摘 要
随着计算机技术、测量仪器和控制技术的高速发展，在现代自动控制领域中，应用了越来越多的先进测量控制技术、设备和方法。在这些众多的先进测量控制技术中，由于单片微处理器的性能日益提高、价格又不断降低，使其性能价格比的优势非常明显。因此，如何将单片微处理器应用到船舶自动控制领域，成为目前轮机自动化的焦点课题之一，为越来越多的科研机构所重视。
PID水温控制调节方法出现时间较早，已被大部分现代船舶所淘汰。因此本文针对传统的柴油机中央冷却系统水温PID控制系统算法较为复杂，不能准确、快速、灵敏、稳定的调节柴油机冷却水的温度，提出了基于89C51单片机的智能冷却水调节系统的控制方案和具体方法。在建立柴油机中央冷却系统高温淡水（缸套冷却水）冷却回路的动态热力模型基础上，将柴油机功率模糊信号引入到了高温冷却水温度控制系统中。通过调节三通阀的开度，从而可以达到降低冷却水温度的动态偏差，快速而准确的调节冷却水温度的目的。比较得出基于功率信号模糊预调节与水温Smith+PID调节的智能控制方法，明显优于常规PID控制方法。在实际应用中实现了对船舶柴油机冷却水的智能精确控制，减少了油耗，延长了发动机的使用寿命。
关键词：智能控制；89C51单片机；精度高；速度快
Abstract
With the rapid development of computer technology, measuring instruments and control technology, the application of advanced measurement and control technology, equipment and methods were applied in the modern field of automatic control. Due to the improving performance and decreasing price of single-chip microprocessor, its cost performance became outstanding beyond the numerous advanced measurements and control technologies. Therefore, one of the focuses of the current turbine automation topics is to apply the single-chip microprocessor into ship automatic control, which has been paid attention to by more and more research institutions.
PID temperature control adjustment method, which has the problems of complexity and can not accurately, rapidly, sensitively and stably control the diesel?s cooling system, had been eliminated by most modern ships. Therefore, this essay will focus on the the problems of the PID control system algorithm of the central cooling system water temperature in conventional diesel engines, and propose a control scheme and approach which is based on the 89C51 micro-controller smart cooling water conditioning system. The solution is to introduce the engine power fuzzy signal into a high-temperature cooling water temperature control system by establishing a dynamic model of the central engine cooling system temperature fresh water ( jacket cooling water ) cooling circuit on the basis of thermodynamic model. By adjusting the opening degree of the three-way valve to achieve the aim of reducing the dynamic deviation of water temperature and quickly and accurately adjusting the cooling water temperature. It can be significantly better than the conventional PID control methods system simulation studies which gains fuzzy intelligent control power signal pre-conditioning and water -based Smith + PID regulator. In practical applications, not only precise control of intelligent engine cooling water vessel is achieved, but also the fuel consumption is reduced and the life of the engine is extended.
KEY WORDS: intelligent controls,89C51 microcomputer, high precision, high speed
目 录
摘要 1
Abstract 2
第1章 绪论 5
第2章 船用柴油机中央冷却系统 10
2.1船用柴油机中央冷却系统工作过程 10
2.2系统的构成 10
2.2.1 系统结构图 11
2.2.2 系统各组成部分功能说明 11
2.3 系统的性能指标 13
2.3.1 系统的主要技术功能 13
2.3.2 系统的性能特点 14
第3章 系统硬件组成 15
3.1 系统硬件组成结构图 15
3.2 系统各部分结构 16
3.2.1 测温电路 16
3.2.2 A/D转换电路 17
3.2.3 键盘与显示电路: 18
3.2.4 串行通讯模块: 19
3.2.5 声光报警电路: 19
3.2.6 主控单元(MCC): 20
第4章 系统软件介绍 22
4.1 温度控制系统算法 22
4.1.1 系统的整体控制 22
4.1.2 算法介绍 23
4.2 计算机软件及功能 28
4.3 单片机的软件设计 30
4.3.1 主程序: 30
4.3.2 T.0中断服务子程序 32
