李 勃，馬源駿，李辰庚，楊昆永

（渤海大學(xué)，遼寧錦州 121000）

0 引言

船舶作為海上重要的交通工具，承擔(dān)著世界80%～90%的貨運(yùn)量。然而，在氣溫寒冷且潮濕的地區(qū)，碼頭設(shè)備常會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重凍損現(xiàn)象，特別是船舶需要加注淡水的情況下，當(dāng)冰凍情況嚴(yán)重時(shí)，不但會(huì)拖延船舶航期，還會(huì)造成船舶企業(yè)經(jīng)營(yíng)效益的虧損。

1 供水管路伴熱帶的電路設(shè)計(jì)

目前，對(duì)碼頭淡水管路采取的防凍措施主要有加裝棉套或使用其他材料實(shí)行包裹，保溫方式太過(guò)原始和落后，保溫效果不明顯。對(duì)碼頭淡水管路存在的問(wèn)題進(jìn)行深入研究，通過(guò)設(shè)計(jì)電伴熱帶控制箱，解決了碼頭淡水管路結(jié)冰無(wú)法給船舶加注淡水的技術(shù)難題[1～6]。

根據(jù)港口碼頭淡水管路設(shè)施以及船舶的實(shí)際情況，考慮環(huán)境、時(shí)間等因素，考慮電伴熱帶控制箱可選用時(shí)間條件與溫度條件共同控制，使該裝置具有良好的應(yīng)用前景與實(shí)際應(yīng)用效果。通過(guò)對(duì)原始落后保溫方式的進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)增強(qiáng)電能與熱能的高效轉(zhuǎn)換具有重大意義。

設(shè)計(jì)碼頭電伴熱帶控制箱配備時(shí)間控制與溫度控制兩種操作模式。選擇溫控開(kāi)關(guān)，預(yù)先對(duì)溫度進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)溫度小于設(shè)定值時(shí)，根據(jù)溫控開(kāi)關(guān)WK 程序設(shè)置，低溫開(kāi)關(guān)WKL 自動(dòng)閉合，K1、K2 得電，達(dá)到低溫時(shí)電伴熱帶自動(dòng)開(kāi)啟保溫的效果，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，根據(jù)溫控開(kāi)關(guān)WK 程序設(shè)置，WKH 斷開(kāi)，K1、K2 失電，達(dá)到溫度適宜時(shí)電伴熱帶自動(dòng)關(guān)閉的效果。選擇時(shí)控開(kāi)關(guān)，可以根據(jù)實(shí)地情況設(shè)置開(kāi)始與結(jié)束時(shí)間，根據(jù)時(shí)控開(kāi)關(guān)ST 程序設(shè)置，ST 觸點(diǎn)會(huì)在設(shè)定開(kāi)始時(shí)間到達(dá)后自動(dòng)閉合，K1、K2 得電，伴熱帶工作，對(duì)供水管路進(jìn)行加熱。到達(dá)設(shè)定結(jié)束時(shí)間時(shí)，ST 觸點(diǎn)會(huì)根據(jù)程序自動(dòng)斷開(kāi)，伴熱帶停止對(duì)供水管路加熱。其中K1、K2 并聯(lián)觸點(diǎn)是并聯(lián)關(guān)系，可增大開(kāi)關(guān)容量，避免電流過(guò)大而燒毀觸點(diǎn)。電伴熱帶控制箱原理如圖1 所示。

圖1 電伴熱帶控制箱電路

2 DS18B20 溫度傳感器

DS18B20 為單總線原件，測(cè)量溫度范圍為-55～+125 ℃。實(shí)際應(yīng)用時(shí)面對(duì)平的一面，左側(cè)連接GND 右側(cè)連接VCC，將中間的總線連接到單片機(jī)I/O 即可，注意傳感器極性不能接反，否則會(huì)導(dǎo)致傳感器發(fā)熱，讀數(shù)不正常甚至燒毀傳感器。

