一種起重機控制柜溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計*

2021-11-23 08:12:44林寧

機電工程技術 2021年10期

林寧

（福建省特種設備檢驗研究院泉州分院，福建泉州 362200）

0 引言

隨著經濟的發(fā)展，國內外貿易量劇增，物流行業(yè)往集中化、高速化方向進步，直接導致起重機械尤其是港口大型起重機械使用需求量猛增[1]。一方面，起重機械的數(shù)量迅猛增長，另一方面單臺起重機械的使用頻率大幅度提升。而作為起重機械的大腦——控制柜，成為起重機械能否提供安全高效服務的關鍵所在。控制柜在使用中，如果出現(xiàn)持續(xù)高溫狀態(tài)，容易出現(xiàn)半導體器件性能惡化、電容等元器件等漏電流增大等問題[2]。同時，一方面高溫容易導致電路電平的漂移較大、控制準確性變差，結果造成PLC故障率增大，壽命降低；另一方面，溫度過低同樣會降低模擬回路的精度，使得回路的安全系數(shù)變小，嚴重的甚至會引起控制系統(tǒng)的動作不正常。長期實踐證明，當控制柜環(huán)境溫度急劇變化時，影響更大[3]。因此，設計一種簡單、準確、成本低廉的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，對控制柜運行溫度進行監(jiān)控，意義重大。

本文針對控制柜的溫度監(jiān)控等方面的問題，設計了一個完整的溫度檢測系統(tǒng)。實現(xiàn)了采用“單片機—測溫傳感器”進行在線溫度測量的功能，跟蹤控制柜使用過程中環(huán)境及主板的溫度變化曲線，以確保控制柜可以準確發(fā)出指令，提升起重機作業(yè)的安全性和可靠性。該系統(tǒng)包括軟件和硬件，同時，還可以實現(xiàn)在溫度超過設置閾值時及時報警。該系統(tǒng)在實際中有很強的應用價值。

1 傳感器選型和設計

1.1 DS18B20原理

DS1820數(shù)字式溫度傳感器是新一代半導體集成傳感器，其充分利用了大規(guī)模集成電路技術，把多項功能集中于一體，克服了傳統(tǒng)式溫度傳感器所存在的問題[4]。DS1820的主要功能部件包括：溫度探測頭和模擬回路，A/D信號變換存儲回路，只讀數(shù)字電路用存儲器（ORM、RAM和EZPORM），以及單總線通信接口等。DS1820的主要功能：通過溫度探測頭感知所處位置的實時溫度，轉化為電平輸入到檢測回路中，并轉變?yōu)閿?shù)字信號信息，按需存入相關的存儲器。檢測電路將被測點的溫度值檢測并輸入進來，由于DS1820用的是經典的差分對管線性化方法，解決信號在非線性工作區(qū)內伴隨產生的非線性失真的問題，大大提高了測量范圍和精度。DS1820的測量范圍為-55～＋125℃，測量精度為±0.5℃。

探測頭感知的溫度的數(shù)值信號，經過模數(shù)轉換回路，最終傳感器輸出的測量結果是2個字節(jié)8位的數(shù)字信號，首個字節(jié)采用補碼的編碼方式存儲溫度8位二進制碼的絕對值，次字節(jié)用來標記首字節(jié)存儲的正值和負值的屬性（0x00H為正，0xFFH為負）。

1.2 DS18B20特點

DS18B20接口為單總線形式，所以只需要一條數(shù)據(jù)線就能實現(xiàn)傳感器與控制器（單片機等各種微處理器）之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)控制器對傳感器發(fā)送指令控制及傳感器向控制器反饋監(jiān)控數(shù)據(jù)的功能。這種數(shù)據(jù)通信模式性價比高，抗干擾能力強，穩(wěn)定性高，適合于各種工況（如港口起重機的在臺風暴雨下工作等惡劣工況）的現(xiàn)場溫度檢測。同時，該傳感器可以在數(shù)據(jù)線上的時序符合傳感器預先的設定的時候，即可通過數(shù)據(jù)線得電的供電方法獲取電源，這樣一來就不再需要外部電源，從而使系統(tǒng)結構簡單，自身即可實現(xiàn)監(jiān)測功能，不需要附帶其他的元器件，對安裝工藝幾乎沒什么要求。該傳感器還可以通過并聯(lián)的方式，實現(xiàn)多點測溫，可以更進一步對多臺起重機械使用，組件監(jiān)控網絡，實現(xiàn)使用單位對本單位起重機的全面管控。

綜上，DS18B20相比其他傳感器來說有著更加小巧、更大的電壓帶寬、價格低廉、結果可靠等多項優(yōu)勢，同時可搭配各種控制器，而且對環(huán)境要求低，合適組建溫度監(jiān)控系統(tǒng)。因此，本文采用DS18B20作為主傳感器。

1.3 DS18B20存儲器設計

DS18B20內設ROM（只讀存儲器）、RAM（數(shù)據(jù)暫存器）和EEPROM（非易失性記憶體）3種存儲器。其中，ROM為64位，作用是保存?zhèn)鞲衅鞯木幋a（包括芯片的編碼、序列號和CRS），作為每個DS18B20芯片的身份證，不會被修改。RAM共9個字節(jié)，合計72位，以字節(jié)為單位存儲數(shù)據(jù)。本文用第1～2個字節(jié)保存監(jiān)控到的溫度數(shù)據(jù)，第3～4個字節(jié)用來保存高低溫報警閾值，第5個字節(jié)保存EEPROM的備份數(shù)據(jù)防止掉電帶來的數(shù)據(jù)丟失。第6～8個字節(jié)為計數(shù)器，用來記錄各種溫度出現(xiàn)的時序。最后一個字節(jié)用來做冗余校驗。EEPROM共3位，第1～2位保存溫度上下限報警閾值，最后一位用來做冗余校驗。同時，報警閾值映射至RAM的第3～5字節(jié)，生成在鏡像，用于快速調用。

