(浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316021)

為了保證鍋爐安全運行，每天要按照要求對水位計進(jìn)行沖洗，這增加了輪機(jī)員工作量并存在被高溫燙傷的風(fēng)險，而設(shè)計人員的研究方向主要在水位計的結(jié)構(gòu)、材料、安裝工藝、沖洗方法上，關(guān)于能夠自動沖洗水位計，目前未見相關(guān)報道[1-2]，所以，目前船用市場上的鍋爐水位計幾乎全部為手動沖洗形式。

為此，考慮設(shè)計一種以單片機(jī)為控制核心的自動沖洗水位計，用于替換當(dāng)前船舶鍋爐水位計，可以應(yīng)用在船舶鍋爐生產(chǎn)廠家的新鍋爐上，也可應(yīng)用在現(xiàn)有船舶鍋爐上。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、檢測傳感器、電磁閥驅(qū)動、時間顯示、聲光報警、串口通信等電路及軟件組成[3]。系統(tǒng)設(shè)計總體框圖見圖1，單片機(jī)為系統(tǒng)控制的中樞，主要完成數(shù)據(jù)的運算與控制信號的發(fā)送，LCD顯示器用來顯示定時時間與溫度，主要完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示。檢測傳感器主要用來檢測沖洗管路的溫度，以確定系統(tǒng)的控制功能是否按要求完成。按鍵主要用來輸入定時數(shù)據(jù)，也可以對輸入的定時數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，這些參數(shù)都將在顯示器上顯示，輪機(jī)員可以通過此進(jìn)行觀察，掌握沖洗時間并根據(jù)實際需要進(jìn)行修訂，完成人機(jī)交互。

通過單片機(jī)內(nèi)部的定時功能可以準(zhǔn)確地完成水位計的沖洗，單片機(jī)的引腳電平高低的變化控制驅(qū)動電路，通過此來按照順序開啟電磁閥，實現(xiàn)利用鍋爐內(nèi)部的原有蒸汽或者水壓對水位計進(jìn)行定時程序沖洗，沖洗的成功與否，可通過溫度檢測元件進(jìn)行反饋判斷[4]。如果沖洗過程中溫度檢測有溫升，說明一切正常，如果沖洗過程中沒有檢測到溫升的信號，內(nèi)部程序?qū)⑦M(jìn)行一次復(fù)位后重新沖洗，如果再一次沖洗還沒有檢測到溫升信號則發(fā)出報警，沖洗失敗。

1.2 水位計結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

自動沖洗水位計的結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖2，可在原來的基礎(chǔ)上改進(jìn)。蒸汽沖洗電磁閥D1安裝在玻璃管與通氣閥的連接管路；熱水沖洗電磁閥D2安裝在玻璃管與通水閥的連接管路；沖洗電磁閥D3安裝在沖洗管路上。保留水位計上原所有的閥門，在進(jìn)行電磁閥更換工作時，可以通過關(guān)閉通氣閥S1、通水閥S2等操作，保證鍋爐內(nèi)的汽水不會外溢，使操作可以在不停爐的情況下進(jìn)行[5]。

在沖洗管路的末端安裝傳感器檢測沖洗是否成功，沖洗成功時，鍋爐內(nèi)部的蒸汽或熱水會沿著沖洗管路將熱量傳遞給溫度傳感器，溫度傳感器檢測到溫升信號；沖洗不成功，10 s后溫度沒有變化，系統(tǒng)將根據(jù)程序重新沖洗水位計，如果傳感器還沒有檢測到溫升信號則發(fā)出警報。

1.3 控制面板外形設(shè)計

控制模塊、顯示模塊、手自動轉(zhuǎn)換模塊可以與鍋爐的控制箱進(jìn)行融合，使輪機(jī)員的操作更加方便。面板的正面有控制旋鈕，其主要作用為選擇控制方式。液晶顯示屏可以隨時顯示定時狀態(tài)、計時時間等內(nèi)容，第二行可以顯示傳感器感受的溫度。底行為按鈕：1～6，每一個按鈕都有相應(yīng)的功能，主要為修改定時時間，報警消音與復(fù)位等。按鈕布局合理、大小適中，方便輪機(jī)員操作?？刂泼姘宓闹饕涌谝呀?jīng)在圖中標(biāo)出，在所有的接口中有一個預(yù)留接口，方便以后增加其他功能時使用。

控制面板的設(shè)計只需對現(xiàn)有鍋爐控制箱進(jìn)行較小的改動即可，控制面板所占面積小，操作簡單，接線方便，接口少，為船舶的輪機(jī)員提供了更好的操作界面與簡單的操作方法。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機(jī)設(shè)計

