基于單片機(jī)控制的新型船用智能保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張媛成皓，王帥軍，李?yuàn)檴?，黃錦杰，呂 洄

(浙江海洋大學(xué) 港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江 舟山 316000)

隨著極地航線的開辟，船舶設(shè)備和物品的保溫成為需要解決的問(wèn)題。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型低品位廢熱保溫系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。該系統(tǒng)將船舶低品位廢熱從熱源導(dǎo)出至被保溫物品，并可以根據(jù)船員設(shè)置情況自動(dòng)控制其保溫開關(guān)的啟停。保溫開關(guān)由左半部分的曲面板和右半部分的月牙形空腔組成。通過(guò)曲面板與月牙形空腔的接觸與否來(lái)完成保溫系統(tǒng)的啟停。

筆者根據(jù)這種船用新型低品位廢熱保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，設(shè)計(jì)了保溫系統(tǒng)的自動(dòng)控溫裝置。使系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自我溫度調(diào)節(jié)，減少船員工作量。

1-熱源；2-導(dǎo)熱管路；3-曲面板；4-被保溫物質(zhì)；5-導(dǎo)熱管路；6-月牙形空腔圖1 新型低品位廢熱保溫系統(tǒng)示意圖

1 自動(dòng)控溫裝置的功能

該自動(dòng)控溫裝置的功能達(dá)到如下要求。

1)測(cè)溫范圍達(dá)到-20 ℃～100 ℃。

2)設(shè)定溫度浮動(dòng)范圍為±3 ℃。

3)顯示屏上顯示實(shí)時(shí)溫度。

4)可以由船員自行控制啟停時(shí)間。

2 硬件組成

自動(dòng)溫控裝置采用單片機(jī)AT89S52作為控制電路的核心控制元件。 該芯片有以下優(yōu)點(diǎn)：①低能耗，高性能；②8 000字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，適用于常規(guī)編程器；③與裝置其他部分硬件的指令和引腳完全兼容。

2.1 溫度檢測(cè)

該器件的溫度傳感器使用某公司制造的DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器。該傳感器只需一條線通信，并且不需要外部元件和備用電源。溫度范圍為-55 ℃～125 ℃，可滿足設(shè)備的溫度范圍。 在-10 ℃～85 ℃區(qū)間，精度為±0.5 ℃，溫度顯示精確。設(shè)定溫度的上限和下限可由用戶設(shè)定，并可長(zhǎng)時(shí)間保存。使用該公司的單、總線控制協(xié)議，單線控制信號(hào)用于在總線上讀寫數(shù)據(jù)[1]。該傳感器測(cè)試精度高，優(yōu)于任何傳統(tǒng)的溫度數(shù)字化測(cè)控設(shè)備，可以應(yīng)用于自動(dòng)測(cè)試和控制系統(tǒng)的各種領(lǐng)域和環(huán)境。

1)測(cè)溫原理。DS18B20測(cè)溫原理示意如圖2所示。在溫度傳感器DS18B20中，低溫度系數(shù)晶體振蕩器的振蕩頻率幾乎不受溫度的影響。用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)被發(fā)送到減法計(jì)數(shù)器1，并且高溫系數(shù)晶體振蕩器的振蕩頻率隨溫度顯著變化。生成的信號(hào)作為脈沖輸入信號(hào)輸入到減法計(jì)數(shù)器2。當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，用來(lái)完成溫度測(cè)量[2]。

圖2 DS18B20測(cè)溫原理示意圖

在每次測(cè)量之前，對(duì)應(yīng)于-55 ℃的基準(zhǔn)同時(shí)存放在減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中。減法計(jì)數(shù)器1對(duì)由低溫度系數(shù)晶體振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)做減法。當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減小到0時(shí)，溫度寄存器中增加1。之后，再次替換預(yù)置值，減法計(jì)數(shù)器將再次對(duì)低溫度系數(shù)晶體振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。這個(gè)循環(huán)一直到減法計(jì)數(shù)器2達(dá)到0時(shí)，溫度寄存器才停止累積。注意，此時(shí)溫度寄存器中的值是測(cè)量溫度的十六進(jìn)制值。

2)讀過(guò)程。當(dāng)單片機(jī)設(shè)定的數(shù)據(jù)端口(例如P1.1)接收到的電壓由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)會(huì)在總線上產(chǎn)生一個(gè)讀時(shí)間片，一段時(shí)間后，DS18B20讀取采樣線的數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較。如果采樣線為高電平則記為“1”，否則，它標(biāo)記為“0”，輸出位代碼放在位累加器中。

3)寫過(guò)程。當(dāng)單片機(jī)的設(shè)定數(shù)據(jù)端口(例如P1.1)接收的電壓從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，在總線上產(chǎn)生寫時(shí)間片。一段時(shí)間后，DS18B20讀取采樣線DQ的數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較。如果DQ線為高電平則記為“1”，否則，它標(biāo)記為“0”，輸出位代碼放在位累加器中。

