基于單片機(jī)的柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、 本科畢業(yè)設(shè)計 (論文基于單片機(jī)的柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)設(shè)計Diesel Engine Cooling Water TemperatureControl System Design Based on SCM學(xué)院:電子工程學(xué)院專業(yè)班級:自動化自動化082學(xué)生姓名:李成學(xué)號: 030851209指導(dǎo)教師:徐致遠(yuǎn)(講師2012 年 6 月 目錄1緒論 (11.1課題研究背景及發(fā)展?fàn)顩r (11.2 課題設(shè)計內(nèi)容 (22 溫度控制系統(tǒng)方案設(shè)計 (32.1 系統(tǒng)原理 (32.2 系統(tǒng)的性能指標(biāo) (42.3 系統(tǒng)模塊設(shè)計 (33 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 (53.1 系統(tǒng)電路設(shè)計 (53.2 控制單元 (53.3

2、時鐘振蕩電路 (63.4 復(fù)位電路 (73.5 溫度檢測芯片DS18B20 (73.6 鍵盤顯示電路 (83.7 聲光報警電路 (103.8 電機(jī)控制電路 (113.9 串行通訊模塊 (134 控制算法 (144.1 系統(tǒng)傳遞函數(shù) (144.2 PID控制算法設(shè)計 (145 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 (185.1 keil uvision軟件簡介 (185.2 系統(tǒng)模塊設(shè)計 (185.3 DS18B20相關(guān)指令 (195.4 報警和電機(jī)控制程序 (20結(jié)論 (22致謝 (23參考文獻(xiàn) (24附錄1: (25附錄2: (28淮海工學(xué)院二一二屆本科畢業(yè)設(shè)計(論文第 1 頁共33 頁1 緒論1.1課題研究背景

3、及發(fā)展?fàn)顩r20世紀(jì)中后期發(fā)生了兩次能源危機(jī),這兩次危機(jī)導(dǎo)致了油價的飛速漲價,使得船運方面的經(jīng)營成本也有了很大的提高1。特別是21世紀(jì)以來,能源危機(jī)加上戰(zhàn)爭,這些導(dǎo)致油價上漲的速度進(jìn)一步加快。所以從柴油機(jī)的設(shè)計到生產(chǎn)和造船廠的選用柴油機(jī)和船運公司,一直都在為如何降低船舶的燃料費用的支出上想辦法,以求降低成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。冷卻水溫度控制好,可以提高船舶的使用效率2。如果冷卻水的溫度太高的話,柴油機(jī)內(nèi)部的潤滑油就會老化,零件也會磨損的厲害,這樣柴油機(jī)的使用壽命自然會降低;反之,如果冷卻水的溫度太低的話,就會在柴油機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生酸性物質(zhì)3,這會導(dǎo)致氣缸的磨損,腐蝕柴油機(jī)內(nèi)部器件,影響柴油機(jī)的使用。經(jīng)過查

4、閱資料總結(jié)得到冷卻水的溫度保持在75到85之間是最佳工作范圍。當(dāng)然冷卻水系統(tǒng)還要考慮到經(jīng)濟(jì)性,我發(fā)現(xiàn)利用單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心最經(jīng)濟(jì)。最后我將單片機(jī)控制方式成功地引入到了船舶自動控制領(lǐng)域中,豐富了船舶自動控制的技術(shù),同時也為今后輪機(jī)自動化方面技術(shù)的發(fā)展鋪墊了道路3。船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制技術(shù),20世紀(jì)發(fā)展最迅速。其大致的發(fā)展歷程:從直接作用式到氣動式再到電動式3。(120世紀(jì)中葉,直接作用方式是最主要的控制方式。原理是在測量器件中充入特定的工作介質(zhì),具體根據(jù)條件選擇。根據(jù)液體熱脹冷縮的原理:溫度改變了介質(zhì)的密度也會成一定的比例變化,當(dāng)工作介質(zhì)密度變化了,由于空間是一定的介質(zhì)的體積一定,就會導(dǎo)致

5、壓強(qiáng)的變化,壓強(qiáng)變化導(dǎo)致壓力的變化,從而驅(qū)動調(diào)節(jié)閥開度的作用力也會發(fā)生變化,淡水流量發(fā)生變化,溫度達(dá)到調(diào)節(jié)4。這種控制方式存在很大的缺點,就是對測量期間件內(nèi)部充注的工作介質(zhì)的密封性要求特別高,因為一旦測量器件內(nèi)部充注的工作介質(zhì)發(fā)生泄漏了4,漏氣了工作介質(zhì)的壓力就不能隨溫度的變化成比例的變化了。且這種控制方式的控制精度顯然不高,這會導(dǎo)致冷卻水溫度誤差變化相對較大,對船舶柴油機(jī)的穩(wěn)定運行不利4。所以到70年代后期被淘汰了。(220世紀(jì)70年代末,氣動式方式是最主要控制方式。這種方式的原理是利用感溫元件測溫,將測得的溫度變化經(jīng)過溫度變送器轉(zhuǎn)變成氣壓的變化送至調(diào)節(jié)器中,在調(diào)節(jié)器中次數(shù)值將與給定值作比較

