节能型冷库温度测控系统设计

节能型冷库温度测控系统设计
摘要：本文针对大型冷库的节能问题及其温度测控系统的设计要求，提出以台式机与89s51单片机构成集散式温度测控系统的设计方案，阐述了利用单片机控制多个模拟开关构成的测控网，对各个冷间采用多点温度实时检测，精确控制温度，降低能耗的方法。

关键词：计算机 89s51单片机模拟开关
一、引言
大型冷库如何更好地保证储存货物的质量，减少制冷系统不必要的能耗，对冷库冷间温度的检测与控制是重要环节之一。

由于大型冷库每个冷间的温度决定着制冷系统的蒸发温度，而制冷系统的蒸发温度每降低1℃，其螺旋杆式压缩机的制冷量会降低4%～5%。

虽然螺杆式制冷压缩机的轴功率只是略有下降，但螺旋杆式压缩机的能效比cop却有明显的降低。

依据ts16949质量管理体系，经cop 分析，知系统节能降耗创造价值的过程中，除科学选择建筑形式和材料外，必须防止冷间温度大起大落，严格控制冷间温度在给定温度的很小范围内波动。

本系统力求温度控制在给定温度的±0.5℃范围内工作，实现节能降耗。

下面分硬、软两部分介绍本系统的设计与构成。

二、硬件系统设计
由于冷间体积大，存放的货物多，进出货较频繁，不同位置的货物温度是不同的，因此本设计采用模拟开关构成测控网，在温度
测控过程中，对每个冷间进行八点温度实时检测和计算处理，最大限度地提高多点温度检测和控制的精度。

系统采用台式机作为该集散系统的上位机，通过rs-485串行总线与各冷间中的前置机相连，前置机以89c51单片机为控制核心，主要由a/d转换器、温度传感器、电源电压监测和看门狗、串行通信接口等电路组成，通过控制模拟开关的切换，分时检测安装在冷间不同位置的8个温度传感器测得的温度，实现智能多点温度测控。

1.温度传感器电路的设计
系统使用ds18b20半导体温度传感器，它以pn结作为敏感元件，具有反应快、价格低等特点。

在正常工作时输入端须设置为恒流偏置，其工作电流在200ua左右。

由于传感器中pn结两端的电压随温度变化而变化，因此在系统中只需检测这个pn结两端的电压，再将其转换成与之对应的温度数值即可。

2.开关输入电路的设计
为了完成对8个检测点温度的动态检测，系统设计了由一片
cd4052双四选一模拟开关组成的开关输入电路。

在单片机的控制下通过对8个支路的选通，依次将8个传感器的输出与a/d转换器的输入端相连，完成对冷间8个点温度的测量。

3.a/d转换电路的设计
由于设计要求测量精度小于±0.5℃，系统选用的ds18b20温度传感器输出精度为2.5mv/℃。

因此使用普通的8位a/d转换芯片是
满足不了测量精度要求的。

本设计选用了抗干扰能力强，应用广泛的ad574a高精度12位逐次逼近型快速a/d转换器，其转换速度最大为25μs，转换精度为0.05%，其片内配有三态输出缓冲电路，因而可与各种典型的8位或16位的cpu或mcu相连，而无需附加逻辑接口电路。

由于ad574a片内设有高精度的参考电压源和时钟电路，且能够与cmos和ttl电平兼容，这使它在不需要任何外部参考电压电路和时钟电路的情况下，就可以完成所有a/d转换功能，直接输出二进制a/d转换数码，本设计将ad574a的模拟信号电压输入范围设定为0v～+10v，单极性输入。

由于该芯片用12/和a0
端来控制转换字长和数据格式，a0=0时启动12位a/d转换模式，a0=1时启动8位a/d转换模式，12/=1时，对应12位数据并行输出。

12/8=0时，对应8位双字节数据并行输出。

其中a0=0时输出数据高8位，a0=1时输出数据低4位，并以4个0补充低4位无效位，由于89s51单片机字长是8位，故只能分两次直接读取ad574a 模数转换结果。

必须指出12/8端与ttl电平不兼容，故只能通过布线将其接到电源或地线上。

a0在数据输出阶段不能变化，否则读取的模数转换数据无效。

4.电源电压与程序看门狗电路的设计
为防止电源干扰和程序跳飞造成死机，本系统设计了由电源电压监测器tl7705，双单稳态触发器74ls123构成的电源电压和程序看门狗电路。

其tl7705的触发信号连到89s51的第9脚，如有电
源干扰将强迫89s51复位，使其重新开始正常工作。

由于tl7705
自身功耗低，上电时可自动发出复位信号，因此本设计将其作为
89s51的上电复位电路。

另外设计还选用了74ls123双单稳态触发器，作为89s51单片机自动复位电路，通过对单稳态触发器设置适当的rc时间常数，当程序跳飞造成死机时，使89s51单片机不能给单稳态触发器输送小于该时间常数的触发信号时，单稳态触发器将因超过该时间常数所规定的时间，使其输出状态发生翻转，强迫89s51单片机复位，并使其重新回到初始状态开始正常工作。

5.上位机与前置机串行通信接口电路的设计
由于rs-232通信协议只允许点对点的通信，实际应用时各冷间通信线路长度不等，最长达几百米。

根据rs-232通信要求，系统设计了专用通信电路板，利用台式计算机的串口，将rs-232串行通信接口转换成可以进行多点通信的rs-485串行通信接口。

这样，在上位计算机软件编程时，仍可直接使用串口管理多台前置机。

能实现rs-485通信功能的芯片很多，本系统选用了抗干扰能力强、功耗小，传输距离远的sn75176半双工差动输出芯片，在数字信号传输过程中，自动完成ttl电平与eia电平之间的转换。

三、软件系统设计
本系统软件设计分为两大部分，即上位计算机软件和前置机软件。

1.上位计算机软件设计
上位计算机软件采用c++完成界面设计，其控制程序完成对冷间中分布在不同位置的传感器进行实时温度检测，并对冷间中各点温度进行计算、分析和数据打印等。

2.前置机软件设计
前置机软件主要包括电子矩阵开关切换的控制、a/d转换启动及读取结果和与上位计算机的串行通信。

前置机软件设计了电子开关切换后的延时，以确保a/d转换时输入端有稳定的电压。

由于ad574a 是逐次逼近型a/d转换器，转换时间较短，因而本系统对多点温度检测速度较快，是完全可以满足大型冷库对温度的检测要求的。

89s51单片机与上位计算机通信设定为串口工作模式二的多机通信方式，并以中断方式完成。

四、结语
由于设计采用的集散式系统结构简单、人机界面友好、方便实用。

经过多家大型冷库使用性能稳定可靠，节能效果显著，产生了很好的经济效益。

参考文献：
[1]李全利.单片机原理及应用技术[m].北京，高等教育出版社，2010.
[2]胡汉才.单片机原理及其接口技术[m].北京，清华大学出版社，2010.
[3]陈海宴.51单片机原理及应用[m].北京，北京航空航天大学
出版社，2012.。