一种起重机控制柜温度监控系统设计*

林 宁

（福建省特种设备检验研究院泉州分院，福建泉州 362200）

0 引言

随着经济的发展，国内外贸易量剧增，物流行业往集中化、高速化方向进步，直接导致起重机械尤其是港口大型起重机械使用需求量猛增[1]。一方面，起重机械的数量迅猛增长，另一方面单台起重机械的使用频率大幅度提升。而作为起重机械的大脑——控制柜，成为起重机械能否提供安全高效服务的关键所在。控制柜在使用中，如果出现持续高温状态，容易出现半导体器件性能恶化、电容等元器件等漏电流增大等问题[2]。同时，一方面高温容易导致电路电平的漂移较大、控制准确性变差，结果造成PLC故障率增大，寿命降低；另一方面，温度过低同样会降低模拟回路的精度，使得回路的安全系数变小，严重的甚至会引起控制系统的动作不正常。长期实践证明，当控制柜环境温度急剧变化时，影响更大[3]。因此，设计一种简单、准确、成本低廉的温度监控系统，对控制柜运行温度进行监控，意义重大。

本文针对控制柜的温度监控等方面的问题，设计了一个完整的温度检测系统。实现了采用“单片机—测温传感器”进行在线温度测量的功能，跟踪控制柜使用过程中环境及主板的温度变化曲线，以确保控制柜可以准确发出指令，提升起重机作业的安全性和可靠性。该系统包括软件和硬件，同时，还可以实现在温度超过设置阈值时及时报警。该系统在实际中有很强的应用价值。

1 传感器选型和设计

1.1 DS18B20原理

DS1820数字式温度传感器是新一代半导体集成传感器，其充分利用了大规模集成电路技术，把多项功能集中于一体，克服了传统式温度传感器所存在的问题[4]。DS1820的主要功能部件包括：温度探测头和模拟回路，A/D信号变换存储回路，只读数字电路用存储器（ORM、RAM和EZPORM），以及单总线通信接口等。DS1820的主要功能：通过温度探测头感知所处位置的实时温度，转化为电平输入到检测回路中，并转变为数字信号信息，按需存入相关的存储器。检测电路将被测点的温度值检测并输入进来，由于DS1820用的是经典的差分对管线性化方法，解决信号在非线性工作区内伴随产生的非线性失真的问题，大大提高了测量范围和精度。DS1820的测量范围为-55～＋125℃，测量精度为±0.5℃。

探测头感知的温度的数值信号，经过模数转换回路，最终传感器输出的测量结果是2个字节8位的数字信号，首个字节采用补码的编码方式存储温度8位二进制码的绝对值，次字节用来标记首字节存储的正值和负值的属性（0x00H为正，0xFFH为负）。

1.2 DS18B20特点

DS18B20接口为单总线形式，所以只需要一条数据线就能实现传感器与控制器（单片机等各种微处理器）之间的双向数据传输，实现控制器对传感器发送指令控制及传感器向控制器反馈监控数据的功能。这种数据通信模式性价比高，抗干扰能力强，稳定性高，适合于各种工况（如港口起重机的在台风暴雨下工作等恶劣工况）的现场温度检测。同时，该传感器可以在数据线上的时序符合传感器预先的设定的时候，即可通过数据线得电的供电方法获取电源，这样一来就不再需要外部电源，从而使系统结构简单，自身即可实现监测功能，不需要附带其他的元器件，对安装工艺几乎没什么要求。该传感器还可以通过并联的方式，实现多点测温，可以更进一步对多台起重机械使用，组件监控网络，实现使用单位对本单位起重机的全面管控。

综上，DS18B20相比其他传感器来说有着更加小巧、更大的电压带宽、价格低廉、结果可靠等多项优势，同时可搭配各种控制器，而且对环境要求低，合适组建温度监控系统。因此，本文采用DS18B20作为主传感器。

1.3 DS18B20存储器设计

DS18B20内设ROM（只读存储器）、RAM（数据暂存器）和EEPROM（非易失性记忆体）3种存储器。其中，ROM为64位，作用是保存传感器的编码（包括芯片的编码、序列号和CRS），作为每个DS18B20芯片的身份证，不会被修改。RAM共9个字节，合计72位，以字节为单位存储数据。本文用第1～2个字节保存监控到的温度数据，第3～4个字节用来保存高低温报警阈值，第5个字节保存EEPROM的备份数据防止掉电带来的数据丢失。第6～8个字节为计数器，用来记录各种温度出现的时序。最后一个字节用来做冗余校验。EEPROM共3位，第1～2位保存温度上下限报警阈值，最后一位用来做冗余校验。同时，报警阈值映射至RAM的第3～5字节，生成在镜像，用于快速调用。

2 单片机的选型和设计

2.1 单片机的选型

一般来说，监控系统可以由两种方式实现。一种是以PLC为核心构成，PLC在开关量控制方面具有较强优势[5]，连接上位机又可弥补其数据管理和显示功能方面的不足，但成本高；另一种是由单片机为核心，在每个需要监控的地方还可以另配单片机作为分机，各分机受主控机控制，单片机系统成本低、灵活性强[6]。

