基于單片機控制的新型船用智能保溫系統設計

張媛成皓，王帥軍，李姍姍，黃錦杰，呂 洄

(浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院，浙江 舟山 316000)

隨著極地航線的開辟，船舶設備和物品的保溫成為需要解決的問題。為此我們設計了一種新型低品位廢熱保溫系統(見圖1)。該系統將船舶低品位廢熱從熱源導出至被保溫物品，并可以根據船員設置情況自動控制其保溫開關的啟停。保溫開關由左半部分的曲面板和右半部分的月牙形空腔組成。通過曲面板與月牙形空腔的接觸與否來完成保溫系統的啟停。

筆者根據這種船用新型低品位廢熱保溫系統設計的需要，設計了保溫系統的自動控溫裝置。使系統可以實現自我溫度調節，減少船員工作量。

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

1 自動控溫裝置的功能

該自動控溫裝置的功能達到如下要求。

1)測溫范圍達到-20 ℃～100 ℃。

2)設定溫度浮動范圍為±3 ℃。

3)顯示屏上顯示實時溫度。

4)可以由船員自行控制啟停時間。

2 硬件組成

自動溫控裝置采用單片機AT89S52作為控制電路的核心控制元件。 該芯片有以下優點：①低能耗，高性能；②8 000字節Flash，256字節RAM，適用于常規編程器；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

該器件的溫度傳感器使用某公司制造的DS18B20單線數字溫度傳感器。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 ℃，可滿足設備的溫度范圍。 在-10 ℃～85 ℃區間，精度為±0.5 ℃，溫度顯示精確。設定溫度的上限和下限可由用戶設定，并可長時間保存。使用該公司的單、總線控制協議，單線控制信號用于在總線上讀寫數據[1]。該傳感器測試精度高，優于任何傳統的溫度數字化測控設備，可以應用于自動測試和控制系統的各種領域和環境。

1)測溫原理。DS18B20測溫原理示意如圖2所示。在溫度傳感器DS18B20中，低溫度系數晶體振蕩器的振蕩頻率幾乎不受溫度的影響。用于產生固定頻率的脈沖信號被發送到減法計數器1，并且高溫系數晶體振蕩器的振蕩頻率隨溫度顯著變化。生成的信號作為脈沖輸入信號輸入到減法計數器2。當計數門打開時，DS18B20對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖進行計數，用來完成溫度測量[2]。

圖2 DS18B20測溫原理示意圖

在每次測量之前，對應于-55 ℃的基準同時存放在減法計數器1和溫度寄存器中。減法計數器1對由低溫度系數晶體振蕩器產生的脈沖信號做減法。當減法計數器1的預置值減小到0時，溫度寄存器中增加1。之后，再次替換預置值，減法計數器將再次對低溫度系數晶體振蕩器產生的脈沖信號進行計數。這個循環一直到減法計數器2達到0時，溫度寄存器才停止累積。注意，此時溫度寄存器中的值是測量溫度的十六進制值。

2)讀過程。當單片機設定的數據端口(例如P1.1)接收到的電壓由高電平變為低電平時會在總線上產生一個讀時間片，一段時間后，DS18B20讀取采樣線的數據并進行比較。如果采樣線為高電平則記為“1”，否則，它標記為“0”，輸出位代碼放在位累加器中。

3)寫過程。當單片機的設定數據端口(例如P1.1)接收的電壓從高電平變為低電平時，在總線上產生寫時間片。一段時間后，DS18B20讀取采樣線DQ的數據并進行比較。如果DQ線為高電平則記為“1”，否則，它標記為“0”，輸出位代碼放在位累加器中。

4)溫度轉換及讀取流程。本設計基于單片機AT89S52，溫度轉換及讀取流程表如表1所示。

表1 溫度轉換及讀取流程表

2.2 保溫系統控制過程

該保溫系統靠曲面板與月牙形空腔的接觸與否來實現系統的加熱與停止加熱。當被保溫設備達到設定溫度的最高值時，單片機AT89S52控制步進電機帶動空腔轉動，使曲面板與空腔脫離，達到停止加熱的目的；當被保溫設備的溫度低于設定值時，單片機AT89S52控制步進電機帶動空腔轉動，使曲面板與空腔接觸，達到開始加熱的目的。溫控范圍可以通過軟件程序來設置改變。本設計的設定溫度浮動范圍為±3 ℃。單片機AT89S52驅動四相步進電動機連接示意圖見圖3。

圖3 單片機AT89S52驅動四相步進電動機連接示意圖

2.3 其他部分電路設計

1)溫度控制。使用8位數碼管顯示實時溫度、設定溫度和時間。單片機AT89S52將數字溫度傳感器DS18B20的實時溫度值和外部設定的溫度值發送到AMPIRE12864的顯示RAM[3]。再由 AMPIRE12864送入數碼管顯示。并使用按鈕開關將單片機AT89S52的P2.0連接為設定溫度范圍的輸入端。

2)電動機啟動。四相步進電動機通常采用單極性激勵方式，而在本設計中并不需要改變驅動電流方向(不需要電機反轉)，因此可用ULN2003作為驅動接口電路。

由圖3知，單片機AT89S52的P2.1～P2.4作為4組線圈驅動控制端口，分別接ULN2003輸入端In1～In4；P2.6接Kp(正轉)控制按鈕；ULN2003輸出端Out1～Out4分別接步進電機4組線圈；公共端接步進電機的額定電壓[4]。

3 控制系統的軟件設計

單片機系統通電,程序開始運行。系統首先初始化相關的單元數據，顯示測量的溫度值以及是否按下電機啟動按鈕，執行各種功能鍵功能，系統確定設備是否被激活。當實時溫度等于設定的啟動溫度或由電機手動啟動時，設備開始運行并開始加熱。如果在加熱過程中發生其他溫度變化導致實際溫度高于設定溫度范圍，則停止加熱;當溫度低于設定溫度范圍時繼續加熱。當實際溫度達到設定溫度時，停止加熱。其中所有的設定值可保存。只要未重置，系統就可以繼續按原始設置工作。

4 控制系統的工作流程

接通電源，屏幕顯示被保溫物質的實時溫度，通過系統設計的功能鍵進行設定溫度的上下限等工作。設置完成后系統開始工作，AMPIRE12864顯示被保溫物質的實時溫度，并與設定溫度的上下限進行比較。當達到加熱上限時停止加熱，當達到保溫下限時開始保溫(加熱)。如果溫度超過加熱上限2 ℃或低于保溫下限2 ℃時，蜂鳴器被接通報警，提醒船舶值班人員對設備進行檢查。

5 結束語

本設計基于單片機控制的新型船用智能保溫系統，設計簡單，溫度測量準確，具有一定的實用價值。該智能測溫系統在新型船用智能保溫系統中只是一個簡單的應用，還有許多需要完善的地方，例如，該裝置可與大型柴油發動機的燃料黏度自動控制系統結合，以確保燃料黏度的穩定性，對確保渦輪機的安全和經濟運行至關重要。而在日常管理中應注意系統設置溫度的上下限是否正確，應對不同的被保溫物質采取不同的溫控范圍，以免發生意外事故。