6、,會得到一個偏差值,偏差值經(jīng)過一系列的運算處理后可以轉(zhuǎn)換成為控制氣壓的信號來調(diào)節(jié)冷卻水的溫度5。這個控制方式存在的主要問題是系統(tǒng)對氣體的密封性能要求和壓力要求和對直接作用式的介質(zhì)一樣很高,對儲存和運輸氣體的器件的密閉性能要求也很高,如果控制的氣壓信號出現(xiàn)大偏差會使這個系統(tǒng)的控制精度有極大的降低。因此,現(xiàn)在不提倡這種控制方式。(320世紀(jì)80年代中期,電動式方式是主要控制方式。電動式的原理是在進(jìn)、出口處安置感溫元件來測溫,再將測得的溫度傳輸?shù)教囟ǖ难b置比較產(chǎn)生控制信號2。通常感溫元件是使用熱敏電阻,這種電阻的數(shù)值會隨溫度變化成線性。測溫元件將冷卻水溫度的變化按照公式轉(zhuǎn)換成電壓信號,電壓信號輸送給

7、傳感器,在傳感器中比較得到偏差信號,再經(jīng)過處理將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變成脈沖信號6,用來控制冷卻水溫度。但是這種控制方式也不是完美的。這種控制系統(tǒng)的測量控制信號是利用一些電子器件進(jìn)行邏輯運算得出的,它的缺點就是一旦邏輯輸出部分出現(xiàn)了故障,那么整個系統(tǒng)的控制能力和控制精度就會出現(xiàn)問題6。后果將非常嚴(yán)重,如船舶主柴油機(jī)的氣缸活塞溫度會升高,潤滑油的粘度也會有一定的降低,器件會磨損,柴油機(jī)的使用壽命也會縮短。所以這種控制需要改進(jìn)。1.2課題設(shè)計內(nèi)容本課題設(shè)計的要求是保證船舶柴油機(jī)能夠正常的工作,并且效率達(dá)到最高。想要達(dá)到控制溫度的目的就需要做好測溫、報警、控制電機(jī)運轉(zhuǎn)的工作。而柴油機(jī)容易銹蝕,所以需要用淡水來

8、進(jìn)行冷卻工作。而船舶是在海中航行的,沒有現(xiàn)成的淡水,只能自身攜帶少量的淡水,通過海水來冷卻淡水,再用冷卻后的淡水來冷卻柴油機(jī)。這就要添加一個冷卻回路。所以冷卻系統(tǒng)要有兩個回路。即高溫、低溫淡水冷卻回路7。針對以上要求我主要做了以下幾個方面的工作。(1溫控系統(tǒng)整體方案設(shè)計:分析了系統(tǒng)的原理、系統(tǒng)所要達(dá)到的性能指標(biāo)、分析了系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分。(2系統(tǒng)硬件設(shè)計:分析了系統(tǒng)所要達(dá)到的要求確定硬件的選擇、系統(tǒng)的報警電路設(shè)計、鍵盤顯示設(shè)計、電機(jī)控制電路設(shè)計、串行口電路設(shè)計等等。(3系統(tǒng)軟件設(shè)計:分析了系統(tǒng)所要實現(xiàn)的目標(biāo)確定使用匯編語言設(shè)計、報警程序、顯示程序、測溫電路程序。2 溫度控制系統(tǒng)方案設(shè)計2.1系

9、統(tǒng)原理船舶柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)分為兩部分高溫淡水冷卻和低溫淡水冷卻部分8。船舶在海中航行,可以利用海水冷卻淡水,再用淡水冷卻柴油機(jī)。這樣可以提高柴油機(jī)的使用壽命。冷卻水流量的控制是通過改變?nèi)ㄩy門的開度。系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。淡水膨脹水箱用來放置冷卻用后的淡水,進(jìn)行循環(huán)作用。高低溫淡水回路設(shè)計思想類似,所以在下面的研究中我只給出了高溫淡水冷卻回路的具體設(shè)計。 圖2.1 系統(tǒng)框圖2.2系統(tǒng)的性能指標(biāo)(1測溫功能船舶柴油機(jī)的工作溫度應(yīng)該在0到99之間,所以只要使用2位的LED數(shù)碼管就可以顯示了,顯示數(shù)值的范圍是00到99,也就代表冷卻水的溫度測量的范圍是在0到99之間。經(jīng)過查閱相關(guān)資料,我發(fā)現(xiàn)高溫淡

10、水的溫度控制在80左右,低溫淡水的溫度控制在50左右時,船舶柴油機(jī)將會處于最佳的工作狀態(tài)。這里只介紹高溫淡水部分,將上下限分別設(shè)定為85和75。(2報警功能當(dāng)溫度測量數(shù)值高于85或低于75,系統(tǒng)便會自動報警,以提醒工作人員注意,及時查明出現(xiàn)報警現(xiàn)象的原因并解決問題使系統(tǒng)恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)21。我在本系統(tǒng)控制中,采用聲光報警。所謂聲指的是用喇叭響與停報警,所謂光是指用LED數(shù)碼管的亮與滅報警,具體的設(shè)計在下文中論述。(3系統(tǒng)造價低單片微處理器的價格越來越低。而本系統(tǒng)是選單片機(jī)作為控制核心,所以系統(tǒng)整體的成本也得到了很好的控制,保持在比較底的造價。同時,外圍控制電路都選用了當(dāng)前在市場上常見的一些