当前国内外适用做监控系统的单片机型号多样，其中当数MCS-51、MCS-96的应用最为广泛。而MCS-51的性价比极佳，用起研制的各种监控系统越来越完善，支持的制造厂家以及芯片种类也多，同时还有可以针对各种不同需求定制新的集中的新机种，因此，MCS-51系列单片机是研发中小型嵌入式系统的常用选择[7]。

AT89C51是在我国应用较早、技术较成熟的MCS-51系列单片机，价格低廉、功耗低、性能高。其自带的4 kb快闪（可编程/擦除只读存储器）、8位微控制器，与80C51引脚和指令系统完全兼容。AT89C51支持直接在线编程，同时可以利用非易失存储结构，擦除原有程序，重新编程，实现重复循环编程功能，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案，其性能价格比极高。因此，本文选用AT89C51作为控制系统的头脑。

2.2 单片机的主要操作指令

（1）复位：对DS18B20传感器进行复位。

（2）收存脉冲：成功复位后，单片机发出指令，将数据单总线设置为高电平，用来接收存在脉冲。

（3）ROM指令：执行数据冗余验证，验证传感器状态是否正常。

（4）交互指令：要求RAM和EEPROM进行数据交互的指令。

（5）执行或数据读写：指令以队列形式进行存储和读取，按顺序执行。

3 程序设计

3.1 DS18B20温度值的读取

读取温度值的流程为：（1）复位、忽略ROM指令、运行数据转存器的控制命令；（2）系统等待500μs（温度转换时间）；（3）复位、跳过ROM指令、运行读RAM的控制命令、读取温度。每次读取封顶9个字节，在读取前根据需要设置读取长度，如仅需要知道温度数值时，则设置读取第1～2个字节。

3.2 配置DS18B20读写时间隙

（1）写时间隙代码如图1所示。

图1 写时间隙代码

（2）读时间隙代码如图2所示。

图2 读时间隙代码

（3）复位DS18B20代码如图3所示。

图3 复位DS18B20代码

4 样机实现

4.1 下位机实现

本文采用工业版，制作简单方便，关键是设置好DS18B20的时序。要特别注意的是，本次用的单片机为1T模式，机器周期不经过分频。所以，在软件上面对延时程序的软件验证需要考虑到这个问题。即软件仿真出来的延时时间并不等于时间单片机运行时的延时时间，而是有一定的倍数关系。

4.2 上位机界面设计

LabVIEW[8]软件是NI设计平台的核心，集成了快速构建各种应用所需的各种工具，是开发测量系统的最佳选择之一。本文采用LabVIEW软件实现上位机界面的开发。

4.2.1 主要控件设置

（1）对TIMER控件设置TIMER回调函数，在该函数里面可以进行相关参数的计算以及温度实时曲线的绘制。

（2）Begin控件的参数设置，设置Begin回调函数，当按下此按钮时，标志位置一，启动温度显示曲线。

（3）Stop控件的参数设置，设置Stop回调函数，当按下此按钮时，标志位置零，暂停温度显示曲线。

（4）CLOSE控件的参数设置，设置CLOSE回调函数，当按下此按钮时，退出上位机显示界面。

4.2.2 关键函数配置

（1）配置端口参数：Open Com Config(2,"",9 600,0,8,1,512,512)。该函数可以设置窗口通信的串口号、波特率、是否进行奇偶校验等与下位机通信的参数。由于本文采用的电脑与下位机的通信串口号为COM2，所以设置PortNumber为COM2。为了与下位机中的串口参数一致，波特率设置为9600Baud、奇偶校验、数据位数为8、一位停止位。

（2）数组求和函数：Sum1D(datetemp,num,&temp)。

（3）求数组中的最大最小值：Max Min1D(datetemp,num,&max,&maxid,&min,&minid)。

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

（5）关闭串口2：CloseCom(2)。

（6）串口接收数据时间回调函数：Install Com Callback(2,LWRS_RXCHAR,1,'',COM_Data Received,0)。

（7）绘制曲线函数：PlotStrip Chart Point(panel Handle,PANEL_STRIPCHART,(float)(date)/10)。

4.3 样机系统

样机系统如图4所示，包括监控模块电路和上位机运行界面。

图4 样机系统

5 结束语

随着自动化水平的提高，起重机械得到越来越多的应用。起重机控制柜长期运行在高电压、大电流等复杂恶劣的环境下，容易引起温度上升、温度异常等，导致失常。本文针对控制柜的温度监控问题，设计了一个完整的温度检测系统的软、硬件，实现了采用“单片机-温度探测器”进行实时测温的功能，监控温度变化，以确保控制柜的安全、可靠运行。在硬件上，采用单片机进行温度数据收集，为了提高传输可靠性，增加传输距离，单片机和上位机的通讯介质采用屏蔽双绞线；在软件上，用LabVIEW软件对单片机编程以实现对测试点温度值的收集，使得结果能以线形、表格和条形分析等直观的图形显示给用户，并且能够存储一定量的数据，同时实现在温度超过设置阈值时能及时报警，通知起重机管理/作业人员及时处理，从而保证运行安全，避免经济损失。