AT89C51是一種使用較廣泛的電子芯片。該芯片經(jīng)濟(jì)環(huán)保、性能優(yōu)良，其可編程的 Flash存儲器為4 k，8位的 CPU，在指令與引腳方面可以與工業(yè)80 C51完全兼容?？梢詾榭刂葡到y(tǒng)提供高精度的控制方案[6]。AT89C51性能指標(biāo)見表1。

表1 AT89C51性能指標(biāo)表

因設(shè)計要完成控制、顯示、參數(shù)輸入、通信等功能，所以根據(jù)以上需求選用單片機(jī)的引腳數(shù)為40個，其引腳數(shù)可以滿足所有功能的可靠實施。圖3所示為AT89C51的封裝與引腳。

2.2 電磁閥驅(qū)動電路設(shè)計

電磁閥為裝置的主要執(zhí)行元件，由于該設(shè)計的控制流體為高溫蒸汽與熱水，所以采用不銹鋼閥體、耐高溫密封的電磁閥[7]。直流驅(qū)動電路見圖4，與單片機(jī)引腳的接口分別為P1.6、P1.7、P2.6，12 V直流供電，通徑采用20 mm的管路，以保障足夠的沖洗效果。電磁閥的啟閉狀態(tài)可以通過單片機(jī)內(nèi)部的程序得到。

2.3 顯示器設(shè)計

采用了一種功耗低、硬件電路與驅(qū)動方法簡單的液晶顯示器。使用的是 LCD1602，其能夠同時顯示字符的個數(shù)為 16×02 個，可以清楚地顯示字母、數(shù)字、符號等。該模塊的引腳共有14個，見圖5。另外還有2個引腳未標(biāo)出，主要作用為提供背光[8]。各個引腳接口見表2，背光引腳沒有在上面標(biāo)出。 LCD1602主要技術(shù)參數(shù)見表3。

設(shè)計的LCD模塊有8個 DateI/ O口，即 D0～ D7口。這8個 DateI/ O口與單片機(jī)的 P0.0～ P0.7口相連接。為了實現(xiàn)上拉加裝一個10 kΩ的排阻，在圖5中的 LMO16 L中沒有 BLA與 BLK口，這兩個背光源只要接通合適的電源即可，一般的調(diào)節(jié)是通過手動進(jìn)行的。LCD液晶的顯示界面一般分為兩行，上面一行顯示定時時間，下面一行顯示當(dāng)前的溫度傳感器接受的溫度情況。

表2 LCD1602引腳接口表

注：15BLA、16BLK在圖中并未標(biāo)出，實際中存在，為背光引腳。

表3 LCD1602 主要技術(shù)參數(shù)表

2.4 傳感器設(shè)計

DS1820溫度傳感器與單片機(jī)之間通過一根總線相連接，所有信號通過此線進(jìn)行傳送，實現(xiàn)參數(shù)轉(zhuǎn)換的電源也通過數(shù)據(jù)線提供，不需要單獨設(shè)置。報警值可調(diào)，9位溫度讀數(shù)顯示測量溫度。溫度傳感器的性能特點見表4。

DS1820溫度傳感器主要有6部分組成，包括校驗碼發(fā)生器、高速暫存器、觸發(fā)器TH和TL、寄生電路、ROM單線接口、溫度傳感器，其中每一部分都有相應(yīng)的作用[9]。DS1820溫度與數(shù)據(jù)關(guān)系見表5，DS1820的管腳排列見圖6。

表4 DS1820的特性

表5 DS1820溫度與數(shù)據(jù)關(guān)系

DS1820以64位ROM及環(huán)線接口為中心，外圍包含I/O口、存儲與控制邏輯、暫存寄存器、8位CRC發(fā)生器、溫度傳感器、上限TH和下限TL。

DS1820溫度傳感器的應(yīng)用十分靈活，其連接距離長，相互干擾少，可以實施遠(yuǎn)距離測量，本設(shè)計只需1只就可以滿足檢測要求。采用寄生電容供電的溫度檢測系統(tǒng)見圖7。其中P2.1做輸出口用，相當(dāng)于TX；P2.2做輸入口用，相當(dāng)于RX。