11、器件21,比如溫度傳感器DS18B20芯片、LED數(shù)碼顯示管、AT89C51單片機(jī)、74LS373芯片、8255A芯片等,其成本均不高,進(jìn)一步降低了整個系統(tǒng)的造價,使得本控制系統(tǒng)性價比得到最大化。(4控制精度高由于采用的溫度傳感器是DS18B20,溫度控制精度更高。而本冷卻水溫度控制系統(tǒng)只要求精度達(dá)到各位就可以了,而DS18B20的精度可以達(dá)到小數(shù)點后一位,所以滿足系統(tǒng)溫度控制的要求。2.3系統(tǒng)模塊設(shè)計在這里主要研究的是單片機(jī)部分。整個系統(tǒng)由單片機(jī)、溫度采集及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。單片機(jī)測控平臺起到如電腦CPU一般的控制作用,溫度數(shù)據(jù)采集部分利用溫度傳感器測溫傳溫度信號給單片機(jī),執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是電機(jī)控制

12、部分,這個部分是用來三通調(diào)節(jié)閥的開度的8。系統(tǒng)的硬件組成如圖2.3所示。在本設(shè)計中,DS18B20作為溫度傳感器測溫9,經(jīng)過它內(nèi)部作用,模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量信號送入單片機(jī)。在單片機(jī)中與設(shè)定的溫度數(shù)值比較,單片機(jī)根據(jù)溫差發(fā)出對應(yīng)控制信號。經(jīng)過L298來控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化,這時連接在電機(jī)上的三通調(diào)節(jié)閥會在電機(jī)的帶動下改變閥門開度,從而改變水流量來控制溫度。經(jīng)過以上過程,柴油機(jī)冷卻水溫度將穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),最終冷卻水溫度得到控制。 圖2.3系統(tǒng)硬件組成3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)電路設(shè)計本系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。A T89C51作為CPU;DS18B20作為溫度測量傳感器,它可以將模擬量轉(zhuǎn)變成

13、數(shù)字量送入單片機(jī)中;2位LED數(shù)碼管作為顯示;采用獨立式鍵盤10;單片機(jī)輸出控制信號去控制L298芯片的使能端和輸入端,進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)溫度偏高時,電機(jī)加速正轉(zhuǎn),三通調(diào)節(jié)閥的開度加大,冷卻淡水量加大,溫度降低;當(dāng)溫度偏低時,電機(jī)加速反轉(zhuǎn),三通調(diào)節(jié)閥的開度減小,冷卻水量減少,溫度升高;當(dāng)實際溫度在上下限之間時,電機(jī)停轉(zhuǎn),從而起到溫度控制的作用。單片機(jī)比較信號給報警電路高低電平來控制LED的亮與滅、喇叭的響與停。 圖3.1 硬件電路圖3.2 控制單元單片機(jī)核心控制單元是AT89C51芯片,它有40個引腳,具有4K字節(jié)的片內(nèi)程序存儲器。由于本系統(tǒng)主要用于冷卻水溫度的測量控制,所以片內(nèi)4K字節(jié)的

14、存儲己經(jīng)足以滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求21。A T89C51的接口電路有DS18B20測溫芯片、L298芯片、鍵盤電路及8255A控制的顯示電路等等。它的管腳及結(jié)構(gòu)具體見圖3.2。AT89C51的I/O口有3個,分別是P1、P2、P3口,關(guān)于這3個口的具體介紹如表3.2所示。P0口是一個雙向I/O口,寫1時,被定義為高阻輸入。用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器時可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FLASH編程時,P0口作為原碼輸入口,當(dāng)FLASH 進(jìn)行校驗時,P0輸出原碼,此時P0外部必須接一個上拉電阻。表3.2 A T89C51的I/O口介紹AT89C51 I/O口各個口的具體介紹P1口8位雙向I/O口,寫“1

15、”后作為輸入,在FLASH編程和校驗時,P1口作為低八位地址接收P2口8位雙向I/O口,寫“1”后作為輸入,在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號,P2口用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時,P2口輸出地址的高八位P3口8位雙向I/O口,寫“1”后作為輸入 圖3.2A T89C51芯片3.3 時鐘振蕩電路振蕩周期決定CPU的時序11。這里晶體選擇12MHZ,電容選擇30pF,電容起微調(diào)頻率的作用。具體如圖3.3所示。關(guān)于單片機(jī)相關(guān)的周期介紹如表3.3所示。 圖3.3振蕩電路表3.3 單片機(jī)周期表單片機(jī)的周期周期的介紹12MHZ晶振振蕩周期單片機(jī)提供定時信號的振蕩

