全固态广播发射机冷却设备自动控制系统
林剑雄
（国家广电总局824台）
摘要 在分析现有发射机冷却设备自动控制性能不足的基础上，提出了冷却设备控制系统改造方案，实现冷却设备控制系统单片机智能控制，实时监控冷却设备参数变化情况并予以显示，同时实现检测异常自动报警、冷却设备自动控制等功能，提高冷却设备的自动化程度，确保发射机稳定可靠运行。
关键词 单片机 热交换器 补给水泵 继电器
1前言
随着发射机自动化进程的不断推进，“有人留守、无人值班”运维模式的进一步推广，对发射机实现智能化控制势在必行。发射机冷却设备作为发射系统的重要组成部分，用于发射机功放器件和电源整流部件的冷却，这些器件一旦损坏，轻者影响发射机的运行指标，重者引发停劣播事故。保证发射机冷却设备的正常运行，对稳定发射机的可靠运行、降低停劣播事故的发生具有重要意义。 随着广播发射技术的不断发展，大功率全固态广播发射机因其具有稳定性高、技术指标好、维护工作量小等优点而得以广泛运用，然而其对于运行环境的要求也比较苛刻，根据多年来对全固态发射机的维护经验可知，发射机环境温度是发射机得以可靠运行的重要因素。环境温度控制不好，驻波比升高，发射功率下降，管耗增大，冷却水水温也马上升高，严重影响功率管的寿命。 发射机运行环境温度主要靠风水冷设备调节，风冷系统有内、外循环两种运行模式，当室外温度小于室内温度时，风冷系统运行在外循环模式；若室外温度大于室内温度时，风冷系统运行在内循环模式。考虑到室外空气中灰尘和湿度对全固态发射机的影响，风冷系统一般选择内循环的运行模式，且室内一般采用工业空调对室温进行调节，将室温控制在发射机运行所要求的温度范围内。水冷系统则采用热交换器对循环冷却水进行冷却，以保证功率管等大功率器件工作在正常工作温度内。水冷系统已经实现循环水泵主备份之间的自动切换，但循环冷却水的补给仍然沿用人工补给方式；采用不同温度的温控器控制热交换器的开启，由于存在低温度的温控器所对应的热交换器长时间工作的情况，故需要定时对温控器的动作温度进行调整，以保证热交换器获得均衡的工作时间。若实现冷却设备自动控制，一方面进一步推进发射机的自动化进程，另一方面切实降低值机人员的劳动强度，减少由于人为因素造成停劣播事故的发生，有效提高发射机运行的可靠性。
2发射机冷却设备自动控制系统
发射机冷却设备自动控制系统应用单片机的实时测控技术，根据冷却设备参数的实时变化情况，通过系统的判断输出执行命令去控制各电控器件动作，自动替代完成一系列人工操作，实现对发射机冷却设备自动控制的目的。该系统由一个计算机监控系统、一个通信协议转换电路、一个数据处理与控制单元和若干传感器及继电控制电路组成。系统框图如图1。
2.1数据的采集处理与控制
数据的采集、处理与控制单元是接收各传感器采集信号，A/D转换成数字信号，通过串口通信的方式送给计算机监控系统显示并与设定的阈值相比较，若参数超值越限，接收并传输由计算机监控系统发出的控制信号数据包，由单片机芯片产生一个使能脉冲给锁存器锁存控制命令，驱动继电器控制电路动作，实现自动控制的功能。主要有以下模块：传感器采集模块、单片机系统模块、网络通信模块和继电器控制模块。电路图如图2
2.1.1传感器采集模块 为了实现对发射机冷却设备的自动控制功能，本系统对发射机运行过程中的水压、水温和室温这些环境参数进行实时采集监控，所以该系统所采用的传感器有压力变送器AOB-131、一体化温度变送器SBWZ和数字温度传感器DS18B20。 水压参数测量选用压力变送器AOB-131，该压力变送器采用陶瓷压阻式敏感器件，测量精确，适用于工业领域对液体、气体和蒸汽的压力测量，具有结构简单，体积小巧，易安装等特点。其主要技术指标如表1。
表1压力变送器AOB-131主要技术指标
| 电源电压 | 24VDC | 测量范围 | 0～0.6Mpa |
| 输出信号 | 4～20mA | 测量精度 | 0.5%FS |
水温参数测量选用一体化温度变送器SBWZ，SBW系列一体化温度变送器是温度传感器与温度送变器合为一体，将温度变送器置于温度传感器接线盒内，把温度转变成与热电阻、热电偶输出成正比的4～20mADC标准信号传输给二次仪表、计算机系统，从而实现对温度的精确测量和控制。其主要技术指标如表2。
表2一体化温度变送器SBWZ主要技术指标
| 电源电压 | 24VDC | 测量范围 | 0～100℃ |
| 输出信号 | 4～20mA | 测量精度 | 0.5%FS |