4.3.3 串行口中断服务程序 32
第5章 系统可靠性研究 34
5.1 系统硬件的可靠性设计 34
5.2 系统软件的可靠性设计 36
第6章 结论 38
致谢 39
参考文献 40
绪论
课题提出背景
船舶柴油机冷却水温度控制技术是轮机自动化技术的重要组成部分。轮机自动化，是指用各种自动化仪器仪表、控制元件、逻辑元件，以及计算机系统等组成的各种自动控制和监测系统。它可以对船舶机舱内动力装置的运动参数进行自动控制，对机器设备的运行状态进行监测和报警，也可以对主要机器设备进自动操作等。
轮机在运行的情况下，由于摩擦与力的相互作用，有许多机械，设备的运动部件将一部分的机械能转换为内能，产生热量。而燃烧的燃气和压缩的空气也会散发出大量的热量，为了避免受热部件的温度因为过高而影响其正常工作，或者因热负荷过大而产生热腐蚀使其损坏，必须及时而有效地将这些多余的热量散发出去。因此，冷却水系统的功用，就是对需要及时散热的机械和设备提供足够的冷却水进行冷却，以保证其在一定合适的温度范围内安全、可靠地工作。
目前，船舶柴油机冷却水温度的自动控制系统大多采用的是电子式控制方.式，使用的是模拟式调节仪表，主要以电子器件的逻辑运算输出控制信号，来驱动继电器对电动机进行转向控制，从而达到对温度的控制。从整体上看主要存在以下两个明显就缺点：
①采用的元器件比较落后，导致电路较为复杂，使用的逻辑元器件也较多，增加了备件管理和维护工作的难度;
②由于系统整体比较复杂，同时模拟仪表的实现功能的限制，因此这些温度控制器都采用了最简单的控制规律，不能提供很好的控制性能。
以上我们可以了解到传统的模拟电路控制方法已经不能满足我们日益增加的需求，因此改进温度控制系统十分重要，船舶柴油机冷却水的温度是影响柴油机工作的重要热工参数。如果柴油机冷却水的温度过高,这将会加快润滑油的老化,加速零件的磨损精确控制冷却水的温度,对于提高柴油机的动力性、减少废气的产生、减少燃料消耗量等方面都有着重要的意义。
制运算是由软件来进行的，可以容易的实现各种控制规则，甚至是比较复杂的控制算法的实现，而且不受外界的工作环境的影响，因此，基于单片机的温度控制器可以安全可靠地运行，来智能地控制冷却水的温度稳定在某一给定值，或者给定值附近，使得船舶柴油机冷却水温度测控满足现代远洋船舶的要求。
船用柴油机中央冷却系统水温控制的发展历程
船舶柴油机冷却水温度控制技术，在20世纪中得到了飞速发展。其大致发展历程如下：
直接作用式控制方式：
在20世纪50年代末期，船用柴油机中央冷却系统水温控制采用一种早期的反馈式控制方式—直接作用方式。其特点是，不需要外加能源，而是根据在冷却水管路中的测量元件内充注介质的压力随温度的线性变化而产生的力来驱动二通调节阀，来改变流经淡水冷却器的淡水流量和旁通淡水流量，从而进行温度调节。这种控制方式的缺点是：测量元件内充注的介质对密封性要求很高，如果造成测量元件内充注的介质泄漏，那么其本身的压力就不能随温度成比例进行变化，因而使得温度控制精度变低。工作介质的泄露也同时污染了发动机内部零件和冷却水，有可能造成发动机内部机械故障，严重时可能导致发动机损坏报废。同时，冷却水温度变化较大，对船舶柴油机的稳定运行不利。利用直接作用式的水温控制方法检修难度较大，每次检修成本较高，而且不能时刻知道水温控制系统的好坏，无法被船员所观察。在航行时如果出现泄漏将造成无法估计的损失。
气动式控制方式：
在20世纪70年代末期，船用柴油机中央冷却系统水温控制采用气动式作用方式。其特点是，利用感温元件和温度变送器，把气缸冷却水温度的变化成比例地转变成气压信号的变化送至调节器，与调节器的给定信号相比较，其偏差信号经调节作用规律运算后，成为调节器输出的控制气压信号去调节温度。它也存在着以下的一些问题，例如系统对气体的密封性和压力要求同样很高，对运输和储存气体的管系密闭性要求也很高，如果控制气压信号有所损失，使得控制精度降低，效果减小。同样也无法进行人工观测。因此，这种控制方式现在也很少采用。
电动式控制方式（PID）:
在20世纪80年代中期，船用柴油机中央冷却系统水温控制是采用电动式控制方式。也是目前远洋船舶上主要采用的温度控制方式。它的作用方法是，利用安装在船舶柴油机气缸冷却水进口或者出口管路中的感温元件，通常为电阻数值与温度变化在一定范围内成线性变化的热敏电阻，经分压器分压把冷却水温度成比例地转换为电压信号，这个测量信号与由电位器整定的给定值电压信号相比较得到偏差信号，再经过比例微分作用，输出一个控制信号并将此控制信号送至脉冲宽度调制器，将连续的控制信号变成断续的脉冲信号去调节冷却水温度。尽管此类电动控制系统的控制精度和效果可以在一定程度上满足了船舶营运者的需求，但是这并不说明这种控制方一式是完美无缺的。首先，这些控制系统的调节器采用了较为简单的控制规律，比如比例微分(PD)控制规律或者比例积分(PI)控制规律，若采用PD控制会出现静态误差，使系统长时间偏离最佳工作点运行，若采用PI控制，则对于冷却水温度这样具有较大惯性的被控对象会因为缺乏超前的控制作用而产生较大的超调量，使得系统动态特性较差，而且调节阀的开度改变以后，温度传感器不能马上反映出调节作用的结果，存在滞后，难以得到满意的控制效果。其次这种控制系统的测量和控制部分，是利用一些电子器件进行逻辑运算输出的，它的缺点就是一旦逻辑输出部分机械部件出现故障，则整个测控系统的控制能力和精度就会出现故障，其工作效果大打折扣。而冷却效果的下降，将会产生严重的后果，如船舶主柴油机气缸和活塞温度升高、润滑油随温度的升高而粘度降低造成机械运动的磨损，缩短了柴油机的使用寿命等。
智能调节方式
2002年，杜玉恒提出了“船用柴油机冷却水温度的模糊控制”方法，但模糊控制在精确控制水温时效果不太理想；
2003年，“主机缸套冷却水出口温度控制方法”及“基于功率的缸套冷却水出口温度控制系统的研究”其针对缸套冷却水“惯性大，缸套冷却水出口温度经常超调”的特点，提出了在现有的传统PID反馈控制的基础上，采用“前馈”方法，引入以船舶主柴油机输出功率作为反映缸套冷却水热负荷扰动信号的前馈控制，以减小缸套冷却水出口温度的动态偏差，并利用Mat lab仿真进行了验证。仿真结果表明，这种控制方法比传统的控制方法具有更好的控制性能；
2004年吴桂涛等人提出了船用主柴油机缸套冷却水出口温度的智能控制，其将基于神经网络的模糊PID控制引入到缸套冷却水出口温度控制系统中，以实现对控制对象进行在线控制。仿真结果表明，基于神经网络的模糊PID自适应控制比传统的PID控制的控制性能更好而且前者具有适应控制环境变化的能力和自学习能力，当柴油机运行工况发生变化时仍具有很好的控制性能。还有针对船舶柴油机冷却水系统的时滞特性提出了Smith预估器与PID控制方法，并取得了较为理想的控制效果。
本课题研究的主要内容
“基于单片机的船舶柴油机冷却水温度控制系统”是以现代远洋船舶上广泛应用的船舶中央冷却系统为研究模型，以船舶柴油机冷却水的温度测量和控制为研究对象进行的。
先来了解绝大多数远洋轮船所采用的中央冷却系统工作过程。利用船舷外的海水泵泵入海水进入中央冷却系统，来冷却低温淡水，被冷却后的低温淡水再去冷却船舶主柴油机气缸套和气缸盖的高温淡水。中央冷却系统分为两个冷却水回路：开式冷却，闭式冷却。
开式冷却：
开式回路又称为低温回路，是由海水泵泵入的海水来冷却低温淡水的回路因为海水的流入流出并不是一个闭合的过程所以称为开式回路。