DS18B20 封裝圖如圖2 所示，在程序編寫(xiě)時(shí)，首先對(duì)傳感器進(jìn)行初始化檢驗(yàn)，即按照數(shù)據(jù)手冊(cè)要求將總線拉低至少480 μs，再拉到總線，此時(shí)等待接收DS18B20的應(yīng)答脈沖。如果接收到應(yīng)答脈沖，則表明傳感器可以正常工作；反之，則說(shuō)明傳感器損壞或者初始化失敗或者傳感器安裝錯(cuò)誤無(wú)法使用。編寫(xiě)程序時(shí)應(yīng)注意時(shí)序問(wèn)題，應(yīng)嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)手冊(cè)中要求的時(shí)序圖進(jìn)行延時(shí)操作，否則可能導(dǎo)致讀寫(xiě)失敗，傳感器讀寫(xiě)均為按位操作，以讀為例，單片機(jī)每給傳感器1 個(gè)脈沖，傳感器回給單片機(jī)1 位數(shù)據(jù)，循環(huán)8 次即可讀出1 字節(jié)數(shù)據(jù)，最終根據(jù)設(shè)置的傳感器轉(zhuǎn)換精度乘對(duì)應(yīng)的系數(shù)即可得到最終的實(shí)際溫度。

圖2 DS18B20 封裝圖

由圖3 傳感器DS18B20 程序框圖可知，當(dāng)發(fā)出復(fù)位脈沖檢查應(yīng)答后，則發(fā)送跳過(guò)ROM 指令和溫度轉(zhuǎn)換指令，經(jīng)延時(shí)，再發(fā)出復(fù)位脈沖檢查應(yīng)答，再次發(fā)送跳過(guò)ROM 指令和溫度轉(zhuǎn)換指令，經(jīng)整合讀出的溫度數(shù)據(jù)并CRC 檢驗(yàn)正確，則移入溫度暫存器。

圖3 DS18B20 程序框圖

利用Keil μVision 對(duì)該供水管輅伴熱帶溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行程序編寫(xiě)，再利用PROTEUS 進(jìn)行電路仿真，其仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 溫度仿真

3 實(shí)物圖

通過(guò)上述的仿真、測(cè)試等環(huán)節(jié)，對(duì)該伴熱帶進(jìn)行實(shí)物的設(shè)計(jì)與組裝。要求電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功能可靠。電路板的布局焊接以及設(shè)備的安裝調(diào)試均符合相關(guān)電氣標(biāo)準(zhǔn)。特別注意數(shù)顯表在安裝時(shí)，按照盤(pán)面開(kāi)孔尺寸在盤(pán)面上打出用來(lái)安裝儀表的矩形方孔，將儀表嵌入盤(pán)面開(kāi)孔內(nèi)，在儀表安裝槽內(nèi)插入安裝支架，推緊支架后擰緊螺釘，使儀表與盤(pán)面結(jié)合牢固[7～10]。安裝時(shí)大氣壓力、溫度、相對(duì)濕度符合相關(guān)電氣標(biāo)準(zhǔn)的要求，安裝實(shí)物如圖5 所示。

圖5 電伴熱帶控制箱實(shí)物

進(jìn)而可以利用電伴熱帶控制箱將電能轉(zhuǎn)換為熱能傳遞給供水管路，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)開(kāi)啟和溫度控制的雙重功能。通過(guò)單片機(jī)控制，也能實(shí)現(xiàn)根據(jù)溫度改變自動(dòng)調(diào)整伴熱帶輸出功率。使單位時(shí)間、同一長(zhǎng)度的該系統(tǒng)的發(fā)熱量為恒定，不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境多變而引起的溫度變化，使電伴熱帶裝置整體性能更良好、更穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制，自主適應(yīng)性高，不會(huì)因?yàn)榘l(fā)熱絲與母線焊點(diǎn)因接觸點(diǎn)不牢固引起脫落、位移、短路，導(dǎo)致出現(xiàn)局部發(fā)熱溫度低甚至不發(fā)熱情況。電伴熱帶發(fā)熱體是金屬絲，其耐熱等級(jí)高，發(fā)熱量不會(huì)因?yàn)榻橘|(zhì)溫度高、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)而導(dǎo)致減弱，大大延長(zhǎng)使用壽命[11～12]。

4 結(jié)束語(yǔ)

將電伴熱帶技術(shù)應(yīng)用在碼頭供水管路中，實(shí)現(xiàn)供水管路的保溫、防凍作用，溫度傳感器控制以單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制，提高了電能與熱能的高效轉(zhuǎn)換。該碼頭供水管路伴熱帶控制系統(tǒng)對(duì)船舶的營(yíng)運(yùn)時(shí)效性具有重要意義。