基于单片机控制的新型船用智能保温系统设计

张媛成皓，王帅军，李姗姗，黄锦杰，吕 洄

(浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院，浙江 舟山 316000)

随着极地航线的开辟，船舶设备和物品的保温成为需要解决的问题。为此我们设计了一种新型低品位废热保温系统(见图1)。该系统将船舶低品位废热从热源导出至被保温物品，并可以根据船员设置情况自动控制其保温开关的启停。保温开关由左半部分的曲面板和右半部分的月牙形空腔组成。通过曲面板与月牙形空腔的接触与否来完成保温系统的启停。

笔者根据这种船用新型低品位废热保温系统设计的需要，设计了保温系统的自动控温装置。使系统可以实现自我温度调节，减少船员工作量。

1-热源；2-导热管路；3-曲面板；4-被保温物质；5-导热管路；6-月牙形空腔图1 新型低品位废热保温系统示意图

1 自动控温装置的功能

该自动控温装置的功能达到如下要求。

1)测温范围达到-20 ℃～100 ℃。

2)设定温度浮动范围为±3 ℃。

3)显示屏上显示实时温度。

4)可以由船员自行控制启停时间。

2 硬件组成

自动温控装置采用单片机AT89S52作为控制电路的核心控制元件。 该芯片有以下优点：①低能耗，高性能；②8 000字节Flash，256字节RAM，适用于常规编程器；③与装置其他部分硬件的指令和引脚完全兼容。

2.1 温度检测

该器件的温度传感器使用某公司制造的DS18B20单线数字温度传感器。该传感器只需一条线通信，并且不需要外部元件和备用电源。温度范围为-55 ℃～125 ℃，可满足设备的温度范围。 在-10 ℃～85 ℃区间，精度为±0.5 ℃，温度显示精确。设定温度的上限和下限可由用户设定，并可长时间保存。使用该公司的单、总线控制协议，单线控制信号用于在总线上读写数据[1]。该传感器测试精度高，优于任何传统的温度数字化测控设备，可以应用于自动测试和控制系统的各种领域和环境。

1)测温原理。DS18B20测温原理示意如图2所示。在温度传感器DS18B20中，低温度系数晶体振荡器的振荡频率几乎不受温度的影响。用于产生固定频率的脉冲信号被发送到减法计数器1，并且高温系数晶体振荡器的振荡频率随温度显著变化。生成的信号作为脉冲输入信号输入到减法计数器2。当计数门打开时，DS18B20对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，用来完成温度测量[2]。

图2 DS18B20测温原理示意图

在每次测量之前，对应于-55 ℃的基准同时存放在减法计数器1和温度寄存器中。减法计数器1对由低温度系数晶体振荡器产生的脉冲信号做减法。当减法计数器1的预置值减小到0时，温度寄存器中增加1。之后，再次替换预置值，减法计数器将再次对低温度系数晶体振荡器产生的脉冲信号进行计数。这个循环一直到减法计数器2达到0时，温度寄存器才停止累积。注意，此时温度寄存器中的值是测量温度的十六进制值。

2)读过程。当单片机设定的数据端口(例如P1.1)接收到的电压由高电平变为低电平时会在总线上产生一个读时间片，一段时间后，DS18B20读取采样线的数据并进行比较。如果采样线为高电平则记为“1”，否则，它标记为“0”，输出位代码放在位累加器中。

3)写过程。当单片机的设定数据端口(例如P1.1)接收的电压从高电平变为低电平时，在总线上产生写时间片。一段时间后，DS18B20读取采样线DQ的数据并进行比较。如果DQ线为高电平则记为“1”，否则，它标记为“0”，输出位代码放在位累加器中。

4)温度转换及读取流程。本设计基于单片机AT89S52，温度转换及读取流程表如表1所示。

表1 温度转换及读取流程表

2.2 保温系统控制过程

该保温系统靠曲面板与月牙形空腔的接触与否来实现系统的加热与停止加热。当被保温设备达到设定温度的最高值时，单片机AT89S52控制步进电机带动空腔转动，使曲面板与空腔脱离，达到停止加热的目的；当被保温设备的温度低于设定值时，单片机AT89S52控制步进电机带动空腔转动，使曲面板与空腔接触，达到开始加热的目的。温控范围可以通过软件程序来设置改变。本设计的设定温度浮动范围为±3 ℃。单片机AT89S52驱动四相步进电动机连接示意图见图3。

图3 单片机AT89S52驱动四相步进电动机连接示意图

2.3 其他部分电路设计

1)温度控制。使用8位数码管显示实时温度、设定温度和时间。单片机AT89S52将数字温度传感器DS18B20的实时温度值和外部设定的温度值发送到AMPIRE12864的显示RAM[3]。再由 AMPIRE12864送入数码管显示。并使用按钮开关将单片机AT89S52的P2.0连接为设定温度范围的输入端。

2)电动机启动。四相步进电动机通常采用单极性激励方式，而在本设计中并不需要改变驱动电流方向(不需要电机反转)，因此可用ULN2003作为驱动接口电路。

由图3知，单片机AT89S52的P2.1～P2.4作为4组线圈驱动控制端口，分别接ULN2003输入端In1～In4；P2.6接Kp(正转)控制按钮；ULN2003输出端Out1～Out4分别接步进电机4组线圈；公共端接步进电机的额定电压[4]。

3 控制系统的软件设计

单片机系统通电,程序开始运行。系统首先初始化相关的单元数据，显示测量的温度值以及是否按下电机启动按钮，执行各种功能键功能，系统确定设备是否被激活。当实时温度等于设定的启动温度或由电机手动启动时，设备开始运行并开始加热。如果在加热过程中发生其他温度变化导致实际温度高于设定温度范围，则停止加热;当温度低于设定温度范围时继续加热。当实际温度达到设定温度时，停止加热。其中所有的设定值可保存。只要未重置，系统就可以继续按原始设置工作。

4 控制系统的工作流程

接通电源，屏幕显示被保温物质的实时温度，通过系统设计的功能键进行设定温度的上下限等工作。设置完成后系统开始工作，AMPIRE12864显示被保温物质的实时温度，并与设定温度的上下限进行比较。当达到加热上限时停止加热，当达到保温下限时开始保温(加热)。如果温度超过加热上限2 ℃或低于保温下限2 ℃时，蜂鸣器被接通报警，提醒船舶值班人员对设备进行检查。

5 结束语

本设计基于单片机控制的新型船用智能保温系统，设计简单，温度测量准确，具有一定的实用价值。该智能测温系统在新型船用智能保温系统中只是一个简单的应用，还有许多需要完善的地方，例如，该装置可与大型柴油发动机的燃料黏度自动控制系统结合，以确保燃料黏度的稳定性，对确保涡轮机的安全和经济运行至关重要。而在日常管理中应注意系统设置温度的上下限是否正确，应对不同的被保温物质采取不同的温控范围，以免发生意外事故。