2.5 按鍵電路設(shè)計

按鍵為參數(shù)輸入模塊，功能設(shè)計主要是完成對系統(tǒng)的設(shè)定，包括定時時間、警報確認(rèn)等，通過輸入時間參數(shù)來更改水位計的時間設(shè)定。鍋爐水位計的沖洗并不是一成不變的，輪機(jī)員可以根據(jù)所掌握的內(nèi)容，如水質(zhì)的情況，工作狀態(tài)等，適當(dāng)對沖洗時間進(jìn)行調(diào)節(jié)。本設(shè)計的按鍵尺寸為6×6×4 mm，按鍵個數(shù)為6，其大小恰當(dāng)，方便人員按壓操作，且不會影響其他按鍵。其中R3-R7為阻值10 kΩ的外接上拉電阻，按鍵按下與跳起分別對應(yīng)接口的低電平與高電平[10]。在連接方面直接與 AT89C51的 I/O 口連接，電路簡單，沒有中間環(huán)節(jié)， 保證設(shè)計的穩(wěn)定性。各功能鍵功能見表6，按鍵的連接電路見圖8。

表6 按鍵功能表

2.6 語音報警

自帶報警模塊，聲音報警由蜂鳴器完成，發(fā)光報警由晶閘管完成。該報警裝置的工作分為兩個階段：第一階段為水位計正常工作階段，此時汽沖、水沖電磁閥均處于打開狀態(tài)，沖洗電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，如果傳感器檢測到有溫升信號，則說明沖洗電磁閥泄漏，發(fā)出報警：第二階段為水位計沖洗階段，在沖洗水位計時，汽沖、水沖、沖洗電磁閥按照順序開關(guān)，如果溫度傳感器檢測不到溫升信號，則說明沖洗失敗，發(fā)出警報。該警報是水位計沖洗失敗警報，給輪機(jī)員預(yù)警。該報警裝置的觸發(fā)通過P2.7口的電平?jīng)Q定，發(fā)光二極管與蜂鳴器單線連接，報警時同時發(fā)出。報警的電路模塊設(shè)計見圖9。

2.7 上位機(jī)通信設(shè)計

采用串行通信方式完成機(jī)旁設(shè)備與 PC機(jī)的通信，通過所選單片機(jī)內(nèi)部的UART來實現(xiàn)。為了保證有效的通信，選用了 MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片來保證更加有效可靠的通信；為了保證通信距離的長度，通過 RS-232提高信號的幅度。上位機(jī)通信電路見圖10。輪機(jī)員可以在集控室對水位計的沖洗定時，溫度檢測值進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與遙控，這樣可以減少輪機(jī)員在機(jī)艙巡視的時間，降低工作強(qiáng)度。

3 主程序流程

本設(shè)計主程序能使系統(tǒng)控制得更加準(zhǔn)確、更加合理、更加智能，主程序流程圖見圖11。水位計沖洗程序按照開始-初始化-定義變量-開始沖洗-檢測的順序執(zhí)行，內(nèi)部程序通過單片機(jī)發(fā)出指令控制電磁閥的啟閉。當(dāng)?shù)谝淮螞_洗指令發(fā)出后，通過溫度傳感器檢測沖洗管路的溫升情況來判斷是否沖洗成功。當(dāng)按照沖洗程序完成水位計沖洗后，沖洗時間開始自動計時，到下一次沖洗定時時間后重新開始沖洗程序。如果沖洗定時需修變，可以在控制面板上通過按鈕進(jìn)行。若想將水位計自動沖洗改變?yōu)槭謩記_洗，只需要將轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)至手動位置即可。若此時立刻進(jìn)行水位計沖洗，則不需考慮定時。當(dāng)手動將水位計沖洗完成后，外部中斷結(jié)束，系統(tǒng)又開始沖洗定時，進(jìn)行下一次的沖洗準(zhǔn)備[11-12]。

4 結(jié)論

通過對鍋爐自動沖洗水位計的器件選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件流程設(shè)計等，很好地實現(xiàn)了水位計自動定時沖洗功能，可廣泛應(yīng)用于船舶鍋爐上。與在水位計的結(jié)構(gòu)、材料、安裝位置等方面進(jìn)行改進(jìn)相比，本文注重對水位計自動控制上的改進(jìn)，以此來解決輪機(jī)員工作過程中勞動強(qiáng)度大、操作安強(qiáng)性低、容易出現(xiàn)事故等問題。綜上，本研究成果可極大地改善船舶水位計操作人員的工作環(huán)境，保障操作人員的安全，降低工作強(qiáng)度，具有一定的實際應(yīng)用價值。

本文的研究還可以向智能控制方向發(fā)展，增加智能控制部分，使水位計的沖洗動作根據(jù)鍋爐水位情況自動改變，減少人員的參與，減少工作量保障安全。

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