室温参数测量选用数字温度传感器DS18B20，该传感器以其接线方便、耐磨耐碰、体积小、封装形式多样等特点，被广泛应用于各种设备的数字测温和控制领域。DS18B20具有独特的单线接口方式，在与微处理器连接时仅需要一条口线，不需要任何外围元件即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯，测温范围-55℃～+125℃，测量结果以9～12位数字量方式串行传送。
2.1.2单片机系统模块 考虑到发射机房复杂的电磁环境和数据传输的稳定性，数据采集、处理与控制单元选用了ATMEL公司的8位AVR微处理器Atmega8。ATmega8芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富的硬件接口电路，具备AVR高档单片机MEGE系列的全部性能和特点。与AT51系列单片机相比，ATmega8速度更快，功耗更少，中断更多，还带A/D转换器，可编程看门狗，加密性更好。单片机系统模块主要由单片机基本电路和信号调理电路组成。
2.1.2.1单片机基本电路 单片机基本电路由单片机芯片ATmega8及其外围电路构成，主要包括电源电路、复位电路和时钟电路等。ATmega8内部有一个10位精度的A/D转换器，其精度是±2LSB，非线性度为0.5LSB，转换时间为65?s～260?s，PC0～PC3模拟输入通道的转换精度是10位，PC4～PC5模拟输入通道的转换精度则是8位，本系统水压、水温参数分别由PC0、PC1端输入，室温参数为数字信号则由PD4端输入，参考基准电压采用芯片内部提供的参考电压。单片机基本电路如图3。
1．复位电路 复位电路的基本功能是在系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。单片机系统的复位可以有上电复位和人工手动复位两种方式，不管是哪一种复位电路都要保证在引脚上提供10ms以上稳定的低电平。由电阻和二极管组成上电复位电路，在上电瞬间，电源VCC通过电阻R1给电容充电，使电容C1上的电平由0V缓慢上升到VCC。调节R1的值可以调节电容C1充电的快慢，从而调节低电平复位时间。在下电以后，VCC下降到0V，而C1两端电压不能突变，电容器存储的电荷则可以通过二极管D5泄放到VCC，使电容C1两端电压迅速降为0V。否则可能因为电容两端残留一部分电压，而在快速开关机时，使单片机复位不正常。人工手动复位可直接通过S1复位按钮实现。 上电复位时间：
2．时钟电路 一般单片机系统的时钟信号可以有两种方式产生，一种是内部时钟方式，由于单片机芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚X1和X2分别是此放大器的输入端和输出端。在X1和X2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。另外一种是外部时钟方式，就是把外部已有的时钟信号引入单片机内。本系统采用第一种内部时钟方式，晶振频率为7.3738MHz。 3．电源电路 单片机电源由开关电源输出的12VDC经三端稳压电路7805降压获得稳定的直流5V电源，考虑到发射机房恶劣的电磁环境对采集参数精度的影响，在单片机电源输入端AVCC与标准数字电源VCC之间用一个LC网络滤波，并且在芯片的AVCC和AREF的引脚外接瓷片电容C4和C5到地，以提高A/D转换器的抗干扰能力。 2.1.2.2信号调理电路 由传感器输出的模拟信号非常微弱，为mA级的电流，容易受其他信号源的干扰，考虑到阻抗匹配，在送往单片机处理之前需要对采集信号进行预处理。由于本系统是采用定时巡检的方式对水压、水温参数进行采集，为保证数据传送的同步，在传感器和A/D转换器之间增加了一个缓冲器以寄存传感器送来的参数数据。在系统的电路中采用集成运放LM324组成一个电压跟随器构成缓冲器，以提高采集电路的可靠性，并起到匹配阻抗的作用。
2.1.3网络通信模块 为实现数据处理与控制单元与计算机监控系统之间的通信，使用串口是最简单的通信方法，PC机的RS232端口中一对串口线对单片机的一对串口引脚进行通信。根据对本系统的实际传输距离和数据传输稳定性的考量，数据处理与控制单元通过RS485接口组成的半双工网络，经过RS485/RS232通信协议转换后与计算机实现串口通信。信号线选择屏蔽性好、衰减小的的屏蔽双绞线，外套铜编织网管，且将铜编织网管与发射机公共地相连接，保证其良好接地，与发射机外壳构成同电位体。为提高数据传输的抗干扰能力及线路特性阻抗的匹配，在RS485网络传输线的始末端各接一个120Ω的匹配电阻，用于吸收传输线路上的反射波。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验，数据则是以bit为单位传输，需要预先定义单片机与PC机通信的数据格式，然后在程序中编写。 2.1.4继电器控制模块 为实现电路的自动控制功能，在控制电路中经常需要用到继电器等控制器件。许多控制器件在开关过程中会产生电磁干扰信号，若不进行有效隔离会使系统产生误动作。并且由于单片机系统的输出为TTL电平，驱动能力非常小，这种电平也不能直接驱动受控器件的开启和关闭，因此在控制信号的输出过程中需要对其进行隔离和放大。本系统为实现单片机电路与受控器件之间的物理隔离采用光电耦合器对控制信号进行有效隔离，并且使用三极管对控制信号进行放大，以确保继电器能够可靠地吸合与断开。继电器控制电路如图4。