16、源的周期1/12us時鐘周期振蕩周期的兩倍,兩個節(jié)拍P1和P21/6us機(jī)器周期6個時鐘周期,6個狀態(tài)SP1-SP61us指令周期執(zhí)行一條指令所占用的全部時間,含有1-4個機(jī)器周期1-4us3.4 復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位系統(tǒng)好比重啟系統(tǒng),按下復(fù)位按鈕則單片機(jī)內(nèi)部程序重新啟動運行12。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有3類:上電復(fù)位、按鍵電平復(fù)位和按鍵脈沖復(fù)位13。這里采用的是電平式開關(guān)與上電復(fù)位,按鍵按下后,RST端輸入高電平復(fù)位。電路圖如圖3.4所示。 圖3.4復(fù)位電路3.5 溫度檢測芯片DS18B20傳統(tǒng)的測溫方式的測溫元件是熱電偶或熱電阻,須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)獲得數(shù)字信號,必須加A/D轉(zhuǎn)換芯片,使硬件電

17、路更加復(fù)雜成本更高。所以考慮有沒有可以直接測溫而且可以內(nèi)部轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的器件,這里通過查閱資料,我發(fā)現(xiàn)了DSl8B20芯片有這個功能,用它作為測溫傳感部分就使系統(tǒng)簡單多了。它直接輸出數(shù)字量,硬件電路結(jié)構(gòu)更加簡單。在系統(tǒng)啟動之時,可以通過鍵盤設(shè)置溫度的上下限值,當(dāng)溫度超過設(shè)置值范圍之外時,報警電路開始報警并改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。DS18B20具體如圖3.5所示。其性能及引腳介紹如表3.5所示。 圖3.5 溫度檢測芯片DS18B20表3.5 DS18B20引腳DS18B20技術(shù)性能描述DS18B20引腳DS18B20引腳功能GND 電壓地獨特的單線接口方式,DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線

18、即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊測溫范圍-55+125,固有測溫分辨率0.5DQ 單數(shù)據(jù)總線VDD 電源電壓能夠?qū)崿F(xiàn)多點測溫,如果數(shù)量過多,會使供電電源電壓過低,從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定工作電源: 35V/DC NC 空引腳顯示采用的是7SEG-COM-CA T-GRN數(shù)碼管。8255A擴(kuò)展I/0口13。這里數(shù)碼管與其PA、PB口連接給控制信號,RESPACK-7是排阻,因為LED數(shù)碼管內(nèi)部沒有上拉電阻14,不能輸出高電平。排阻就是指好多電阻連載一起,他們有一個公共端,即1端為,這里公共端接VCC。電路如圖3.6(a所示。7SEG-COM-CA T-GRN數(shù)碼管的七段LED字型碼如表

19、3.6(a所示。在使用數(shù)碼管時,首先要通過測量引腳來判定數(shù)碼管是共陽極的還是共陰極的。首先,找一個3 V5 V 的電源和一個一千歐左右的電阻,在電源VCC上串接一個電阻后和GND接到任意2個腳上,會出現(xiàn)許多種組合,只要有一個LED發(fā)光,然后與發(fā)光的LED的GND保持不動,VCC經(jīng)串電阻后,逐個碰剩下的腳,如果有多個LED能夠點亮?xí)r,那它就是共陰的。相反是共陽極的。 圖3.6(a顯示電路表3.6(a7段LED字型碼顯示字符共陽極字型碼共陰極字型碼顯示字符共陽極字型碼共陰極字型碼0 3FH C0H C 39H C6H1 06H F9H d 5EH A1H2 58H A4H E 79H 86H3 4

20、FH B0H F 71H 8EH4 66H 99H P 73H 8CH5 6DH 92H U 3EH C1H6 7DH 82H I 31H CEH7 07H F8H y 6EH 91H8 7FH 80H H 76H 89H9 6FH 90H L 38H C7HA 77H 88H “滅”00H FFHb 7CH 83H 表3.6(b8255端口結(jié)構(gòu)及工作方式表8255端口結(jié)構(gòu)8255工作方式A口是一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器和一個8位數(shù)據(jù)輸入方式0:基本輸入輸出鎖存器方式1:選通輸入輸出B口是一個8位數(shù)據(jù)輸入/輸出鎖存器/緩沖器和一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器方式2:雙向傳送C口是一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存

21、器/緩沖器和一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器(輸出不鎖存8255A有3個并行I/O口,3種工作方式,可以作為單片機(jī)與外圍設(shè)備連接的中間接口電路15。8255A的引腳如圖3.6(b所示。8255A具有24個I/O接口。它共有40個引腳。它的端口結(jié)構(gòu)和工作方式如表3.6所示。8255A與單片機(jī)連接需加鎖存器,這里用74LS373鎖存,它的引腳如圖3.6(c所示。 圖3.6(b8255A引腳圖 圖3.6(c 74LS373引腳圖這里采用的鍵盤是獨立式的鍵盤,有四個按鍵,分別是設(shè)置狀態(tài)、運行狀態(tài)、數(shù)值增加和數(shù)值減少。當(dāng)設(shè)置狀態(tài)鍵按下時開始設(shè)置狀態(tài),按數(shù)值增加鍵一次數(shù)碼管數(shù)值增加1,按數(shù)值減少鍵一次數(shù)碼管數(shù)值減少