闭式冷却：
闭式回路又称高温回路，就是由低温淡水来冷却高温淡水的回路，因为低温淡水和高温淡水的流动是一个循环利用的过程，因此又称为闭式冷却
在这种冷却系统中，由于舷外海水不再接触各种热交换器和船舶主柴油机的冷却空间，因而避免了海水引起的腐蚀，提高了设备和系统的安全可靠性以及设备使用寿命。
下图1-1为船舶中央冷却系统简化框图
图1-1 船舶中央冷却水系统简化框图
因此，我们设计的“基于单片机的船舶柴油机冷却水控制系统”课题应该重点解决以下内容：
通过查找资料和计算分析得出船用柴油机中央冷却系统的工作方式，以及工作流程，并且对发动机冷却水系统的结构有初步的了解，为后期的设计做准备
画出水温测量电路，A/D转换电路，功率信号测量电路，膨胀水箱液位测量电路，压力信号电路，报警电路，三通阀控制电路，海水泵控制电路的电路图，并进行电路分析得出原理，以及工作方法。
分析了种在温度控制中常见的控制算法，根据各自的优缺点，以及针对冷却水的固有特性的分析，实现了带有smith补偿的PID控制
根据硬件的设计画出各个硬件中算法的设计，并且进行验证
系统研究的应用前景
本温度测控系统是用于对船舶主柴油机冷却水的温度进行监测和控制的全自动智能调节系统。它可以广泛地应用在船舶工程中，如现代远洋船舶上对温度要求比较高的船舶中央冷却水控制系统中。它具有安全可靠、操作简单方便、智能控制等优点。
另外，此测控系统以及相关产品的研发，既有利于推动工控技术的发展，又能带来可观的经济效益和社会效益。
市场预测:
随着计算机技术、现代通信技术和自动控制技术等高新技术在几十年内飞速的崛起，尤其是这几年的大力发展以及电子技术在船舶上的应用。无不带动了国内电子业，航海业的腾飞。相信我们的柴油机冷却水温智能控制系统会给现代船舶带来极大的应用空间，创造良好的经济效益。
课题的实用性及前瞻性:
全球经济一体化的快速发展，对货物要求量的需求增大，人民的物质需求日益加大，各国进出口量与日俱增。使得船舶自动控制技术也突飞猛进的提高。“温度测控技术”具有很强的灵活性，根据用户需要，可以方便地调整系统温度给定值，从而使整个船舶主柴油机在更加理想的条件下运转，增加了柴油机的使用寿命，满足了人们对其经济性的要求。同时，由于系统具有良好的扩展性能，可以与船舶内部网络进行通讯，使得系统功能再扩展成为可能，最大限度地满足了今后的需求。
船用柴油机中央冷却系统
船用柴油机中央冷却系统工作过程
船舶柴油机中央冷却水系统由高温冷却回路、低温冷却回路和海水部分构成其简化图如图1.1所示（第6页）。高温冷却回路的冷却水由柴油机缸套流出，经高温淡水冷却器。三通阀门、高温淡水泵后流入柴油机缸套。在柴油机缸套冷却水的进口和出口分别装有温度传感器，并在进口处装压力传感器，实时监测缸套冷却水的进口温度和出口温度及压力。高温淡水回路和主要作用是冷却柴油机的缸套，高温淡水温度的调节原理是：通过改变三通阀门的开度，改变流过高温淡水冷却器的流量，进而改变冷、热水的配比，调节冷却水的温度。
低温冷却水回路的冷却水由淡水泵流出后经中央冷却器、三通阀、柴油机滑油冷却器、空气冷却器后流入高温淡水冷却器，冷却高温淡水。在滑油冷却器和空气冷却器的冷却水进口和出口处均装有温度传感器，并在中央冷却器的进口处装压力传感器，以实现监测冷却水温度和压力。低温冷却回路冷却原理同高温冷却水回路，也是通过三通阀调节冷却器的旁通水量，改变冷、热水的比例，达到调节水温的目的。低温淡水回路的功能主要是冷却柴油机的滑油冷却器和空气冷却器，同时用低温淡水冷却高温淡水冷却器。海水冷却部分的作用是通过海水泵从弦外引入海水，冷却中央冷却器。
系统的构成
整个船舶柴油机冷却水温度控制系统主要由计算机控制中心(上位机)和打印机、测量电路（温度测量、液位测量、功率测量、压力测量）、信号转换电路、单片机（下位机）、执行机构，以及控制软件等部分组成的，系统采用了总线结构、模块化的设计方法，各部分既可以独立工作，又能够联网协同工作，组建方式灵活，并具有良好的可扩展性。其中计算机控制中心即可实时监测柴油机冷却水温度控制系统的工作状态，又可实时显示水温，在有需要的时候还可以进行人工干扰和调节，十分方便快捷。温度测量电路采用了十分灵敏并且具有良好感温效果元件，用来测量冷却水的温度。单片机是本课题的核心部分。它既可独立工作，又能与上位机组成通讯网络，同时还可以对柴油机冷却水的温度进行监控，对执行机构发出控制指令，实现温度的检测与控制，是由温度采集接口电路、键盘与显示电路、串行通讯接口申路、看门狗电路，以及执行机构接口电路所组成的。
由于现代远洋船舶的中央冷却系统具有.高温淡水和低温淡水两个冷却水回路，所有我们在设计时应对高温淡水和低温淡水进行分别设计。但两个回路的设计方法基本相同。在本文中仅对高温淡水回路进行设计。
系统结构图
智能控制器控制系统结构如图3-1所示。
图3-1智能控制器控制系统结构图
Smith预估控制可以预测未来的系统偏差，对系统输出进行提前校正，这种超前预估作用克服了时滞的不利影响。
船舶柴油机缸套冷却水温度的变化，主要是由于主机功率发生了变化。船舶柴油机冷却水温度经常超调，是由于控制方法存在一定缺陷。本文将功率扰动信号引入控制系统中，通过模糊决策，使系统能够在功率变化的时候，预先调节阀门开度，改变冷、热水配比，可大大降低主机缸套冷却水温度超调量，并用Smith预估PID控制器精确调节水温，优化控制系统的调节能力。智能控制器控制系统结构如图2.1所示。
将模糊控制与Smith预估器结合是模糊控制在纯滞后系统应用中比较成功的一种方式。针对船舶柴油机中央冷却水温度控制对象的特点。本文提出了冷却水温度智能控制器，本系统在Smith预估器PID控制器的基础上，将柴油机功率的模糊控制含量信号引入到冷却水温度控制系统中，使系统能够在柴油机的功率变化以后，立即做出反应，来预先调节三通阀的开度，从而达到降低冷却水温度动超调量，快速调节冷却水温度的目的。
系统各组成部分功能说明
下面我没对计算机控制中心(上位机)和打印机、温度测量、、单片机（下位机）、执行机构，以及控制软件等部分做逐一介绍。
计算机控制中心
计算机控制中心可以对单片机测控平台进行远程实时显示和检测。利用计算机中安装的通讯软件，计算机可以与单片机进行实时通讯，将单片机存储器中的相关数据传输和显示在计算机终端显示器上，方便用户对每个检测点的实际温度和设定温度进行比较和监测，对于超标的数据给予特殊颜色的显示并报警。
同时，上位机也可以对测控平台的历史数据进行存储分析和打印，以方便用户对测控平台的每一个温度数据进行存储。当每次启动软件时，该软件可以自动的从单片机温度控制器中读出历史数据并存储到计算机中。
温度传感器组:
本系统采用了铂热电阻Pt100，其感温效果较其他感温元件比较突出。用来测量冷却水的温度。同时，本系统采用了多点测量的方法以保证测量的准确性，即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。在某一时刻，单片机采集的是某个点的温度实际数值，然后与该点的设定数值相比较，再输出控制信号，因此，并不会增加单片机的运算负荷，使得单片机完全有能力承担控制中心的任务。
由于采用了这种多点测量的方法，克服了在以往温度控制中，只能单一的测量冷却水进口或者出口的实际温度，出现偏差的现象，这也证明了本课题设置的科学性和合理性。
单片机测控平台(下位机):
