶不同于其它系统，它具有远离陆地的特殊工作条件，而单片机作为船舶设备测控系统的控制核心，其应用环境非常恶劣，这就要求它必须具有很强的抗干扰能力，能够在各种恶劣的环境卜可靠地进行控制、监测、实时显示数据和进行通信等功能。因此，提高单片机扮制系统的可靠性已经成为提高整个船舶设备测控系统可靠性的一个重要的环节。控制系统中可靠性非常重要，在系统的设计初期就要充分考虑。船舶柴油机冷却水温度系统的设计，相对于陆上同类系统的设计来说更为复杂和特殊，它需要考虑的可靠性问题更多，所以更要引起设计者的重视，在船舶的实际设计中，应该尽可能考虑各种不确定因素，充分利用实际经验来分析其产生来源，制定相应的安全策略，提高温度测控系统的可靠性。5.1系统硬件设计中可靠性问题的解决在单片机测控系统的设计中，其硬件可靠性设计应该考虑以下几个方面:1.元器件的选择:系统的可靠性是建立在系统中各个组成元器件的可靠性基础上的，所以，在选择元器件时，应该参照以下几个原则进行:(l)充分分析系统的功能需求，根据系统所要达到的性能要求来合理选择半导体器件;(2)由于船舶机舱内的高温、海水腐蚀和振动等不利条件，应该选择温漂小、独立封装、稳定性好的元器件:(3)减少焊点数量可降低接触不良、短路等故障，因此，应该尽量选用集成度高的电路，减少使用分立元器件。2.采用硬件“看门狗”电路设计:“看门狗”电路(Watchdog)，其功能是当系统出现死机或程序跑飞进入某个死循环后，由该电路向CPU(控制器)发出复位信号，使系统重新开始运行。同时，还可以利用X25045中的4096位串行EEPROM来存储报警上、下限，以及掉电状态下单片机的临时数据等。而在程序正常运行时，由CPU向看门狗发出一个复位信号，使看门狗电路复位端保持无效状态。图5.1为我们在系统设计中应用的X25045实现的AT89C51系列单片机系统的看门狗电路。X25045是XICOR公司的一种串行通讯的EEPROM数据储存器，同时兼有看门狗和电压监测功能。X25045的复位输出高电平信号，正好与AT89C51系列单片机的复位电平吻合，复位输出端直接与MCS-51系列的复位端连接。VccRVccRRESETP1.0P1.1P1.2RSTCSS1S0SCWPSCK图5.1X25045看门狗电路在系统运行正常情况下，CPU在一个预先设定的时间间隔内向看门狗发出一个高电平信号，清除看门狗电路中的复位输出端。如果到达规定的时间没有此高电平信号，则可以断定系统死机或进入某个死循环，此时由X25045的复位端输出高电平信号，重新启动单片机开始工作，从而保证系统能够稳定运行。3.提供稳定、可靠的外部工作环境:单片机对工作环境的要求比较高，而船舶上的运行环境却不甚理想，所以应该设法为单片机提供一个良好的工作环境，通常可以采取以卜一些措施:(l)良好的工作电源:交流电网是电子设备的强干扰源，因此在可靠性设计一中也是必须慎重考虑的重要影响因素。在选用电源时，应考虑其容量、电压的输入范围及其纹波噪声(Ripple:就是电源在将交流电转换为直流电时，输出的直流电并不是一条纯净的直线，而是依附着一些周期性和随机性的交流信号，它的数量级一般很小)，可以使用交流电源滤波器及交流稳压器对电源变压器进行屏蔽和隔离，绝对不能使电源工作在满负荷状况下，一般情况下，应选择电源输出功率大于实际功率的50%一100%的电源;同时，在电路板的电源与地之间要并联去藕电容，。应该注意的是，对系统中的数字信号和模拟信号的电路要分别供电，这是由于数字电路的门槛电压较高，电源的波动对它影响不大，但是模拟信号却有很大的影响，因此，若是要求高精度的控制作用，必须对模拟信号采用稳压电源模块供电。(2)隔离安放单片机:由于艇舶_L环境多变，机舱中的空气温度较高、湿度及震动都较大，同时海水的飞溅、机舱中的油滴等，都会使单片机的控制失效，腐蚀、锈蚀印刷电路板和IC(集成电路)插座等。因此，应尽量将控制部分单独安放在隔离区内，可以用油封或嵌入式及采取适当的减震措施等方法处理，并且尽量减少接插件和IC插座的使用，而采用直接焊接的连接方式，最大限度地为单片机提供一个相对“干净”的空间。