22、1。運行狀態(tài)鍵按下,會再次顯示測量的溫度。按鍵電路如圖3.6(d 所示。 圖3.6(d 鍵盤電路3.7 聲光報警電路為了系統(tǒng)的安全運行,我們對冷卻水溫度進(jìn)行上限或下限聲光報警處理,我們采用了如下的判斷報警方法:當(dāng)測量到的冷卻水溫度持續(xù)增加,高于上限1T 時,即T1T ,時,則上限報警紅燈亮且喇叭響。當(dāng)測量到的冷卻水溫度持續(xù)減少,低于下限2T 時,即T300輸出短路電流0.5A驅(qū)動器轉(zhuǎn)換速率30V/us接收器輸入阻抗在3K到7K之間接收器輸入電壓的允許范圍-25V到+25V輸入開路時接收器的輸出邏輯1輸入經(jīng)300接地時接收器的輸出邏輯1+3V輸入時接收器的輸出邏輯0-3V輸入時接收器的輸出邏輯1

23、最大負(fù)載電容2500pF4 控制算法4.1 系統(tǒng)傳遞函數(shù)根據(jù)硬件設(shè)計原理可以畫出系統(tǒng)控制框圖,如圖4.1所示。圖中,(Z D 是本系統(tǒng)的溫度控制算法。它的輸入是給定溫度數(shù)值r 與測量數(shù)值(t y 的差值,經(jīng)過單片機(jī)軟件計算輸出,輸出的是控制增量(k u 。給電機(jī)控制信號。(t c 是被控對象的輸出,(t u 是電機(jī)的輸出,作為被控對象的輸入。通常情況下冷卻水溫度的變化會存有滯后現(xiàn)象,滯后的時間用t t 來表示,V L t /=。其中,L 是冷卻水管路的長度,單位是m ,V 是冷卻水流動速度,單位是s m /。t 的單位是s 。在不同船舶的冷卻系統(tǒng)中,上述數(shù)值都是各不相同的。在本系統(tǒng)中采用PID

24、 控制。傳遞函數(shù)可以表達(dá)為:ST eK S G s11(+=-其中,K 為控制對象的靜態(tài)增益,1T 為時間常數(shù);=t 是純滯后時間。 圖4.1 系統(tǒng)控制框圖4.2 PID 控制算法設(shè)計PID 控制算法即比例、積分、微分控制,根據(jù)給定值(t r 與實際輸出值(t c 構(gòu)成控制偏差11,如下式:(t c t r t e -=(4-1其控制規(guī)律如下:(1(1dtt de T dt t e T t e K t u Dp += (4-2將上式寫成傳函形式:11(1S T ST K S E S U s G D P +=(4-3式中:p K 是比例系數(shù),1T 是積分時間常數(shù),D T 是微分時間常數(shù)2。比例控

25、制:比例控制是最簡單的控制方式,控制器輸入、輸出誤差信號成正比例關(guān)系。但是它的輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差18。積分控制:積分控制的作用主要是用來消除控制系統(tǒng)的靜態(tài)誤差,提高系統(tǒng)的整體的性能。積分時間常數(shù)決定其作用強(qiáng)弱,它越大,系統(tǒng)積分作用越弱;反之,積分作用越強(qiáng)18。微分控制:微分控制可以引入一個修正信號,加快系統(tǒng)作用速度,減小調(diào)節(jié)時間,減小超調(diào)量,增加穩(wěn)定性18。具體仿真如圖4.2(a 、4.2(b 、4.2(c 、4.2(d 所示。 其中a 圖是斷開系統(tǒng)的反饋線、微分器的輸出線、積分器的輸出連線,p K 值設(shè)定為1,選定仿真時間,得到S 曲線,確定系統(tǒng)延時時間1000。b 圖選定p K ,對系統(tǒng)進(jìn)行

26、P 控制整定,得到36.0=p K 。c 圖選定p K 、i T ,對系統(tǒng)進(jìn)行PI 整定,其中36.0=p K 、13=i T 。d 圖選定p K 、i T 、進(jìn)行PID 整定,得到36.0=p K 、13=i T 、25.8=。最后得到比較穩(wěn)定的響應(yīng)曲線。 圖4.2(a simulink 模型及仿真結(jié)果 圖4.2(bsimulink模型及仿真結(jié)果 圖4.2(csimulink模型及仿真結(jié)果 圖4.2(dsimulink模型及仿真結(jié)果5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計5.1 keil uvision軟件簡介 圖5.1(aKeil uvision工作界面本文采用keil公司的開發(fā)環(huán)境,它能夠把編程、編譯、調(diào)試、