单片机测控平台(下位机)是整个温度控制系统的重要组成部分，是联系温度信号采集和计算机管理控制中心的枢纽。一方面，它要获取温度传感器组的测量数据，并且与温度设定值进行比较，同时输出控制信号到执行机构;另一方面，它要将温度测量数据和设定数据上传到计算机管理控制中心(连接打印机)。系统控制流程是，单片机将温度传感器测量到的信号经信号调制电路和A/D转换得到实际测量温度，与预先设定温度数值进行比较，当测量温度比设定温度高时，单片机断续输出控制信号，经过光电隔离和驱动放大后，输出给增大输出继电器，继电器控制三相伺服交流电动机断续运转，使得连接在电机上的三通调节阀转动，减少不经冷却器的旁通水量，增加经冷却器的淡水量;若是测量温度比设定温度低时，单片机断续输出控制信号，经过光电隔离和驱动放大后，输出给减小输出继电器，继电器控制三相伺服交流电动机断续运转，使得连接在电机上的三通调节阀转动，增加不经冷却器的旁通水量，减少经冷却器的淡水量。经过此自动控制过程，使柴油机冷却水温度稳定在设定数值，或是设定数值周围，从而达到自动控制温度的目的。
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。
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。
系统的性能指标
系统的主要技术功能
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—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。
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。
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℃。
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。
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。
系统的性能特点
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。
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。
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。
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。
系统硬件组成
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。
图3-1 硬件电路结构原理图
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。
系统各部分结构
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(0~100℃时)与阻值的关系如下表3-1所示。
表3-1ptl00铂电阻温度与阻值的关系
温度 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 阻值 100 103.90 107.79 111.67 115.54 119.40 123.24 127.08 130.90 134.71 138.51 由此可见铂热电阻随温度的变化关系为：
式中，A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735。可见Pt100在常温0~100摄氏度之间变化时线性非常好，其组织表达式可近似简化为RPt=100（1+At），当温度变化1摄氏度时，Pt100的阻值近似变化0.39Ω。
A/D转换电路
传感器采集的信号是模拟信号，需要转换成数字信号后才能由微处理器进行处理。A/D转换电路ADC电路有两大类：直接转换型（通过基准电压与采样——保持电路的输出信号进行比较，直接转换为数字量）、间接转换型（将采样——保持电路输出的信号首先转换成时间或频率，然后再将时间或频率转换成数字量）。直接转换电路转换速度高，转换精度容易变；间接转换电路转换速度低，转换精度可以做的较高，对干扰抑制能力强，在测试仪表中应用广泛。
A/D转换电路中采用了比较常用的ADC0809芯片。ADC0809是CMOS工艺，采用逐次逼近法的8位A/D转换芯片，28引脚双列直插式封装，片内除A/D转换部分外还有多路模拟开关部分。
多路开关有8路模拟量输入端，最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。
ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，它由8通道模拟开关和A/D转换两部分组成，其转换时间大约为100vs，转换精度为0.4℃。由于冷却水是大惯性的传热介质，ADC0809的此项性能指标己经满足了温度控制的时间和精度，因此，我们选择ADC0809作为模拟/数字转换芯片，使系统成本较低。图3-22给出了ADC0809与AT89C51接口图。在硬件连接时，IN0~IN7为8路通道模拟开关，我们只需要其中IN0路用以转换电路，其他各路直接接地。温度传感器传来的检测信号经过模拟/数字转换后，变成单片机可以识别的数字信号，从而可以对冷却水温度进行量化比较。
图3-22 ADC0809接口电路示意图
键盘与显示电路
由于CPU管脚的数量有限，因此对键盘和显示电路的设计，我们采用了8279可编程的键盘显示一专用扩展I/O接口芯片，它木身能够提供键盘、显示控制所需的扫描信号，因此可以代替单片机完成键盘、显示的控制。其中，键盘矩阵采用2行3列非编码方式，采用软件查询方法来设计，低电平有效。为了消除按键抖动对系统的干扰，在键盘软件设计中，我们采用了20ms的延时程序。显示部分为3位LED数码管显示，显示的内容是温度数值的，十位、个位和小数点后一位，软件设计中采用动态扫描显示的方法，以减少硬件成本和增加系统可靠性。键盘控制的方式是采用8279扫描键盘，判断是否有按键按下，进而判断按键的内容，送至AT89C51处理。显示程序的执行过程是:首先AT89C51通过P口选通8279，低电平有效，然后把将要显示的数字，其相应的字型码送至DB口，接下来设置位选信号，利用SL0、SL1、SL2二分别设置0或者l，分别选择要显示的}二印数码管(共阴极)，8279将要显示的数字通过OPTB和OUTA口显示在LED数码管上。同时，我们将要显示的数字的二进制代码转换成7段码形式，编写成数据表格的形式，存储在单片机内部存储空间里，这样，单片机将A/D转换的结果与表格的指针相结合，直接将A/D转换结果显示出来，可以减轻系统计算量，提高系统的数据处理和显示速度。
下面介绍键盘与显示电路。
