朱學(xué)文

應(yīng)用研究

基于單片機(jī)的船舶柴油機(jī)安保系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

朱學(xué)文

（安徽省淮河船舶檢驗(yàn)局，安徽蚌埠 233000）

基于單片機(jī)設(shè)計(jì)一款柴油機(jī)安保系統(tǒng)，主要包含溫度傳感器模塊、速度傳感器模塊、壓力傳感器模塊、按鍵模塊、單片機(jī)控制模塊、LCD1602顯示模塊、蜂鳴器模塊、驅(qū)動模塊、報(bào)警燈模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊。該系統(tǒng)通過溫度傳感器模塊感知溫度，速度傳感器模塊采集速度，壓力傳感器模塊收集滑油壓力傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，顯示在LCD1602顯示模塊上，當(dāng)檢測到的參數(shù)達(dá)到設(shè)定警報(bào)值時(shí)發(fā)出停機(jī)指令。通過Proteus平臺仿真和實(shí)物測試驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。

單片機(jī) 船舶柴油機(jī) 安保系統(tǒng)

0 引言

當(dāng)前，我國最普遍使用的船舶主機(jī)是船舶柴油機(jī)[1]。海上高鹽度、高濕度、顛簸的工作環(huán)境，使得船舶設(shè)備發(fā)生故障的幾率大增，特別是作為船舶主動力的柴油機(jī)，系統(tǒng)較為復(fù)雜，一旦出現(xiàn)致命故障，當(dāng)班人員處理不夠及時(shí)，容易導(dǎo)致船舶癱瘓，極大程度影響船舶與人員安全[2]。船舶柴油機(jī)安保系統(tǒng)就是基于此來保護(hù)船舶與人員的安全。

通過柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)臺架或?qū)嵈\(yùn)行獲取故障狀態(tài)下船舶柴油機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)有實(shí)驗(yàn)成本高、部分參數(shù)無法獲取等劣勢，因此必須依賴對柴油機(jī)故障的仿真數(shù)值計(jì)算[3]。利用Keil5編碼軟件與Proteus仿真軟件建立柴油機(jī)仿真模型，通過模擬獲取在多種工況下運(yùn)行的參數(shù)，并通過實(shí)物系統(tǒng)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性[4]。

1 整體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要的輸入輸出模塊示意圖如圖1所示。其中，單片機(jī)型號為AT89C52系列的STM32F103ZET6。該電路具有較好的集成度和可靠性，能夠滿足整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行要求[5]。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本課題提出的方案正確有效。本次系統(tǒng)的運(yùn)行方式分為以下幾個(gè)步驟進(jìn)行。首先打開電源開關(guān)，各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，外部的速度傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速的采集、溫度傳感器采集溫度、壓力傳感器采集滑油壓力之后將通過控制總線輸入單片機(jī)，完成外部壓力、速度、溫度的收集；然后，由單片機(jī)分析和處理接收到的溫度數(shù)據(jù)。溫度、壓力和速度信息在驅(qū)動顯示模塊中顯示。最后，將當(dāng)前環(huán)境壓力、溫度和速度值與外部輸入鍵盤設(shè)定的值進(jìn)行比較。當(dāng)環(huán)境溫度和速度高于設(shè)定值或滑油壓力低于設(shè)定值時(shí)，就會觸發(fā)報(bào)警裝置。

圖1 系統(tǒng)整體構(gòu)成圖

2 硬件及仿真電路設(shè)計(jì)

2.1 溫度傳感器模塊

DS18B20是該系統(tǒng)中使用的傳感器類型?？刂泼詈蛿?shù)據(jù)以數(shù)字信號的形式輸入和輸出，與模擬溫度傳感器相比，DS18B20功能強(qiáng)大，硬件簡單，易擴(kuò)展和抗干擾性。因此，在一些需要高精度測量或特殊環(huán)境條件下工作的場合，DS18B20將得到廣泛地應(yīng)用。

