船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制

（4）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。

（5）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。

2.3系统的性能指标

2.3.1系统的主要技术功能

（1）系统的测温范围：0℃—99.9℃；

世界海洋的水温变化一般在-2℃—30℃之间，其中年平均水温超过20℃的区域占整个海洋面积的一半以上。但是由于柴油机在工作时排出大量的热量。所以考虑测量水温变化范围为0℃—99.9℃。同时根据以往航行的数据表明，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：

在低温回路中低温冷却淡水的出口和进口、高温回路中高温冷却淡水的出口和进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。用户可以对任念一个测量点的温度进行监控。

（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

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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。 2.3.2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。

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第3章 系统硬件组成

3.1系统硬件组成结构图

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 多路开关 放大调制电路 A/D转换 驱单片机 动电路 执行机构 键盘与显示电路 串行通信 看门狗电路 图3-1 硬件电路结构原理图 报警电路

本系统采用常见的89C51单片机作为微处理器。选用铂热电阻（Pt100）作为温度传感器，与高精度的查分运算放大器OP27组成了高响应的精密温度测量电路。采用了ADC0809芯片作为精密测温电路与单片机的转换通道（A/D转换电路）。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X5045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。

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3.2系统各部分结构

3.2.1测温电路

为了避免或减小导线电阻对测温的影响，工业中热电阻多采用三线制接法，由热电阻PT100与电桥共同构成测量电路，其结构如图3-21所示。

图3-21温度测量电路图

因铂热电阻pt100的精度较高，考虑到导线的电阻问题。图中热电阻Rt的三根导线粗细相同，长度相同，阻值都是r，即Ra=Rb=Rc=r。其中一根导线串联在电桥的电源上，对电桥的平衡无影响，另外两根分别串联在相邻的两臂上，使相邻两臂的阻值都增加相同的阻值r。这样，导线对热电阻测量温度的准确性毫无影响。测温电路选择OP27作为放大器。OP27它是一种低噪音、高精准、高速运算放大器，适应的温度范围较广。本系统选用的放大器适宜的工作温度范围为－25℃～85℃，完全能够适应船舶环境，这无疑提高了温度测量的精度。信号放大部分属于V-V放大，将电桥等效成差分放大电路，可以得运算放大倍数A=R5/R2。另外，可通过调节桥臂上的电位器RT3使电桥平衡。

在水温0℃时，调整R3阻值使得电桥平衡。即Rt=R3。此时差分放大电路两端的输入电压相同。即U+=U-。那么差分运算电路的输出电压为0。根据铂热电阻在不同温度下的阻值的线性变化，可以得到U+、U-电压差的变化。继而可以得到差分运算放大器输出电压的变化。将温度的变化转化为电压的变化输送到A/D转换电路。A/D转换电路将电压的模拟信号转换为数字信号输送给单片机，单片机通过运算将数字信号转换为ASCII码。最终通过3位LED显示管转换成3位十进制数字。这便是测温电路的整体工作流程。

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

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