在小键盘上有六个按键，分别是“设置状态”按键、“运行状态”按键、“数值增加”按健、“数值减少” 按键、以及“高温” 按键和“低温”按键。当系统开机运行时，其温度设定值由软件编制时事先设置好，当需要改变数值时，用户首先按下键盘的“设置状态”按键，使显示部分切换到设定值的显示，然后由键盘的“高温”或者“低温”键切换到需要更改的温度显示，此时，三位LED数码数码管中的最低一立开始闪烁，再由“数值增加”或“数值减少”按键输入所需设置的数值，可以改变了设定数值。当设定好新的数值后，用户再次按下“运行状态”按键，切换列系统运行状态，这时三位LED数码管所显示的就是测量温度数值。
串行通讯模块
本测控系统是近距离(小于15米)的串行通讯，因此选择了计算机和单片机之间通过RS-232接口直接相连。由于单片机串行口的输入输出都是TTL电平，而上位计算上的RS-232接口为了提高抗十扰性能，采用的是RS-232标准中EIA电平，EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态(逻辑“1”:-3~-15V；逻辑“0”:+3-+15v)，与单片机中TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同，因此，为了能够实现上位计算机与单片机之间的串行通讯，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。我们选用了MAXIM公司的MAX232芯片来完成这两种电平之间的转换工作。采用了RS-232接口中的RD(接收数据线)、TD(发送数据线)、GND(信号地)三条引脚来完成计算机与单片机的双工通讯任务。
声光报警电路:
为了系统的安全运行，我们对冷却水温度进行上限或下限声光报警处理，我们采用了如下的判断报警方法:以冷却水温度设定值T设为参考数值，则温度变化的上限是T:= T设+5℃，下限是T=T设-5℃.当测量到的冷却水温度持续增加，高于上限时，即T>，时，则上限报警状态值THA=l;当测量到的冷却水温度持续减少，低于下限时，即时，则下限报警状态值TLA=l。这样，当出现上、下报警状态值(THA，TLA)为1的情况时，就会触发系统报警电路。图3.26中左侧是实现超限声光报警的电路。我们采用了一片时基集成电路NE555，将其接成振荡工作状态，同时，将NE555的复位端“4”与AT89C51的引脚反相连接。当系统被测参数在正常范围内时，AT89C51的引脚输出端为高电平，经过反相后为低电平，这样，NE555的复位端“4”处于低电平(零电位)，NE555电路处于稳态，被迫停止振荡，则输出端“3”恒为低电平，扬声器(SP)无声，9014三极管(NPN极性)截止，报警灯不亮，使报警电路不工作;当系统被测温度出现高于上限或者低于下限的情况时，即上、下报警状态值(THA，TLA)为l，AT89C51启动自身定时器，使其引脚输出端输出连续脉冲波形(或连续方波)，这样，NE55.:时基电路根据其复位端“4”的信号变化，在它的输出端“3”产生频率的输出，输出信号给继申器(J)动作信号，继电器常开开关闭合，推动扬声器(SP)工作，获得声音报警信号，报警灯同步闪亮。
主控单元(MCC):
主控单元采用ATMEL公司的AT89C51控制芯片，是一种高性能、低电压、低功耗的8位CM05微型处理器，它具有40针脚，与51系列单片机的指令、管脚完全兼容。具有4K字节片内程序存储器，并且是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，同时，写入单片机内的程序还可以进行加密，因而可以有效地保存数据信启、。由于本系统主要用于冷却水温度的测控，片内具有的4K字节己经能够满足系统设计需求。此外，AT89C51还具有128字节RAM，32条可编程I/O口线，2个16位可编程定时计数器，6个中断源，1个串行l/O日，片内振荡器和时钟电路。在控制软件的支持下，CPU对外围电路进行控制、计算，将温度检测电路输入的温度测量数值进行处理，并扫描、显示，同时将计算得到的控制结果输出给控制电路对执行机构进行操作，完成整套控制过程。AT89C51的接口电路有ADC0809、8279、MAX232、4N25、CD4052和X5045等芯片。其中，ADC0809作为温度测量电路的输入接口，8279用于键盘、LED数码管显示电路的接口，MAX232是单片机与上位计算机的串行通讯接口，4N25和CD4052控制系统输出，包括光电耦合和模拟开关等元器件，X5045是硬件看门狗电路。我们将在后面着重介绍这些接口电路。
图3-26是AT89C51芯片管脚分配示意图。
图3-26 AT89C51芯片管脚分配示意图
系统软件介绍
温度控制系统算法
系统的整体控制
根据硬件设计的原理图可以画出系统控制框图，如图4-11所示。
图4-11系统控制框图
图中，TS是系统给定温度值 是以BCD码，由键盘或者上位机输入。程序（S）的作用就是将TS的BCD码转换成单片机可以识别的二进制码，由软件来承担。D(Z)是本系统的温度控制算法，将由下文给出。
由于本系统的执行机构需要的是控制量的增量，即驱动的是步进电动机，因此，控制算法D（Z）的输入是给定温度数值r与系统测量数值y(t)之间的差值，经过单片机的软件计算，输出的是控制增量△u(k)。被控对象的输出是c(t)，输入是步进电机的输出u(t)。同时，由温度传感器及信号处理模块等组成了反馈回路。我们通过对冷却水温度调节过程进行了详细的分析，很容易发现，船舶柴油机冷却水的温度控制系统还具有明显的纯滞后特性。这是由于温度传感器安装在柴油机冷却水的进口和出口处，而控制作用却是在相对较远的三通调节阀上实现的。因此，当执行机构施加了控制作用以后，冷却水的温度并不是马上发生变化，无法反映控制作用，而是要等到冷却水流过了淡水冷却器，两路水流混合后，再到达温度传感器处，被测温度的变化才能反映出控制效果。
因此，我们确定冷却水温度控制系统的传递函数时，必须要考虑到此纯滞后特性。一般来说，冷却水温度变化滞后于控制作用的时间为t，则t应该由以下的表达式给出，即t=L/V。其中，L是冷却水流经管路的长度，单位是米(m)，v是冷却水流动速度，单位是米/秒(m/S)。滞后时间t的单位秒(s)。在不同船舶的中央冷却系统中，系统的管路长度和水流速度都是不同的，要根据具体的情况进行具体分析和计算。目前，应用在远洋船舶上的大多数模拟式冷却水温度调节器都是采用的相对简单的控制规律。比如，MR-Ⅱ型调节器采用了即调节规律(比例微分调节规律)，
由于此类调节器的调节作用中没有积分调节作用，而积分环节的作用是消除静态误差，提高系统的无差度。因此，在系统中必然会产生静态误差，因而就会出现长时间使被控对象脱离最佳工作点的情况，使得执行机构反复进行执行动作，加速了执行机构的磨损等;而另一种常见的冷却水温度调节器TELEPERM型，采用的是内调节规律(比例积分调节规律)，没有微分作用，而微分环节的作用是能够反映偏差信号的变化趋势(或者变化速率)，并且能够在偏差信号数值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少了系统的调节时间。因此，此类调节器没有了微分作用，而且冷却水温度又是属于惯性环节较大的控制对象，使系统超调会比较大，调节时间长，汲易变成积分饱和，使系统的动态特性变差，甚至出现长时间振荡。鉴于现有的此类控制器的种种控制规律存在的问题，我们在本温度控制系统中采用了PID控制规律(比例积分微分作用)，使得系统没有静态误差，动态特性也得到良好改善。