本次仿真檢測采用DS18B20溫度傳感器，用于船舶柴油機(jī)推力推力軸承溫度傳感器采集，如圖2所示。該線路有兩個(gè)輸出端，分別為A、B端，其中一個(gè)輸出端與單片機(jī)相連，另一個(gè)輸出端與報(bào)警器相連接。直接調(diào)整DS18B20溫度傳感器的值可改變對單片機(jī)的輸入，從而觸發(fā)對報(bào)警系統(tǒng)的模擬。

圖2 溫度傳感器電路

2.2 速度傳感器模塊

霍爾速度傳感器具有輸出信號穩(wěn)定、使用方便、電磁干擾力強(qiáng)、頻率響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備中，如工業(yè)控制裝置、數(shù)控機(jī)床、精密儀器儀表等。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，霍爾速度傳感器已成為一種不可替代的高精度測速工具。

速度模擬電路用于模擬船舶柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，本系統(tǒng)的速度傳感器原打算使用霍爾傳感器，但Proteus軟件沒有，所以采用了脈沖電路模擬。設(shè)置三個(gè)值：30 khz、60 khz和95 khz。當(dāng)檢測到一個(gè)值的時(shí)候就把它輸出給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)該結(jié)果來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動方向和大小。另外，還可以通過按鍵選擇不同的頻率對電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速。如圖3所示。

圖3 速度模擬電路圖

2.3 壓力傳感器模塊

壓力傳感器是一種壓力采集裝置，它能將壓力信號轉(zhuǎn)換為可用的電信號輸出。信號處理元件和壓力敏感器件組成了壓力傳感器。在現(xiàn)代工業(yè)中，壓力傳感器已被廣泛地應(yīng)用于各種測量場合中。根據(jù)試驗(yàn)壓力類型的不同，壓力傳感器的組成為絕壓傳感器、表壓傳感器壓力傳感器和差壓傳感器。

壓力傳感器采用滑動變阻器來測量船舶柴油機(jī)的滑油壓力，如圖4所示。改變滑動電阻的電阻值以模擬壓力值的變化。這里需要使用ADC0832芯片進(jìn)行模擬量與數(shù)字量轉(zhuǎn)換。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)不同情況選擇合適的型號，如選用電阻應(yīng)變式或電容式等類型。電阻值通過ADC0832芯片從模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后在顯示器上顯示電阻值之前，將壓力傳輸給單片機(jī)的微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行有條件的判斷。

圖4 壓力傳感器電路圖

2.4 單片機(jī)控制模塊

如圖5所示，本文所使用的單片機(jī)最小系統(tǒng)為AT89C52系列芯片，在Proteus中使用51系列單片機(jī)時(shí)，需要額外晶振。如果不加的話會造成浪費(fèi)和不便。為了解決這一問題，設(shè)計(jì)了一款帶晶振和外擴(kuò)功能的單片機(jī)最小系統(tǒng)。I/O接口有四組，每組8個(gè)I/O接口，在I/O接口不足的情況下，可以使用74系列邏輯芯片來實(shí)現(xiàn)I/O口的擴(kuò)展。

2.5 其他模塊

除此之外，整個(gè)系統(tǒng)還包括顯示模塊、驅(qū)動電源模塊、蜂鳴器模塊、步進(jìn)電機(jī)等模塊，限于篇幅，在此就不一一贅述。最終整體電路圖如圖6所示。

