節(jié)能型冷庫溫度測控系統(tǒng)設(shè)計

摘 要： 本文針對大型冷庫的節(jié)能問題及其溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計要求，提出以臺式機(jī)與89S51單片機(jī)構(gòu)成集散式溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計方案，闡述了利用單片機(jī)控制多個模擬開關(guān)構(gòu)成的測控網(wǎng)，對各個冷間采用多點溫度實時檢測，精確控制溫度，降低能耗的方法。

關(guān)鍵詞： 計算機(jī) 89S51單片機(jī) 模擬開關(guān)

一、 引言

大型冷庫如何更好地保證儲存貨物的質(zhì)量，減少制冷系統(tǒng)不必要的能耗，對冷庫冷間溫度的檢測與控制是重要環(huán)節(jié)之一。由于大型冷庫每個冷間的溫度決定著制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，而制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度每降低1℃，其螺旋桿式壓縮機(jī)的制冷量會降低4%～5%。雖然螺桿式制冷壓縮機(jī)的軸功率只是略有下降，但螺旋桿式壓縮機(jī)的能效比COP卻有明顯的降低。依據(jù)TS16949質(zhì)量管理體系，經(jīng)COP分析，知系統(tǒng)節(jié)能降耗創(chuàng)造價值的過程中，除科學(xué)選擇建筑形式和材料外，必須防止冷間溫度大起大落，嚴(yán)格控制冷間溫度在給定溫度的很小范圍內(nèi)波動。本系統(tǒng)力求溫度控制在給定溫度的±0.5℃范圍內(nèi)工作，實現(xiàn)節(jié)能降耗。下面分硬、軟兩部分介紹本系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)成。

二、硬件系統(tǒng)設(shè)計

由于冷間體積大，存放的貨物多，進(jìn)出貨較頻繁，不同位置的貨物溫度是不同的，因此本設(shè)計采用模擬開關(guān)構(gòu)成測控網(wǎng)，在溫度測控過程中，對每個冷間進(jìn)行八點溫度實時檢測和計算處理，最大限度地提高多點溫度檢測和控制的精度。

系統(tǒng)采用臺式機(jī)作為該集散系統(tǒng)的上位機(jī)，通過RS-485串行總線與各冷間中的前置機(jī)相連，前置機(jī)以89C51單片機(jī)為控制核心，主要由A/D轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、電源電壓監(jiān)測和看門狗、串行通信接口等電路組成，通過控制模擬開關(guān)的切換，分時檢測安裝在冷間不同位置的8個溫度傳感器測得的溫度，實現(xiàn)智能多點溫度測控。

1.溫度傳感器電路的設(shè)計

系統(tǒng)使用DS18B20半導(dǎo)體溫度傳感器，它以PN結(jié)作為敏感元件，具有反應(yīng)快、價格低等特點。在正常工作時輸入端須設(shè)置為恒流偏置，其工作電流在200uA左右。由于傳感器中PN結(jié)兩端的電壓隨溫度變化而變化，因此在系統(tǒng)中只需檢測這個PN結(jié)兩端的電壓，再將其轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的溫度數(shù)值即可。

2.開關(guān)輸入電路的設(shè)計

為了完成對8個檢測點溫度的動態(tài)檢測，系統(tǒng)設(shè)計了由一片CD4052雙四選一模擬開關(guān)組成的開關(guān)輸入電路。在單片機(jī)的控制下通過對8個支路的選通，依次將8個傳感器的輸出與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，完成對冷間8個點溫度的測量。

3.A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

由于設(shè)計要求測量精度小于±0.5℃，系統(tǒng)選用的DS18B20溫度傳感器輸出精度為2.5mV/℃。因此使用普通的8位A/D轉(zhuǎn)換芯片是滿足不了測量精度要求的。本設(shè)計選用了抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)用廣泛的AD574A高精度12位逐次逼近型快速A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度最大為25μS，轉(zhuǎn)換精度為0.05%，其片內(nèi)配有三態(tài)輸出緩沖電路，因而可與各種典型的8位或16位的CPU或MCU相連，而無需附加邏輯接口電路。由于AD574A片內(nèi)設(shè)有高精度的參考電壓源和時鐘電路，且能夠與CMOS和TTL電平兼容，這使它在不需要任何外部參考電壓電路和時鐘電路的情況下，就可以完成所有A/D轉(zhuǎn)換功能，直接輸出二進(jìn)制A/D轉(zhuǎn)換數(shù)碼，本設(shè)計將AD574A的模擬信號電壓輸入范圍設(shè)定為0V～+10V，單極性輸入。由于該芯片用12/和A0端來控制轉(zhuǎn)換字長和數(shù)據(jù)格式，A0=0時啟動12位A/D轉(zhuǎn)換模式，A0=1時啟動8位A/D轉(zhuǎn)換模式，12/=1時，對應(yīng)12位數(shù)據(jù)并行輸出。12/8=0時，對應(yīng)8位雙字節(jié)數(shù)據(jù)并行輸出。其中A0=0時輸出數(shù)據(jù)高8位，A0=1時輸出數(shù)據(jù)低4位，并以4個0補(bǔ)充低4位無效位，由于89S51單片機(jī)字長是8位，故只能分兩次直接讀取AD574A模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。必須指出12/8端與TTL電平不兼容，故只能通過布線將其接到電源或地線上。A0在數(shù)據(jù)輸出階段不能變化，否則讀取的模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)無效。

