節能型冷庫溫度測控系統設計

摘 要： 本文針對大型冷庫的節能問題及其溫度測控系統的設計要求，提出以臺式機與89S51單片機構成集散式溫度測控系統的設計方案，闡述了利用單片機控制多個模擬開關構成的測控網，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。

關鍵詞： 計算機 89S51單片機 模擬開關

一、 引言

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

二、硬件系統設計

由于冷間體積大，存放的貨物多，進出貨較頻繁，不同位置的貨物溫度是不同的，因此本設計采用模擬開關構成測控網，在溫度測控過程中，對每個冷間進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。

系統采用臺式機作為該集散系統的上位機，通過RS-485串行總線與各冷間中的前置機相連，前置機以89C51單片機為控制核心，主要由A/D轉換器、溫度傳感器、電源電壓監測和看門狗、串行通信接口等電路組成，通過控制模擬開關的切換，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，實現智能多點溫度測控。

1.溫度傳感器電路的設計

系統使用DS18B20半導體溫度傳感器，它以PN結作為敏感元件，具有反應快、價格低等特點。在正常工作時輸入端須設置為恒流偏置，其工作電流在200uA左右。由于傳感器中PN結兩端的電壓隨溫度變化而變化，因此在系統中只需檢測這個PN結兩端的電壓，再將其轉換成與之對應的溫度數值即可。

2.開關輸入電路的設計

為了完成對8個檢測點溫度的動態檢測，系統設計了由一片CD4052雙四選一模擬開關組成的開關輸入電路。在單片機的控制下通過對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轉換電路的設計

由于設計要求測量精度小于±0.5℃，系統選用的DS18B20溫度傳感器輸出精度為2.5mV/℃。因此使用普通的8位A/D轉換芯片是滿足不了測量精度要求的。本設計選用了抗干擾能力強，應用廣泛的AD574A高精度12位逐次逼近型快速A/D轉換器，其轉換速度最大為25μS，轉換精度為0.05%，其片內配有三態輸出緩沖電路，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片內設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轉換功能，直接輸出二進制A/D轉換數碼，本設計將AD574A的模擬信號電壓輸入范圍設定為0V～+10V，單極性輸入。由于該芯片用12/和A0端來控制轉換字長和數據格式，A0=0時啟動12位A/D轉換模式，A0=1時啟動8位A/D轉換模式，12/=1時，對應12位數據并行輸出。12/8=0時，對應8位雙字節數據并行輸出。其中A0=0時輸出數據高8位，A0=1時輸出數據低4位，并以4個0補充低4位無效位，由于89S51單片機字長是8位，故只能分兩次直接讀取AD574A模數轉換結果。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在數據輸出階段不能變化，否則讀取的模數轉換數據無效。

4.電源電壓與程序看門狗電路的設計

為防止電源干擾和程序跳飛造成死機，本系統設計了由電源電壓監測器TL7705，雙單穩態觸發器74LS123構成的電源電壓和程序看門狗電路。其TL7705的觸發信號連到89S51的第9腳，如有電源干擾將強迫89S51復位，使其重新開始正常工作。由于TL7705自身功耗低，上電時可自動發出復位信號，因此本設計將其作為89S51的上電復位電路。另外設計還選用了74LS123雙單穩態觸發器，作為89S51單片機自動復位電路，通過對單穩態觸發器設置適當的RC時間常數，當程序跳飛造成死機時，使89S51單片機不能給單穩態觸發器輸送小于該時間常數的觸發信號時，單穩態觸發器將因超過該時間常數所規定的時間，使Ifgg+KdkxzL2tIym4L7lJwWS5OhP1Ezrgc+ZNFG+ewQ=其輸出狀態發生翻轉，強迫89S51單片機復位，并使其重新回到初始狀態開始正常工作。

5.上位機與前置機串行通信接口電路的設計

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

三、軟件系統設計

本系統軟件設計分為兩大部分，即上位計算機軟件和前置機軟件。

1.上位計算機軟件設計

上位計算機軟件采用C++完成界面設計，其控制程序完成對冷間中分布在不同位置的傳感器進行實時溫度檢測，并對冷間中各點溫度進行計算、分析和數據打印等。

2.前置機軟件設計

前置機軟件主要包括電子矩陣開關切換的控制、A/D轉換啟動及讀取結果和與上位計算機的串行通信。前置機軟件設計了電子開關切換后的延時，以確保A/D轉換時輸入端有穩定的電壓。由于AD574A是逐次逼近型A/D轉換器，轉換時間較短，因而本系統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單片機與上位計算機通信設定為串口工作模式二的多機通信方式，并以中斷方式完成。

四、結語

由于設計采用的集散式系統結構簡單、人機界面友好、方便實用。經過多家大型冷庫使用性能穩定可靠，節能效果顯著，產生了很好的經濟效益。

參考文獻：

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