27、連調(diào)等各種功能都集成到一個軟件中,使用方法靈活多變。這個開發(fā)環(huán)境不僅可以用C語言進(jìn)行編輯程序,而且還可以通過匯編語言進(jìn)行編輯程序,實現(xiàn)軟件的調(diào)試功能。具體的工作界面和檢測界面如圖5.1所示。 圖5.1(bKeil uvision2檢測界面5.2 系統(tǒng)模塊設(shè)計系統(tǒng)的單片機(jī)軟件部分包括主程序初始化、測溫子程序、報警程序、鍵盤顯示程序、電機(jī)驅(qū)動控制程序等主要模塊。系統(tǒng)模塊設(shè)計如下圖5.2所示,比較復(fù)雜的在判斷上下限部分,系統(tǒng)開始調(diào)度程序,測溫芯片測溫數(shù)據(jù)處理,將測得的溫度模擬量信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字量信號送入單片機(jī),由單片機(jī)判斷溫度是否達(dá)到了上下限,如果超過上限值紅燈亮、喇叭響、電機(jī)正轉(zhuǎn);小于下限值黃燈亮、

28、喇叭響、電機(jī)反轉(zhuǎn);在上下限之間包括上下限綠燈亮、喇叭不響、電機(jī)停轉(zhuǎn)。具體的溫度用數(shù)碼管顯示,顯示子程序根據(jù)顯示數(shù)碼管個數(shù)定。 圖5.2單片機(jī)流程模塊結(jié)構(gòu)圖5.3 DS18B20相關(guān)指令DS18B20使用時需要復(fù)位,即置DQ低電平。使用DS18B20時關(guān)于ROM和RAM的指令表如表5.1和表5.2所示。表5.1 ROM指令表指令約定代碼功能讀ROM 33H 讀DS18B20溫度傳感器ROM中的編碼(即64位地址符合ROM 55H 發(fā)出此命令之后,接著發(fā)出64位ROM編碼,訪問單總線上與該編碼相對應(yīng)的DS18B20使之作出響應(yīng),為下一步對DS18B20的讀寫作準(zhǔn)備搜索ROM 0F0H 用于確定掛接

29、在同一總線上DS18B20的個數(shù)和識別64位ROM地址。為操作各器件做好準(zhǔn)備跳過ROM 0CCH 忽略64位ROM地址,直接向DS18B20發(fā)溫度變換命令。適用于單片機(jī)工作告警搜索命令0ECH 執(zhí)行后只有溫度超過設(shè)定值上限或下限的片子才做出響應(yīng)表5.1 RAM指令表指令約定代碼功能溫度變換44H 啟動DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)化,12位轉(zhuǎn)換時最長為750ms(9位93.75ms。結(jié)果存入內(nèi)部9字節(jié)RAM中讀暫存器0BEH 讀取內(nèi)部RAM中9字節(jié)的內(nèi)容寫暫存器4EH 發(fā)出向內(nèi)部RAM的3、4字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令,緊跟該命令之后,是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)復(fù)制暫存器48H 將RAM中第3、4字節(jié)的內(nèi)容

30、復(fù)制到EEPROM中重調(diào)EEPROM 0B8H 將EEPROM中內(nèi)容恢復(fù)到RAM中的第3、4字節(jié)都供電方式0B4H 讀DS18B20的供電模式。寄生供電時DS18B20發(fā)送“0”,外接電源供電DS18B20發(fā)送“1”5.4 報警和電機(jī)控制程序報警程序設(shè)計的原理在上面5.2節(jié)已有詳盡的解釋了,就不多說了。如圖5.4所示。判斷程序如下所示。原理如圖5.4所示。CJNE A,#85,NEG 溫度比較,這里與85比較NEG:JC NEG1SJMP BIGNEG1:CJNE A,#75,NEG2 溫度比較,這里與75比較SJMP NEXTNEG2:JC NEXT1SJMP NEXTNEXT1:SETB

31、P1.2CLR P1.1CLR P1.3SETB P1.0SETB P1.7SETB P1.5 溫度低,反轉(zhuǎn)CLR P1.4BIG:SETB P1.7SETB P1.4 溫度高,電機(jī)加速CLR P1.5SETB P1.3CLR P1.2CLR P1.1SETB P1.0NEXT:SETB P1.1CLR P1.2CLR P1.3CLR P1.0CLR P1.4 溫度正常,停轉(zhuǎn)CLR P1.5CLR P1.7 圖5.4報警及電機(jī)控制原理框圖結(jié)論基于單片機(jī)的船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)的研究目的在于解決冷卻水控制精度不高的問題,減輕工作人員的負(fù)擔(dān)。同時,本系統(tǒng)設(shè)計十分注意了成本,充分利用船舶現(xiàn)有硬