同时由于上文中分析的冷却水温度的这种纯滞后特性的影响，我们对控制对象的描述是用一阶惯性加纯滞后环节。因此，温度控制系统的传递函数可以表达为：
其中，K为控制对象的静态增益:为惯性环节时间常数;c=t，为纯滞后时间。我们知道，对于带纯滞后时间对象的反馈系统当频率高时是不稳定系统，纯滞后降低了系统的稳定性。当纯滞后时间比较小时，可以直接采用PID控制;但是，当≥T0.5时，再采用常规的PID控制，就无法取得良好的控制效果了，特别是当纯滞后时间较大时会产生系统的持续振荡。在本系统中，纯滞后时间与惯性环节时间常数的比值，远远大于所要求的0.5，这就要求我们必须选择另外一种控制算法。因此，我们选择了基于smith预估器补偿的PID控制算法。
算法介绍
本系统采用基于smith预估器补偿的PID控制算法。下面我们分别介绍一下这两种控制算法的主要特点。
PID控制算法:
PID控制算法我们已经非常熟悉，PID控制算法即比例、积分、微分控制，是目前应用最为广泛的一种控制规律。PID控制的基本算法是这样的:PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输出值C(t)构成了控制偏差，如下式:
(4-1)
然后将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对波控对象进行控制的，其控制规律如下:
(4-2)
将上式(4-2)改写成传递函数形式如下:
(4-3)
式中: —比例系数;
—积分时间常数;
—微分时间常数。
总体来说，PID控制器的各个校正环节的作用如下:
比例环节:比例环节可以及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)偏差数值一旦产生，控制器就会立即产生控制作用，用以减少和纠正偏差，及时性和快速性。
积分环节:积分环节的作用主要是用来消除控制系统静态误差，提高系统的整体无差度。积分作用的强弱主要取决于系统的积分时间常数，当的数值越大，则系统的积分作用越弱;当的数值越小，则系统的积分作用越强。
微分环节:微分环节能够及时反映系统偏差信号的变化趋势(或者数值变化速率)，并且能够在偏差信号变得过大之前，在控制系统中引入一个有效得早期修正信号，从而可以加快系统的动作速度，减小调节过程的时间，因而减小了系统的超调量，增加系统的稳定性。
在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器。即，计算机控制是一种采样控制方法，它只能根据采样时刻的偏差数值来计算控制量，因此，在式子(4.3)中的积分项和微分项下能直接进行计算，必须进行数字离散化处理之后，才能被计算机应用。因此，我们把式子(4.2)进行一系列转化:以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以求和的方式代替积分运算，以求增量商值的方法来代替微分运算，进行如下近似变换:
(4-4)
式中:T—系统采样周期。
显然，在上述的离散化处理过程中，只有采样周期足够短才能保证近似转化有足够的计算精确度将式子(4-4)代入到式子(4-2)中，就可以推导出数字PID的控制算法表达式为:
（4-5）
式中： k—采样时刻序号，k=0，l，2，…:
u(k)—第k次采样时刻的计算机输出数值;
e(k)—第k次采样时刻的输入偏差数值;
e(k一1)—第(k-l)次采样时刻的输入偏差数值;
—积分系数，由表示;
—微分系数，由表示:
同时，又由于上文介绍的，本系统的执行机构需要的是控制量的增量，即驱动的是步进电动机，因此，所使用的控制算法是增量式PID控制算法。由式子(4-5)提供的增量PID控制算式，根据递推原理可以得到以下两个相近的算式：
（4-6）
两式相减可得以下关系式：
（4-7）
式中： （4-8）
式子（4-8）称为增量式PID控制算法。我们可以将式子(4-8)进一步改写为以下关系式:
（4-9）
式中：
可以看出，A、B、C都是与采样周期T、比例系数、积分时间常数微分时间常数等有关的系数。由于在计算机控制系统中是采用的恒定的采样周期T，这样，当我们进行计算时，只要确定了比例系数，积分时间常数、微分时间常数T，这三个数值，只要使用前后三次测量数值的偏差，就可以使用计算机执行软件计算出控制增量来，准确性高。至于、、这三个数值的确定，将在后文中介绍。
纯滞后补偿算法一一smith预估器:
由上文介绍，本系统的简化传递函数为:
但是由于被控对象具有明显的纯滞后特性，会导致系统的控制作用不及时，引起系统产生超调或者振荡的现象，所以我们采用了smith纯滞后补偿算法，利用计算机的计算性能好的特点来实现被控对象滞后补偿。smith预估器是得到广泛应用的时滞系统的控制方法。该方法的基本思路是:预先估计出系统在基本扰动下的动态特性，然后由预估器对时滞进行补偿，力图使破延迟了的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而抵消掉时滞特性所造成的影响，减小系统超调量，提高系统的稳定性，加速调节过程，从而提高了系统的快速性。smith补偿的原理是:与PID控制器并联一个补偿环节，用于补偿纯滞后的产生，这个补偿环节就是Smith:预估器，其传递函数如下所示:
带有纯滞后补偿的系统框图如下图4-12。
图4-12 smith纯滞后补偿控制系统
如图4.2所示，增加的补偿环节与被控对象组成了一个广义对象，其传递函
数是:
这样，可以将控制系统框图简化为图4-13所示:
图4-13 用Smith补偿后控制系统简化框图
由上图我们可以看出，用smith预估器进行纯滞后补偿之后，被控对象的纯滞后坏节被移到反馈回路之外，而系统的传递函数是简单的一阶惯性环节，在进行肛三调节时，不再存在因滞后带来的一系列问题，能够得到良好的调节效果，因而系统是稳定的。
同时，纯滞后环节中，存在函数。在以往冷却水温度调节器是模拟仪表时，是很难实现的环节，但是现在用单片机控制时，可以很容易用执行软件计算的形式来实现。
计算机软件及功能
串行通讯：
PC与单片机通信是采用MSComm 控件通过串行端口传输和接收数据，为应用程序提供串行通讯功能。
Microsoft Communications Control（简称MSComm）是Microsoft公司提供的简化Windows下串行通信编程的ActiveX控件，它为应用程序提供了通过串行接口收发数据的简便方法。具体的来说，它提供了两种处理通信问题的方法：一是事件驱动(Event－driven)方法，一是查询法。
MSComm32. OCX提供了使用RS - 232 进行数据通信的所有协议,我们可以使用不同的工作方式来处理和解决各类通信软件的开发设计问题。Visual C++ 为该控件提供了标准的事件处理函数和过程,并通过属性和方法提供了串行通信的设置,我们可以通过设置不同的属性来完成所要求的通信功能。
MSComm控件提供下列两种处理通讯的方式：事件驱动方式和查询方式。
事件驱动方式
,可以利用OnComm 事件捕获并处理通信中发生的事件和错误,通过分别对每个CommEvent 属性值编程即可完成对各个事件或错误的处理,实时性较强。
查询方式
MSComm控件某些属性(如Comnfl~vent属性和InBufferCount属性)的值来检测事件和通信错误。这对小的自含程序可能比较常用。
