地溫中央空調機組參數采集及控制單元的研究

關鍵詞： 單片機；地溫空調；MAX186；PT100；MODBUS

問題的提出
地溫中央空調是一種新型的綠色無污染空調系統，其控制系統目前普遍采用PLC(可編程控制器)為控制核心。由于每臺空調機組的保護開關都需要采集其狀態(tài)，同時又需要采集循環(huán)水、井水以及壓縮機的排氣溫度，所以PLC需要增加I/O模塊和RTU溫度模塊，這樣對于多臺機組的控制系統是經濟的。但是對于一臺、兩臺機組的控制系統來說，上述方式的成本就相對很高，所以對于小型地溫中央空調系統需要一種既可靠，同時又經濟的控制方法。
本文通過采用CAN現場總線，利用FCS(Field Control System)現場總線控制系統，結合RTOS(Real Time Operating System)實時操作系統，并且把現代智能儀表的設計思路貫穿其中，設計了一種集溫度采集、機組控制監(jiān)測于一體的嵌入式功能模塊。該功能模塊不但可以作為地溫中央空調的智能控制單元，同時還可以作為一種智能儀表應用在其他領域。上位機通過Modbus協議和觸摸屏通信，實現人機交互。具體結構圖如圖1所示。通過這種控制系統既實現了PLC控制系統的所有功能，又同時保持了良好的擴展性和易維護性。

硬件結構
概述
本控制系統是一個比較復雜的、基于CAN現場總線的控制系統，它除了需要對各變化的溫度值進行測量和計算外，還需要對各個設備進行監(jiān)測，做到對發(fā)生的故障進行準確、即時的報告和處理。同時還需要同用戶進行良好的人機交互、同上位機進行不間斷的數據交換。
本控制系統功能模塊從實現功能上劃分為下列六個方面：
* 單片機主系統
* 開關量輸入子系統
* 控制信號輸出子系統
* 模擬量輸入子系統
* 通信子系統
* 電源子系統
單片機主系統
系統選用的Philps公司P89C51RA2單片機具有16KB并行可編程的非易失性Flash程序存儲器，并可實現對器件串行在系統編程(ISP)和在應用編程(IAP)。在ISP中，當MCU 安裝在用戶板上時，允許用戶下載新的代碼。在IAP中，MCU可以在系統中獲取新代碼并對自己重新編程。這種方法允許通過調制解調器連接進行遠程編程，片內ROM中固化的默認的串行加載程序Boot Loader 允許ISP 通過UART 將程序代碼裝入Flash 存儲器，而Flash代碼中則不需要加載程序。對于IAP 用戶程序，通過使用片內ROM 中的標準程序對Flash 存儲器進行擦除和重新編程。由于系統具有ISP功能，維護人員而不必攜帶編程器，極大的方便了現場調試。
模擬量輸入子系統
系統采集的模擬量主要是溫度信號。系統采用PT100鉑電阻作為采集溫度的傳感器。對于鉑熱電阻由于其阻值較小，因此采用三線制測量電路，從而消除引線電阻的影響。熱電阻的輸入電路如圖2所示，由R1、R2、R3和被測電阻組成普通四臂電橋。
系統的模數轉換芯片采用MAXIM公司的MAX186, 該芯片是一個采用逐次逼近Ａ/Ｄ轉換技術的高速、超低功耗模數轉換器。內部具有８通道多路轉換器、寬帶跟蹤/保持電路和串行接口。８路單端輸入或４路差動輸入可由軟件設定，轉換結果由串行接口輸出。分辨率為12位，采樣速度達133kHz，芯片可由單５Ｖ或雙±５Ｖ電源供電。其串行接口可與SPITM 、QSPITM 、WicrowireTM兼容?？刹捎脙炔繒r鐘或外部時鐘完成Ａ/Ｄ轉換。內部基準電壓為4.096Ｖ，具有硬件關斷和兩種軟件關斷模式。
系統用單片機的普通I/O口模擬MAX186所要求的串行通訊時序，照此方法同樣可以實現它們之間的連接，從而使該器件得到更廣泛的應用。圖3是用單片機的通用I/O端口與MAX186進行串行通訊的A/D轉換應用電路。模擬信號分別通過MAX494運算放大器緩沖后進入MAX186的輸入端CH0~CH7。MAX186的串行接口與單片機的I/O口之間通過高速光耦6N137相連，從而使模/數信號隔離開來。I/O的REFADJ接AGND，即采用內部基準電壓源作為A/D轉換的基準。VREF與地之間接4.7mF電容，SHDN懸空，即采用參考/緩沖放大器的外部校正模式。而通道的選擇、通道的工作模式以及關斷模式等由軟件設定，采用內部時鐘模式工作。
開關量輸入、控制信號輸出子系統
開關量輸入子系統主要是檢查壓縮機運行狀態(tài)，故障報警等，從而確保整個系統的安全運行。
軟件控制信號輸出子系統輸出開關量，控制各個交流接觸器，進而達到對壓縮機進行控制，并同時完成交流、直流的良好隔離。
通信子系統
通信子系統采用CAN現場總線，由Philps公司的CAN 控制器SJA1000和PCA82C250實現。通過MODBUS協議與上位機進行數據傳輸。Modbus 協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡(例如以太網)和其它設備之間可以通信。由于兼容Modbus 協議，下位機可以作為一個獨立的模塊，與各種兼容Modbus 協議組態(tài)軟件如iFIX等進行通信。

圖1 FCS控制系統結構圖

圖2 PT100鉑電阻

圖3 MAX186與P89C51RA2連接電路

圖4 軟件流程圖

軟件結構
本系統程序由C51語言編寫，由于下位機的任務不多，主要包括接收上位機命令并執(zhí)行相應動作、采集各通道溫度和查詢各保護信號狀態(tài)，因此考慮使用Rtx51 Tiny 2來實現。Rtx51 Tiny 2是Keil公司提供的開放源代碼的RTOS(實時操作系統)，雖然只支持16個任務并且不支持任務搶占，但對于本系統來說已經足夠。
設計的思路是首先建立任務0，然后由任務0建立幾個相關的任務，各任務被建立后處于等待信號狀態(tài)，通過信號調度各任務的執(zhí)行。具體流程圖如圖4所示。

結語
本系統在節(jié)約成本的同時又具備了靈活、擴展性強的優(yōu)點，不但可以應用在小型機組，同時還可以應用在大型機組中，該系統已經在地溫中央空調系統現場穩(wěn)定運行了半年多，在小型系統中已逐漸替代PLC控制系統，具有廣泛的應用前景?！?/P>

參考文獻
1 鄔寬明．現場總線技術選編（上）[M]．北京：北京航空航天大學.2003．
2 王田苗．嵌入式系統設計與實例開發(fā)[M]．北京：清華大學出版社.2002．
3 鄔寬明．CAN總線原理和應用系統設計[M]．北京：北京航空航天大學.1996．
4 徐愛鈞．智能化測量控制儀表原理與設計編著[M]．北京：北京航空航天大學出版社.1995．
5 MAX186 Datasheet．Maxim 1999．
6 RTX51 Tiny User’s Guide． Keil Software