32、件資源,且安裝特別方便。系統(tǒng)運行安全可靠。硬件具有結(jié)構(gòu)簡單、便于操作、易于擴(kuò)展等優(yōu)點,同時,系統(tǒng)考慮了船舶的工作環(huán)境,需要抗海水的腐蝕,所以設(shè)計用兩個冷卻淡水回路,延長了系統(tǒng)的使用壽命,提高了經(jīng)濟(jì)效益。同時在本課題的研究中,我對溫度測試芯片DS18B20的作用、單片機(jī)AT89C51的使用要求等方面做了仔細(xì)的研究學(xué)習(xí)。課題研究是從設(shè)計方案的提出,方案的比較論證,到方案的最終確定完成。在這里我對單片機(jī)主控單元作了比較詳盡的說明,關(guān)于報警、電機(jī)控制、鍵盤顯示等等。對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,等到了比較好的仿真效果圖。當(dāng)然設(shè)計還存在很多不足的地方,整個系統(tǒng)還具有很大的提升空間。比如,硬件用了擴(kuò)展電路還可以添加其

33、他硬件設(shè)備進(jìn)行改進(jìn);軟件的功能還比較簡單,控制精度不高,系統(tǒng)不能用于遠(yuǎn)距離通信等不足的地方。希望后人能夠?qū)⑵溥M(jìn)一步的完善,將本系統(tǒng)實際應(yīng)用到船舶航運事業(yè)上。通過對基于單片機(jī)控制的柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計,我學(xué)到了很多課堂以外的知識,并將所學(xué)知識運用到設(shè)計中,了解了單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理以及匯編程序的編寫,這是本設(shè)計的最大收獲。致謝大學(xué)四年即將結(jié)束,半年的畢業(yè)設(shè)計也將到達(dá)終點。在這里我想向那些幫助過我的人表示感謝。首先要感謝徐致遠(yuǎn)老師,在我的畢業(yè)論文的撰寫過程中,徐老師從課題方向到課題具體會出現(xiàn)的問題給予了我詳盡的分析指導(dǎo),一次又一次的不厭其煩的教導(dǎo)我,使我從最初的迷茫到后來對研究目標(biāo)的確立再

34、到最后論文的完成定稿。其次要感謝我身邊的同學(xué)們,通過向同學(xué)們學(xué)習(xí),我學(xué)到了很多東西,在同學(xué)們的幫助鼓勵下,使我克服了各種困難,順利完成了畢業(yè)設(shè)計。最后,我要感謝我的父母,是他們給了我學(xué)習(xí)的機(jī)會,在我遇到困難挫折的時候鼓勵我,在我需要幫助的時候給予我,在我做畢業(yè)設(shè)計期間時不時的對我問候。就是在他們的不斷鼓舞下我才能最終完成畢業(yè)設(shè)計。參考文獻(xiàn)1 張冠男.基于單片機(jī)的柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計.科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2010年13期.2 李海峰.船舶柴油機(jī)冷卻水溫度智能控制系統(tǒng)研究與設(shè)計.大連海事大學(xué),2007.3 張立文.船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計.大連海事大學(xué),2010.4 王宏智.船

35、舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計.青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院學(xué)報,2006年4期.5 王源慶.船舶冷卻水系統(tǒng)的研究與設(shè)計.大連海事大學(xué),2009.6 徐紅明.船舶柴油機(jī)缸套冷卻水系統(tǒng)動態(tài)特性建模與仿真.船海工程,2010年2期.7 劉春江.半潛船發(fā)電柴油機(jī)輔助系統(tǒng)建模與仿真.武漢理工大學(xué),2009.8 張杰.中央空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能控制研究.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2011.9 賈洪彩.基于DSl8B20多點溫度巡檢系統(tǒng)的研究.吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報,2003年4期10 張少明.船舶柴油機(jī)冷卻水溫度微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計.船電技術(shù),2009年1期.11 胡壽松.自動控制原理.北京:科學(xué)出版社,2007.12 范立春,李雪

36、飛.計算機(jī)控制技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.13 王鵬.拉電阻在數(shù)字電路中的應(yīng)用.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2009年3期.14 周凱.基于MAX485實現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)通信的程序設(shè)計.信息技術(shù),2005年4期.15 肖婧.單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與仿真.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010.16 朱文燕.基于A T89C51和DS18B20溫度的測量系統(tǒng)的實現(xiàn).武警工程學(xué)院學(xué)報,2010年4期.17 楊明永.輪機(jī)自動化.北京:人民交通出版社,1988.18 李華,孫曉民,徐平,張新宇.MCS-51系列單片機(jī)實用接口技術(shù).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1993.19 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北

37、京:高等教育出版社,2005.20 江世明,黃同成.單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京:中國鐵道出版社,2010.21 邱德慶.基于單片機(jī)的船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng).大連海事大學(xué)碩士論文, 2004-02-01淮海工學(xué)院二一二屆本科畢業(yè)設(shè)計(論文第25 頁共33 頁附錄1: 總電路仿真(高溫淮海工學(xué)院二一二屆本科畢業(yè)設(shè)計(論文第26 頁共33 頁 總電路仿真(正常溫度淮海工學(xué)院二一二屆本科畢業(yè)設(shè)計(論文第27 頁共33 頁 總電路仿真(低溫附錄2:DATAPIN BIT P1.6ORG 0000HLJMP MAINORG 0100HMAIN: MOV SP,#40HLCALL INIT1820 ;18