4)溫度轉(zhuǎn)換及讀取流程。本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)AT89S52，溫度轉(zhuǎn)換及讀取流程表如表1所示。

表1 溫度轉(zhuǎn)換及讀取流程表

2.2 保溫系統(tǒng)控制過(guò)程

該保溫系統(tǒng)靠曲面板與月牙形空腔的接觸與否來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的加熱與停止加熱。當(dāng)被保溫設(shè)備達(dá)到設(shè)定溫度的最高值時(shí)，單片機(jī)AT89S52控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)空腔轉(zhuǎn)動(dòng)，使曲面板與空腔脫離，達(dá)到停止加熱的目的；當(dāng)被保溫設(shè)備的溫度低于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)AT89S52控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)空腔轉(zhuǎn)動(dòng)，使曲面板與空腔接觸，達(dá)到開始加熱的目的。溫控范圍可以通過(guò)軟件程序來(lái)設(shè)置改變。本設(shè)計(jì)的設(shè)定溫度浮動(dòng)范圍為±3 ℃。單片機(jī)AT89S52驅(qū)動(dòng)四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連接示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 單片機(jī)AT89S52驅(qū)動(dòng)四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連接示意圖

2.3 其他部分電路設(shè)計(jì)

1)溫度控制。使用8位數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度、設(shè)定溫度和時(shí)間。單片機(jī)AT89S52將數(shù)字溫度傳感器DS18B20的實(shí)時(shí)溫度值和外部設(shè)定的溫度值發(fā)送到AMPIRE12864的顯示RAM[3]。再由 AMPIRE12864送入數(shù)碼管顯示。并使用按鈕開關(guān)將單片機(jī)AT89S52的P2.0連接為設(shè)定溫度范圍的輸入端。

2)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通常采用單極性激勵(lì)方式，而在本設(shè)計(jì)中并不需要改變驅(qū)動(dòng)電流方向(不需要電機(jī)反轉(zhuǎn))，因此可用ULN2003作為驅(qū)動(dòng)接口電路。

由圖3知，單片機(jī)AT89S52的P2.1～P2.4作為4組線圈驅(qū)動(dòng)控制端口，分別接ULN2003輸入端In1～I(xiàn)n4；P2.6接Kp(正轉(zhuǎn))控制按鈕；ULN2003輸出端Out1～Out4分別接步進(jìn)電機(jī)4組線圈；公共端接步進(jìn)電機(jī)的額定電壓[4]。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)通電,程序開始運(yùn)行。系統(tǒng)首先初始化相關(guān)的單元數(shù)據(jù)，顯示測(cè)量的溫度值以及是否按下電機(jī)啟動(dòng)按鈕，執(zhí)行各種功能鍵功能，系統(tǒng)確定設(shè)備是否被激活。當(dāng)實(shí)時(shí)溫度等于設(shè)定的啟動(dòng)溫度或由電機(jī)手動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，設(shè)備開始運(yùn)行并開始加熱。如果在加熱過(guò)程中發(fā)生其他溫度變化導(dǎo)致實(shí)際溫度高于設(shè)定溫度范圍，則停止加熱;當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度范圍時(shí)繼續(xù)加熱。當(dāng)實(shí)際溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，停止加熱。其中所有的設(shè)定值可保存。只要未重置，系統(tǒng)就可以繼續(xù)按原始設(shè)置工作。

4 控制系統(tǒng)的工作流程

接通電源，屏幕顯示被保溫物質(zhì)的實(shí)時(shí)溫度，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能鍵進(jìn)行設(shè)定溫度的上下限等工作。設(shè)置完成后系統(tǒng)開始工作，AMPIRE12864顯示被保溫物質(zhì)的實(shí)時(shí)溫度，并與設(shè)定溫度的上下限進(jìn)行比較。當(dāng)達(dá)到加熱上限時(shí)停止加熱，當(dāng)達(dá)到保溫下限時(shí)開始保溫(加熱)。如果溫度超過(guò)加熱上限2 ℃或低于保溫下限2 ℃時(shí)，蜂鳴器被接通報(bào)警，提醒船舶值班人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的新型船用智能保溫系統(tǒng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，溫度測(cè)量準(zhǔn)確，具有一定的實(shí)用價(jià)值。該智能測(cè)溫系統(tǒng)在新型船用智能保溫系統(tǒng)中只是一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用，還有許多需要完善的地方，例如，該裝置可與大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料黏度自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合，以確保燃料黏度的穩(wěn)定性，對(duì)確保渦輪機(jī)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要。而在日常管理中應(yīng)注意系統(tǒng)設(shè)置溫度的上下限是否正確，應(yīng)對(duì)不同的被保溫物質(zhì)采取不同的溫控范圍，以免發(fā)生意外事故。