本系统主要使用查询方式来工作。
MSComm控件有许多重要的属性．其中几个重要的属性如下：
CommPor: 设置并返回通信端口号，此属性反映了系统所使用的端口，如果使用上位匹机的COMI口，则设置:Commpor=1;
PortOpen:[TRUE/FALSE]，设置并返回通信端口的状态，或者打开和关闭端口。若系统进行串行通信时，此属性为TRUE;
Input:从接收缓冲区中返回并删除数据;
Output:问缓冲区中写数据，可以是文本文件或者二进制文件，本系统设置为二进制数据;
Settings:以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位等。系统缺省设置为9600，N，8，1，表示波特率为9600，不进行奇偶校验，8位数据位，l位停止位。
CommEvent :返回最近的通讯事件或者错误。在与单片机通信时用到的串口事件如下表4-3所示
表4-3串口通信事件
常数 值 属性描述 ComEvSend 1 发送数据事件 ComEvReceive 2 接受数据事件 ComEvCD 5 检测到CD载波信号 ComEvRing 6 检测到振铃 ComEvEOF 7 文件结束标志 当CommEVent属性的数值发生变化时，则触发OnComm事件，通过编程了解通信事件的类型后进行相应的处理。整个上位机软件的实现过程是这样的:在上位机上设定一个按钮“接收”，当按钮按下时，计算机便向单片机发出一个请求信号，单片机收到信息后，通过串口向计算机发送温度“设定值”和“测量值”。当计算机一旦检测到有数据过来。就触发MsComm通信控件的OnComm事件，通过检查CommEvent属性中ComEvReceive数值的变化，将收到的数据在计算机监控平台界面上显示出来。
异常报警
当计算机监测到系统发生异常时（实时温度值超过了设定的范围）报警电路产生报警信号，计算机报警。
参数设定
用户可以用键盘对温度进行设定，设定值通过8279芯片输送给单片机。
数据的显示
用户可以随时查看当前程序的运行状态。可以直接从LED面板中了解到当前柴油机冷却水的温度。
单片机的软件设计
单片机软件的程序比较复杂，主要包括：主程序、A/D转换子程序、带Smith预估器补偿的PID子程序、键盘及显示子程序、RS-232串行通讯子程序、警报子程序等模块。其程序流程图如下所示：
图4-3 程序流程图
主程序
主程序的流程图如图4-31所示，初始化程序包括元器件的初始化，PID参数的初始化。
图4-31 单片机主程序流程图
T.0中断服务子程序
T0中断服务子程序是本温度控制系统的主体程序，读入采样数据、进行数字滤波、用于启动A/D转化、温度报警和处理、带smith补偿的PID计算和控制信号输出等。如图4-32所示。
图4-32 T0中断程序流程图
串行口中断服务程序:
串行口中断服务是连接单片机与计算机通信的子程序，计算机和单片机的数据交互都要经过中断服务程序来进行。其流程图如图4.-33所示。
图4-33 串行口中断服务程序流程图
系统可靠性研究
可靠性指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。?
简单的说，狭义的可靠性是产品在使用期间没有发生故障的性质。广义可靠性是指使用者对产品的满意程度或对企业的信赖程度。目前，可靠性已在多个领域进行应用，系统的可靠性关系到方方面面。如果一个系统的可靠性不高，就算系统有多先进领先也没有在现实中应用的可能。随着单片机在轮机自动化系统中的深入应用，使其应用的可靠性和安全性就成为一个非常突出、待解决的重要问题。影响可靠性的因素主要有系统外部和内部的干扰与抗干扰能力。其中干扰对系统构成的影响主要有：数据测量的误差较大，系统程序的崩溃，控制系统的瓦解。
船舶不同于其他行业，船只在海上进行远洋航行时没有其他依靠，远离陆地，一旦出现问题将造成不可磨灭的损失。并且在远洋工作时气候与环境比较恶劣。所以要求各元器件必须有较强的抗干扰能力，能够适应在各种环境下工作。可以实时的进行监控，测量，调整等一系列功能。因此，提高单片机扮制系统的可靠性已经成为提高整个船舶设备测控系统可靠性的一个重要的环节
由于可靠性的重要性，因此设计此只能控制系统时更应注重可靠性的设计。应尽可能的考虑各方面不确定性因素，提高元器件以及系统的可靠性。
系统硬件的可靠性设计
在单片机测控系统中，根据环境要求对元器件应有以下要求：
元器件的选择:
系统的可靠性是建立在系统中各个组成元器件的可靠性基础上的，所以，在选择元器件时，应该参照以下几个原则进行:
充分分析系统的功能需求，根据系统所要达到的性能要求来合理的选择功能器件，对器件的质量要求较高，器件的材料要求质量好可靠性高;
船舶机舱内的高温、海水腐蚀和风浪的振动等不利条件，应该选择温漂小、独立封装、稳定性好的元器件:
减少焊点数量可降低接触不良、短路等故障，应尽量选用整体冲压的元器件并且选用集成度高的电路，减少使用分立元器件。
对单片机使用掉电保护（看门狗电路）
看门狗的设计使用目的是位处理器的一个监控者。微处理器在运行中会受到各种各样的干扰，如电源及空间电磁干扰，当其超过抗干扰能力的极限时，就有可能引起微处理器死机或者程序跑飞。有了看门狗这个监控者，微处理器就能在死机或者程序跑飞后，重新使它复位继续运行。
若不让定时器一处而造成系统复位，就要保证用户程序总是在监视间隔内对监视定时器装入初值（喂狗），监视定时器的这个功能是恢复软件故障的良好。
看门狗电路专用芯片本身是一个带清除端和溢出触发器的定时器。如果不清楚它，它会以固定频率发出溢出触发脉冲。
单片机应用系统的开发一定要考虑系统的可靠性设计。一般来说，系统的可靠性应从软件、硬件以及结构设计等方面全面考虑。而“看门狗”则是系统可靠性设计中重要的一环。所以给单片机设计看门狗电路十分重要
本系统选用XICOR公司生产的X5045芯片。X5045与89C51的SPI接口如图5-1所示。它具有上位复电、电压监控、看门狗定时器以及E2PROM书记存储4种功能的多用途芯片。
X5045采用SPI串行接口，其读/写有以下几条规则
SCK由1变0时，从SO引脚读取1位数据；SCK由0变为1时，向SI引脚发送的1位数据被采样。X5045正是基于这一原理实现基本的读/写操作的。
在任何以字节为单位的读/写操作前，应先选中芯片，即复位CS；置位CS，则表示操作结束；为了防止误操作，每一次复位或者置位CS时应复位SCK。
写作操作前硬度去状态寄存器，判断WIP为0时，在写使能允许命令后就可以写状态寄存器或向E2PROM写数据
图5-1 X5045常用接线图
系统软件的可靠性设计
在单片机控制系统的软件设计中，主要由主程序、显示程序、数据处理程序、算法程序和上下位机之间的串行通讯程序等组成，这些程序的可靠性来自程序设计的正确性。为了确保程序可靠运行，我们在设计软件时应当遵循以下的原则：
在程序设计中，采用模块化的设计思路，这种设计方法的特点是便于编制、调试程序，编程效率高。其基本思路是将整个控制系统的功能分解为几个相对独立的标准模块，使其中的每一个程序模块完成某一特定的控制功能，并且分别只有一个入口和出口，这样就可以对每一个程序分别定义无歧义性的输入变量和输出变量，使它们的运行相对地不受其它程序的影响，同时，在整个系统的主程序中，利用顺次查询的方式完成数据处理、逻辑运算、功能块调用等事件，尽量减少跳转指令，如果需要立即处理的事件，可以用中断的方式处理，从而增强了系统的可靠性;