圖5 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

圖6 整體電路圖

3 仿真模擬

3.1 模擬步驟

將預(yù)先編輯好的程序?qū)雴纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)，點(diǎn)擊開始仿真，LCD1602顯示每個(gè)參數(shù)的值，電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)。其中DS18B20溫度傳感器用于對環(huán)境溫度的測量；而壓力傳感器用于對滑油壓力的測量；轉(zhuǎn)速模擬電路用來測量步進(jìn)電動機(jī)在不同時(shí)刻的轉(zhuǎn)速。三個(gè)參數(shù)的設(shè)定值由按鍵電路調(diào)節(jié)。通過設(shè)置鍵來選擇要調(diào)整的參數(shù)，然后使用加減鍵進(jìn)行數(shù)值調(diào)節(jié)。第一次按下設(shè)置鍵調(diào)節(jié)參數(shù)為溫度上限值，第二次按下為設(shè)置鍵調(diào)節(jié)參數(shù)為溫度下限值，第三次按下設(shè)置鍵調(diào)節(jié)參數(shù)為速度上限值，第四次按下設(shè)置鍵調(diào)節(jié)參數(shù)為壓力下限值。之后再次按下設(shè)置鍵又是一次循環(huán)。

3.2 模擬結(jié)果

在對設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整后，各參數(shù)的實(shí)際值發(fā)生了變化。溫度參數(shù)的實(shí)際值高于或低于設(shè)定值，溫度報(bào)警燈打開，蜂鳴器響，電機(jī)停止工作。當(dāng)速度參數(shù)的實(shí)際值高于設(shè)置值時(shí)，打開速度報(bào)警燈，蜂鳴器鳴響，電機(jī)停止運(yùn)行。當(dāng)壓力參數(shù)的實(shí)際值低于設(shè)置值時(shí)，壓力報(bào)警燈打開，蜂鳴器鳴響，電機(jī)停止工作。

4 硬件測試

根據(jù)系統(tǒng)硬件的模塊組成，以現(xiàn)有的最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將所需的模塊焊接在最小系統(tǒng)電路板上，最終形成如圖7所示的硬件成品。

將各模塊通過相應(yīng)的線路連接好，打開電源供電，代表柴油機(jī)的小馬達(dá)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。LCD1602顯示屏點(diǎn)亮，首先默認(rèn)顯示溫度模塊輸送過來的實(shí)際溫度值，可通過設(shè)置的切換鍵使其輪流顯示溫度值、滑油壓力值和轉(zhuǎn)速值。以溫度檢測為例，通過按鍵進(jìn)行溫度設(shè)定值的調(diào)節(jié)，將溫度設(shè)定值調(diào)節(jié)到比房間的實(shí)際溫度高幾度，之后用手按住DS18B20溫度傳感器如圖所示，這時(shí)溫度傳感器檢測到的溫度大于之前房間內(nèi)溫度，屏幕上的數(shù)值開始上升，當(dāng)實(shí)際數(shù)值大于設(shè)定數(shù)值時(shí)，蜂鳴器響，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，并在顯示器上顯示“H”的警報(bào)信號。如圖8所示。

測試結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的安保系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)滑油壓力低、推力軸承溫度高和轉(zhuǎn)速超高時(shí)的停車保護(hù)功能。

圖7 系統(tǒng)實(shí)物圖

圖8 溫度過高報(bào)警圖

5 結(jié)語

本次設(shè)計(jì)的船舶柴油機(jī)安保系統(tǒng)是基于C51單片機(jī)設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)通過DS18B20收集溫度數(shù)據(jù)，擴(kuò)散硅壓力傳感器收集壓力信號，霍爾傳感器收集船舶柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，之后將這些數(shù)值傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)上進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，傳輸?shù)斤@示屏上顯示數(shù)據(jù)。

通過實(shí)物測試和仿真運(yùn)行，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和正確性。Proteus的仿真為后續(xù)實(shí)際中船舶柴油機(jī)安保系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論支持，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間，降低了成本。同時(shí)本次設(shè)計(jì)對實(shí)際生活中船舶柴發(fā)機(jī)組安保系統(tǒng)具有一定的參考借鑒意義。

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Design and implementation of marine diesel engine security system based on MCU

Zhu Xuewen

(Anhui Huaihe Ship Inspection Bureau, Bengbu 233000, Anhui, China)

U664.121

A

1003-4862（2022）12-0046-04

2022-10-30

朱學(xué)文（1983-），男，工程師。主要研究方向?yàn)檩啓C(jī)故障診斷、輪機(jī)自動控制與設(shè)計(jì)。