(3)系统信号的滤除:系统中的控制信号非常重要，它关系到整个控制系统的性能和控制精度。本系统可能的外部噪声是连接在交流电源上的电动机以及继电器、电磁阀门等，这些噪声源通过电容、电磁藕合会对传感器形成干扰。因此对于这些干扰信号要及时去除。在系统的输入输出通道中主要有模拟量、数字量和开关量。对于数字量和开关量的滤除，可以用光电隔离的方法，使系统输入输出通道与传感器和执行部件在电气连接上相互隔离，从而可以阻断外部干扰信号通过数据总线进入控制系统。对于模拟信号，为了避免电磁干扰和内部线缆间模拟信号的串扰，可以将信号进行A/D转换(模拟/数字转换)，将模拟信号转成数字信号，然后就可以用光电藕合的力一法进行传输，如果要求高精度控制，也可以采用隔离变压器实现信号的隔离和传输。（4）多路模拟开关的抗干扰:在本测控系统中，温度测量的回路是多路的。对于多路的参量进行A/D转化时，采用了共用的A/D转换电路。因此，选用多路模拟开关轮流切换各被测回路与A/D转换电路之间的通路，以达到多点测控的目的。多个输入信号经多路转换器接至A/D转换器的方法可以用抗干扰较强的差动接法。多路转换器的输入常常受到各种环境噪声的污染，尤其易受到共模噪声的干扰。在多路转换器的输入端接入共模扼流圈，抑制外部传感器引入的高频共模噪声。转换器高频采样时产生的高频噪声，影响测量精度和程序正常运行，同时单片机运行速度很高，它对多路转换器也会产生干扰，因此，在单片机与A/D之间可以采用光电藕合器件隔离。在多通道乙间切换时，会发生瞬变现象，使输出端产生短暂的尖峰电压。为了消除这种现象引入的误差，在多路转换器输出端与放大器之间接一个采样保持器电路，或用软件延时的办法进行延时采样。5.2系统软件设计中提高可靠性的方法在单片机控制系统的软件设计中，主要由主程序、显示程序、数据处理程序、算法程序和上下位机之间的串行通讯程序等组成，这些程序的可靠性来自程序设计的正确性。为了确保程序可靠运行，我们在设计软件时应当遵循以下的原则:(l)在程序设计中，采用模块化的设计思路，这种设计方法的特点是便于编制、调试程序，编程效率高。其基本思路是将整个控制系统的功能分解为几个相对独立的标准模块，使其中的每一个程序模块完成某一特定的控制功能，并且分别只有一个入口和出口，这样就可以对每一个程序分别定义无歧义性的输入变量和输出变量，使它们的运行相对地不受其它程序的影响，同时，在整个系统的主程序中，利用顺次查询的方式完成数据处理、逻辑运算、功能块调用等事件，尽量减少跳转指令，如果需要立即处理的事件，可以用中断的方式处理，从而增强了系统的可靠性;(2)采取合适的控制算法和数据保护和恢复技术。对于随机出现的干扰，可以采用延时测量、平均值法等降低随机十扰带来的测量误差，同时，为增加数据存储的安全性，可以采用冗余设计，利用双RAM(随机存储器)方法，将重要数据进行备份，这样处理后，当发现某些尺AM中的数据遭到了破坏，可以从另外的RAM中将备份数据调入，因而当出现部分数据错误时不会影响整个系统的正常运行。同时，在特殊情况下(如外电源失电或有紧急情况发生等)，为了保护比较重要的数据不至丢失，采用存储器锁闭机制图5.2所示为当外电源失电时程序的工作流程如图5.2。YYYYNN外电源失电进入紧急模式锁闭存储器恢复正常？30分钟？程序进入正常状态图5.2存储器锁闭机制系统由外接备用电源供电，可以保证连续采集、记录数据30分钟，在此过程中，如果外电源恢复正常，则系统自动切换为外电源供电，程序自动转换为正常运行；如果在30分钟之内外电源无法恢复正常，则系统在采集30分钟信息后，自动锁闭存储器，同时报警输出;(3)增加软复位功能:即是一个软件定时器。当单片机受到各种干扰而失控。引起程序跑飞，也可能使程序进入“死循环”，因此，可以采用程序监控技术，即软件看门狗。系统中每一个程序模块都有一定的运行时间，利用软件看门狗不断监视程序循环运行时间，因此，我们可以为每一个程序模块设定一个最大可能运行时间，取这此“最大可能运行时间”中的最大值，利用八T89C51单片机本身的定时器功能，将定时器设定为此最大值，这样处理后，正常情况下，系统