38、B20復(fù)位程序LCALL SSS ;發(fā)ROM功能命令子程序MOV DPTR,#7FFFHMOV A,#80HMOVX DPTR,AMAIN0: LCALL GET ;讀出溫度數(shù)據(jù)保存到RAM單元MOV A,57HANL A,#07HMOV 62H,A ;取出D6D5D4,暫存62HMOV A,58HSW AP AANL A,#0FHMOV 61H,A ;取出D3D2D1D0,暫存61HMOV A,62HSW AP AORL A,61H ;組合MOV 67H,AMOV B,#10DIV ABMOV 61H,A ;溫度個位顯示MOV 60H,B ;溫度十位顯示LCALL DISP ;顯示子程序MO

39、V A,67HJNB P2.0,MAIN1CJNE A,#85,NEG ;溫度比較SJMP NEXTNEG: JC NEG1SJMP BIGNEG1: CJNE A,#75,NEG2SJMP NEXTNEG2: JC NEXT1SJMP NEXTNEXT1: SETB P1.2CLR P1.1CLR P1.3SETB P1.0SETB P1.7SETB P1.5 ;溫度低,反轉(zhuǎn)CLR P1.4SJMP MAIN0BIG: SETB P1.7SETB P1.4 ;溫度高,電機(jī)加速CLR P1.5SETB P1.3CLR P1.2CLR P1.1SETB P1.0SJMP MAIN0NEXT: S

40、ETB P1.1CLR P1.2CLR P1.3CLR P1.0CLR P1.4 ;溫度正常,停轉(zhuǎn)CLR P1.5CLR P1.7SJMP MAIN0MAIN1: LCALL DELAY1JB P2.0,MAIN0MOV DPTR,#7FFFHMOV A,#80HMOVX DPTR,ASTART: MOV R0,#85 ;計數(shù)值存R0MOV DPTR,#7FFCHMOV A,#00HMOVX DPTR,AMOV DPTR,#7FFDHMOV A,#00HMOVX DPTR,A ;數(shù)碼顯示初始化MOV A,R0MOV B,#10DIV AB ;分離計數(shù)值的十位和個位MOV DPTR,#TABLE

41、 設(shè)置段碼表首地址MOVC A,A+DPTR ;分別取十位和個位的段碼并顯示MOV DPTR,#7FFCHMOVX DPTR,AMOV DPTR,#TABLEMOV A,BMOVC A,A+DPTRMOV DPTR,#7FFDHMOVX DPTR,AS1: CJNE R0,#100,LOOP1 ;判斷計數(shù)值是否達(dá)到最大MOV R0,#00HSJMP S1S2: CJNE R0,#00H,LOOP2 ;判斷計數(shù)值是否達(dá)到最大MOV R0,#99SJMP S2LOOP1: JB P2.2,LOOP2 ;等待按鍵LCALL DELAY1JB P2.2,LOOP1 ;消除按鍵抖動INC R0 ;計數(shù)值

42、加1SJMP S3LOOP2: JB P2.3,LOOP3 ;等待按鍵LCALL DELAY1JB P2.3,LOOP2 ;消除按鍵抖動DEC R0 ;計數(shù)值減1SJMP S4LOOP3: JB P2.1,LOOP1LCALL DELAY1JB P2.1,LOOP3LJMP MAINS3: MOV A,R0MOV B,#10DIV AB ;分離計數(shù)值的十位和個位MOV DPTR,#TABLE ;設(shè)置段碼表首地址MOVC A,A+DPTR ;分別取十位和個位的段碼并顯示MOV DPTR,#7FFCHMOVX DPTR,AMOV DPTR,#TABLEMOV A,BMOVC A,A+DPTRMOV

43、 DPTR,#7FFDHMOVX DPTR,AJB P2.2,S1 ;等待按鍵抬起LJMP S3S4: MOV A,R0MOV B,#10DIV AB ;分離計數(shù)值的十位和個位MOV DPTR,#TABLE ;設(shè)置段碼表首地址MOVC A,A+DPTR ;分別取十位和個位的段碼并顯示MOV DPTR,#7FFCHMOVX DPTR,AMOV DPTR,#TABLEMOV A,BMOVC A,A+DPTRMOV DPTR,#7FFDHMOVX DPTR,AJB P2.3,S2 ;等待按鍵抬起LJMP S4DELAY1: MOV R5,#20 ;延時10毫秒D1: MOV R6,#250DJNZ R6,$DJNZ R5,D1RET;18B20復(fù)位程序INIT1820:SETB DA TAPINNOPNOPCLR DA TAPIN ;置DQ低電平MOV R0,#0FFHDJNZ R0,$ ;延時551us復(fù)位低脈沖SETB DA TAPINNOPNOPMOV R0,#25H ;等待18B20回應(yīng)TSR2:JNB DA TAPIN,TSR3 ;有回應(yīng),跳TRS3DJNZ R0,TSR2 ;延時查詢LJMP TSR4 ;無回應(yīng)跳TRS4TSR3: SETB 70HLJMP TSR5TSR4: CLR 70HL