2 單片機的選型和設計

2.1 單片機的選型

一般來說，監(jiān)控系統(tǒng)可以由兩種方式實現(xiàn)。一種是以PLC為核心構成，PLC在開關量控制方面具有較強優(yōu)勢[5]，連接上位機又可彌補其數(shù)據(jù)管理和顯示功能方面的不足，但成本高；另一種是由單片機為核心，在每個需要監(jiān)控的地方還可以另配單片機作為分機，各分機受主控機控制，單片機系統(tǒng)成本低、靈活性強[6]。

當前國內外適用做監(jiān)控系統(tǒng)的單片機型號多樣，其中當數(shù)MCS-51、MCS-96的應用最為廣泛。而MCS-51的性價比極佳，用起研制的各種監(jiān)控系統(tǒng)越來越完善，支持的制造廠家以及芯片種類也多，同時還有可以針對各種不同需求定制新的集中的新機種，因此，MCS-51系列單片機是研發(fā)中小型嵌入式系統(tǒng)的常用選擇[7]。

AT89C51是在我國應用較早、技術較成熟的MCS-51系列單片機，價格低廉、功耗低、性能高。其自帶的4 kb快閃（可編程/擦除只讀存儲器）、8位微控制器，與80C51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。AT89C51支持直接在線編程，同時可以利用非易失存儲結構，擦除原有程序，重新編程，實現(xiàn)重復循環(huán)編程功能，為很多嵌入式控制應用提供了非常靈活而又價格適宜的方案，其性能價格比極高。因此，本文選用AT89C51作為控制系統(tǒng)的頭腦。

2.2 單片機的主要操作指令

（1）復位：對DS18B20傳感器進行復位。

（2）收存脈沖：成功復位后，單片機發(fā)出指令，將數(shù)據(jù)單總線設置為高電平，用來接收存在脈沖。

（3）ROM指令：執(zhí)行數(shù)據(jù)冗余驗證，驗證傳感器狀態(tài)是否正常。

（4）交互指令：要求RAM和EEPROM進行數(shù)據(jù)交互的指令。

（5）執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫：指令以隊列形式進行存儲和讀取，按順序執(zhí)行。

3 程序設計

3.1 DS18B20溫度值的讀取

讀取溫度值的流程為：（1）復位、忽略ROM指令、運行數(shù)據(jù)轉存器的控制命令；（2）系統(tǒng)等待500μs（溫度轉換時間）；（3）復位、跳過ROM指令、運行讀RAM的控制命令、讀取溫度。每次讀取封頂9個字節(jié)，在讀取前根據(jù)需要設置讀取長度，如僅需要知道溫度數(shù)值時，則設置讀取第1～2個字節(jié)。

3.2 配置DS18B20讀寫時間隙

（1）寫時間隙代碼如圖1所示。

圖1 寫時間隙代碼

（2）讀時間隙代碼如圖2所示。

圖2 讀時間隙代碼

（3）復位DS18B20代碼如圖3所示。

圖3 復位DS18B20代碼

4 樣機實現(xiàn)

4.1 下位機實現(xiàn)

本文采用工業(yè)版，制作簡單方便，關鍵是設置好DS18B20的時序。要特別注意的是，本次用的單片機為1T模式，機器周期不經過分頻。所以，在軟件上面對延時程序的軟件驗證需要考慮到這個問題。即軟件仿真出來的延時時間并不等于時間單片機運行時的延時時間，而是有一定的倍數(shù)關系。

4.2 上位機界面設計

LabVIEW[8]軟件是NI設計平臺的核心，集成了快速構建各種應用所需的各種工具，是開發(fā)測量系統(tǒng)的最佳選擇之一。本文采用LabVIEW軟件實現(xiàn)上位機界面的開發(fā)。

4.2.1 主要控件設置

（1）對TIMER控件設置TIMER回調函數(shù)，在該函數(shù)里面可以進行相關參數(shù)的計算以及溫度實時曲線的繪制。

（2）Begin控件的參數(shù)設置，設置Begin回調函數(shù)，當按下此按鈕時，標志位置一，啟動溫度顯示曲線。

（3）Stop控件的參數(shù)設置，設置Stop回調函數(shù)，當按下此按鈕時，標志位置零，暫停溫度顯示曲線。

（4）CLOSE控件的參數(shù)設置，設置CLOSE回調函數(shù)，當按下此按鈕時，退出上位機顯示界面。

4.2.2 關鍵函數(shù)配置

（1）配置端口參數(shù)：Open Com Config(2,"",9 600,0,8,1,512,512)。該函數(shù)可以設置窗口通信的串口號、波特率、是否進行奇偶校驗等與下位機通信的參數(shù)。由于本文采用的電腦與下位機的通信串口號為COM2，所以設置PortNumber為COM2。為了與下位機中的串口參數(shù)一致，波特率設置為9600Baud、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位數(shù)為8、一位停止位。

（2）數(shù)組求和函數(shù)：Sum1D(datetemp,num,&temp)。

（3）求數(shù)組中的最大最小值：Max Min1D(datetemp,num,&max,&maxid,&min,&minid)。

（4）幅值函數(shù)：SetCtrlVal(panel Handle,PANEL_NUMERIC_4,(float)(temp)/num)。

（5）關閉串口2：CloseCom(2)。

（6）串口接收數(shù)據(jù)時間回調函數(shù)：Install Com Callback(2,LWRS_RXCHAR,1,'