2.2计算机监控系统 计算机监控系统采用VB6模块编程，使用MSComm控件进行串行通信，采用Access数据库进行数据存储。实现采集参数的实时显示，设置各参数的上下限阈值和参数异常声光报警的模式，提供时钟校时和运行图、日记的查询功能。在监测过程中，若是参数数值超出阈值范围，计算机监控系统提供声光报警并输出控制信号“1”给继电器，继电器拾电吸合，给各受控冷却设备供电。一旦参数数值回到阈值范围，控制信号变“0”，继电器失电释放，关断受控设备供电。 VB6的MSComm通信控件提供了一系列标准通信命令接口，它允许建立串口通信连接，还可以发送命令、进行数据交换以及监视和响应在通信过程中可能发生的各种错误和事件，可用它创建双工通讯，有两种通讯方式，即事件驱动方式和查询方式。MSComm控件的常用属性有： CommPort：设置并返回通讯端口号，通讯端口号为1～16的任意值。缺省值为1。 Settings：设置初始化参数，以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位。缺省值为（9600，N，8，1）。 PortOpen：设置并返回通讯端口的状态。True打开端口，False关闭端口并清除接收和发送缓冲区。当应用程序终止时，MSComm控件自动关闭串行端口。 Input：从接收缓冲区读出数据。 Output：向发送缓冲区写入数据。 数据类型可以是文本数据也可以是二进制数据。 本系统定义了监控系统输出的控制命令数据为二进制数据，采用一帧八位二进制数据控制8个的受控设备。由于受控的设备只有一台循环冷却水补给水泵、三台热交换器、一套工业空调系统共五个设备，所以只要运到到八位二进制数据中的五位即可实现。采用低五位分配给五个受控设备，低三位分配给热交换器、第四位分配给工业空调、第五位分配给补给水泵。一旦计算机监控系统检测到哪个参数越限，控制信号中对应的那一位二进制码就置“1”，监控系统就发送控制命令数据给单片机的RXD端接收，单片机系统判断RXD端数据与控制信号输出DATA端不一致，则由单片机产生一个具有8个上升沿脉冲的时钟信号CLK给串入并出移位寄存器74HC164，同时复制RXD端数据经输出端DATA给移位寄存器74HC164，使串行控制信号变并行信号输出，产生继电器控制信号控制对应的继电器吸合，电路如图4。由于冷却设备采用三相供电，故继电器吸合后接通三相交流接触器的线包供电，控制交流接触器接通，受控冷却设备启动。一旦参数回归正常值范围，控制信号中对应的二进制码就置“0”，单片机同样产生时钟信号脉冲给移位寄存器，使得继电器控制信号低电平，继电器失电释放，交流接触器断开，受控冷却设备断电关闭。 为解决热交换器工作时间均衡问题，可以定义控制信号的低三位和对应的三台热交换器定时循环轮换。即每次运行图开始时，控制信号中控制热交换器的位数序号最高位对应原来的第一台热交换器，其他的位数序号对应到原来序号加一的热交换器上。 3软件设计 计算机监控系统程序包括界面显示模块、时钟校时模块、通信模块、数据管理模块以及声光报警模块，数据处理与控制单元的编程主要涉及数据采集和数据通信的控制程序。程序流程图如图5、图6。
图5计算机监控系统数据处理流程图
图6单片机数据处理流程图
4结束语 安全传输发射的维护工作任重而道远，充分利用单片机技术完善设备的自动化控制系统，可以为安全传输发射工作提供强有力的保障，切实提高技术维护工作的智能化水平，不断推进发射机的自动化进程，让安全传输发射工作朝着“有人留守，无人值班”的新运维模式不断发展。 参考文献 1 张希才，薛永毅.传感器及其应用实例[M].机械工业出版社.2004 2 谈世哲.电路设计基础与典型范例[M].电子工业出版社.2008 3 江晓安.数字电路[M].西安科技大学出版社.2006 4 马潮.ATmega8原理及应用手册[M].清华大学出版社.2003
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