4.電源電壓與程序看門狗電路的設(shè)計

為防止電源干擾和程序跳飛造成死機(jī)，本系統(tǒng)設(shè)計了由電源電壓監(jiān)測器TL7705，雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123構(gòu)成的電源電壓和程序看門狗電路。其TL7705的觸發(fā)信號連到89S51的第9腳，如有電源干擾將強(qiáng)迫89S51復(fù)位，使其重新開始正常工作。由于TL7705自身功耗低，上電時可自動發(fā)出復(fù)位信號，因此本設(shè)計將其作為89S51的上電復(fù)位電路。另外設(shè)計還選用了74LS123雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，作為89S51單片機(jī)自動復(fù)位電路，通過對單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設(shè)置適當(dāng)?shù)腞C時間常數(shù)，當(dāng)程序跳飛造成死機(jī)時，使89S51單片機(jī)不能給單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸送小于該時間常數(shù)的觸發(fā)信號時，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將因超過該時間常數(shù)所規(guī)定的時間，使Ifgg+KdkxzL2tIym4L7lJwWS5OhP1Ezrgc+ZNFG+ewQ=其輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，強(qiáng)迫89S51單片機(jī)復(fù)位，并使其重新回到初始狀態(tài)開始正常工作。

5.上位機(jī)與前置機(jī)串行通信接口電路的設(shè)計

由于RS-232通信協(xié)議只允許點對點的通信，實際應(yīng)用時各冷間通信線路長度不等，最長達(dá)幾百米。根據(jù)RS-232通信要求，系統(tǒng)設(shè)計了專用通信電路板，利用臺式計算機(jī)的串口，將RS-232串行通信接口轉(zhuǎn)換成可以進(jìn)行多點通信的RS-485串行通信接口。這樣，在上位計算機(jī)軟件編程時，仍可直接使用串口管理多臺前置機(jī)。能實現(xiàn)RS-485通信功能的芯片很多，本系統(tǒng)選用了抗干擾能力強(qiáng)、功耗小，傳輸距離遠(yuǎn)的SN75176半雙工差動輸出芯片，在數(shù)字信號傳輸過程中，自動完成TTL電平與EIA電平之間的轉(zhuǎn)換。

三、軟件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計分為兩大部分，即上位計算機(jī)軟件和前置機(jī)軟件。

1.上位計算機(jī)軟件設(shè)計

上位計算機(jī)軟件采用C++完成界面設(shè)計，其控制程序完成對冷間中分布在不同位置的傳感器進(jìn)行實時溫度檢測，并對冷間中各點溫度進(jìn)行計算、分析和數(shù)據(jù)打印等。

2.前置機(jī)軟件設(shè)計

前置機(jī)軟件主要包括電子矩陣開關(guān)切換的控制、A/D轉(zhuǎn)換啟動及讀取結(jié)果和與上位計算機(jī)的串行通信。前置機(jī)軟件設(shè)計了電子開關(guān)切換后的延時，以確保A/D轉(zhuǎn)換時輸入端有穩(wěn)定的電壓。由于AD574A是逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間較短，因而本系統(tǒng)對多點溫度檢測速度較快，是完全可以滿足大型冷庫對溫度的檢測要求的。89S51單片機(jī)與上位計算機(jī)通信設(shè)定為串口工作模式二的多機(jī)通信方式，并以中斷方式完成。

四、結(jié)語

由于設(shè)計采用的集散式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、人機(jī)界面友好、方便實用。經(jīng)過多家大型冷庫使用性能穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果顯著，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

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