我们采用最短程序调试法进行系统调试。“最短程序”是指最简洁的主程序以及调用最少自称西的系统软件程序。
在实践中发现“最短试验程序”对系统的运行调试很有帮助。特别是对经验较少的开发者，首先在自己的硬件系统运行“最短程序”时，如果最短程序通过，则说明硬件的问题不大；如果最短成，即很明显没有错误的最基本程序模块程序运行不能通过，则说明硬件有问题。这时就应该首先将硬件化简称最小系统活排除硬件故障后，再运行“最短程序”。如果运行通过，可逐步增加软件模块和硬件模块，反复试验。
对本系统键盘和LED的最简程序流程框图如图5-2所示。
图5-2 最短程序框图
增加软复位功能:即是一个软件定时器。当单片机受到各种干扰而失控。引起程序跑飞，也可能使程序进入“死循环”，因此，可以采用程序监控技术，即软件看门狗。系统中每一个程序模块都有一定的运行时间，利用软件看门狗不断监视程序循环运行时间，因此，我们可以为每一个程序模块设定一个最大可能运行时间，取这此“最大可能运行时间”中的最大值，利用AT89C51单片机本身的定时器功能，将定时器设定为此最大值，这样处理后，正常情况下，系统中每一个任务的运行时间都不会超出这个设定时间，不会影响到系统运行，但当某种意外情况导致此程序死机或跑飞后，使运行时间超出了设定的最大时间，则认为此程序运行异常，系统将强制停止其运行，强迫程序返回到000OH入口，在0000H处安排出错处理程序，使系统运行进入正轨。出错处理程序可以安排保存测量数值，向报警电路发出命令，产生声、光报警等，同时初始化程序重新运行。由于定时器中断具有很高的可靠性，因此可以很好的对程序运行进行监视，保证系统正常运行。
结论
通过本次对于船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制的设计，可以使船舶在水温的控制上达到一个新的高度。轮船在远洋航行中的安全得到了提高，使航行可靠性的到了保障。轮机自动化上升了一个新的台阶。现代船舶控制系统日渐复杂，各种对象参数随时间和工作地点变化。时滞现象更是船舶柴油冷却系统水温控制的难题。因此此课题一直受到各种专业人士的关注。本文在针对传统PID控制系统的基础上引进了smith预估器补偿。能够在柴油机工况变化的瞬间，发出采集信号。并由89C51做出反应进行反馈调节，调节三通水阀开度。有效地降低由于水温的时滞特性引起的水温超调量。使用8279芯片实现人机交互，使人们可以方便简洁的了解柴油机冷却水的水温，并且能实时进行控制。
本系统使用的Pt100铂热电阻有效克服了水温的时滞特性，大大地降低了冷却水温度的超调量，并提高了系统的响应速度。使系统实现精确、自动地调节冷却水的温度，把发动机的工作温度限制在最佳阶段，延长发动机的使用寿命，提高发动机的工作效率，减少发动机的故障率。
本系统在设计时着重考虑以下几点：
低成本，本系统利用船舶原有资源进行设计，安装简便。
采用模块化设计，尽量使用集成电路，运行时更加安全可靠。
整个系统分为计算机模块和单片机模块，带有串行接口远程通讯功能。可以方便集中管理。
由于设计时时间有限，本课题有的部分还不够完善，还有许多地方需要改进。有些地方还有较大的提升空间。希望能尽快完善本系统，使之能尽快为人们服务。
致 谢
在这半年的论文写作中我首先想感谢的是我的导师—陈焕江，在我一次次遇到问题时都是陈焕江老师一次次指导我，在我犯错误时都是老师一次次批评指正。我还想感谢的是我的家人，在我写论文的半年中我的家人一直都是在背后默默支持我。他们为我做了很多我真的谢谢他们。
其次要感谢我身边的同学们，在日常的工作学习中，通过向同学们学习，我学到了很多东西，同时，在同学们的热情鼓舞下，使我克服各种困难，顺利完成论文。
最后，借此机会我要向几年来帮助过我的师长、同学和朋友们致以我最诚挚的谢意!
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[6]李朝清．单片机原理及其接口技术[M]．北京.北京航空航天大学出版社.2006:43-93.
[7]朱宇光．单片机应用新技术教程[M]．北京.电子工业出版社.2000:33-87
[8]何希才．传感器及其应用电路[M]．北京.电子工业出版社.2001:123-136
[9]陶水华．新型PID控制及其应用．北京.机械工业出版社.2002.26-33
[10]杨明永．轮机自动化[M]．北京.人民交通出版社.1988:97-135.
船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制
1
船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制
40
船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制
温度传感器组
放大调制电路
键盘与显示电路
串行通信
多路开关
看门狗电路
执行机构
驱动电路
报警电路
A/D转换
单片机
AT89C51
ALE
P0.7
P0.6
P0.5
P0.4
P0.3
P0.2
P0.1
P0.0
WR
EA P
RD
INT1
测温信 号
G74LS373
分频
CLK
ADDA VREF（+）
ADDB VREF（-）
ADDC
ADC0809
D7
D6 IN7
D5 IN6
IN5
D4 IN4
D3 IN3
D2 IN2
D1 IN1
D0 IN0
START
ALE
OE
EOC
-
电机驱动电路
ADC0809
AT89C51
P1.0~P1.7
P0.0~P0.7
P3.0~P3.1
P2.0~P2.2
P3.2~P3.5
P2.3~P2.5
P3.6~P3.7
P2.6~P2.7
8279
NE555
X5045
MAX232
4N25
CD4052
r
y(t)
c (t)
△u(k)
e(k)
（S）
D(Z)
步进电动机
执行机构
被控对象
温度传感器
信号处理
v
d
纯滞后补偿
C (t)
u
e
r
PID控制
被控对象
u
e
r
PID控制
Y
N
Smith补偿
PID运算
键盘管理
数据处理
看门狗
显示程序
返回主程序
主程序
系统调度程序
结束？
Y
N
开始
显示
自检
开T0中断
按键处理
元器件初始化
堆栈初始化
参数初始化
是否按键？
读入采样数据
Y
N
N
过热保护
高温报警
低温报警
温度显示
数字滤波
启动AT89C51
控制信号输出
取最大PID输出
恢复现场
带smith补偿的PID运算
T>T1
T
返回
Y
Y
Y
N
N
串行中断子程序入口
参数压栈保护
从缓冲区读出数据
清楚接收标志
参数出栈
退出中断子程序
清楚发送标志
向缓冲区写入数据
发送标志
接收标志
4
7
3
8
VCC
5
2
6
1
10KΩ
VCC
SI VCC
SO WP
SCK RST
CS/WDI VSS
RESET
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
89C51
X5045
N
Y
初始化
ACALL DIS
ACALL DIS
有键按下吗？
LED显示1字
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