船舶柴油機工況監(jiān)視器的設計

樓然苗

(浙江海洋學院機電工程學院，浙江舟山 316004)

柴油機作為航船的主要動力設備，其運行安全具有至關重要的地位。一般航船柴油機安裝在底倉位置，通風條件不是很好，特別是夏季，機倉內(nèi)溫度較高，如果冷卻水系統(tǒng)故障或性能不良，會造成柴油機由于機溫過高而損壞或性能下降。柴油機運行時的溫度、轉速、機油壓力等都是輪機人員最關心的信息，直接影響著柴油機的穩(wěn)定運行。柴油機工況監(jiān)視器采用單片機實時采集柴油機工作時的溫度、轉速、油壓等關鍵參數(shù)，用LCD液晶顯示器直觀顯示出來，可方便輪機員進行操作控制，保障航行安全。

1 系統(tǒng)設計方案

1.1 主系統(tǒng)模塊設計方案

考慮到主系統(tǒng)模塊要顯示柴油機的溫度、轉速、壓力等信息，決定采用中文液晶顯示器JXD12864F，它是一種自帶8 192個漢字庫和128個ASCII字符集圖形的點陣液晶顯示器，可作圖形顯示，也可以顯示4行×7.5個(16×16點陣)中文漢字。溫度傳感器采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，轉速檢測采用霍爾集成電路，壓力檢測采用US300系列超穩(wěn)壓力傳感器，使用不銹鋼隔離式小型結構，具有較寬的量程范圍和多種輸出信號。處理器采用宏晶公司的STC系列單片機，內(nèi)帶模數(shù)轉換器，可進行在線程序燒錄，其豐富的內(nèi)部資源為應用提供了優(yōu)質廉價的設計方案。主系統(tǒng)模塊組成框圖如圖1所示。

1.2 從系統(tǒng)模塊設計方案

從系統(tǒng)模塊用于駕駛室船長的使用，除省略了傳感器檢測電路外，其組成與主系統(tǒng)模塊一樣，其組成框圖如圖2所示。

1.3 無線通信方案

為了增加無線數(shù)據(jù)通信的可靠性，采用了微功率無線數(shù)傳模塊JZ871，它是一種短距離的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，標準配置提供8個信道，體積小、功耗低、穩(wěn)定性及可靠性極高，可方便地進行雙向的數(shù)據(jù)傳輸。主要性能指標為：發(fā)射功率100 mW；工作頻率433 MHz；直線傳輸距離大于800 m。

圖1 主系統(tǒng)模塊設計框圖Fig.1 The design block diagram of main system module

圖2 從系統(tǒng)模塊設計框圖Fig.2 The design block diagram of slave system module

2 電路原理與設計分析

2.1 主系統(tǒng)模塊電路

主系統(tǒng)模塊電路如圖3所示。處理器采用了40腳的塑封單片機STC12C5A16S2，P0口接8位的撥碼開關，用于設定與從系統(tǒng)模塊的地址配對，可設定地址范圍在0～255(十進制數(shù))之間選擇，在主從系統(tǒng)工作時，從系統(tǒng)的地址與主系統(tǒng)設定地址需要相同才會正常工作。P1口的第1腳及第2腳用于壓力傳感器輸出的模數(shù)轉換，傳感器選用美國精量電子公司的US300系列，測量范圍選2×106Pa。第3腳及第4腳用于溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)收發(fā)，溫度傳感器采用美國DALLAS半導體公司推出的一種改進型智能溫度傳感器DS18B20，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9-12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，最大分辨率為0.062 5℃，精度可做到0.5℃以內(nèi)。第7腳及第8腳用于報警時的發(fā)光指示及發(fā)聲控制?；魻杺鞲衅髋c安裝在柴油機轉軸盤上的磁鋼接近時會輸出一個低電平信號，此低電平信號接到單片機的外中斷輸入口(第12腳)，通過定時器測出1 s內(nèi)輸入的低電平脈沖個數(shù)就可算出柴油機的轉速。液晶顯示器采用JXD12864F，使用串行連接方式，8根連接線分別為：背光燈地、背光燈正電源、片選、數(shù)據(jù)口、時鐘、液晶對比度、正電源、地線。背光燈在使用時由單片機P2.4控制，低電平時三極管導通，背光燈供電發(fā)亮。電位器用于控制液晶屏的對比度，一般電壓在3～4.5 V。復位電路采用RC上電復位，晶振采用12 MHz，以便于精確定時。

圖3 主系統(tǒng)模塊控制電路原理圖Fig.3 The circuit schematic diagram of main system module control

2.2 從系統(tǒng)模塊電路

從系統(tǒng)模塊電路與主系統(tǒng)模塊電路相比，省略了測溫、測壓、測速傳感器電路，其余電路組成與主系統(tǒng)模塊相同。從系統(tǒng)模塊電路只接收主系統(tǒng)模塊發(fā)送的柴油機參數(shù)，當運行參數(shù)異常時也能聲光報警，一般安裝在駕駛室供船長使用。使用時其地址撥碼開關位置必須與主系統(tǒng)模塊的撥碼開關位置一致，否則會收不到數(shù)據(jù)。

2.3 無線通信協(xié)議

由于采用數(shù)字通訊方式，本方案利用單片機的串行通訊模式，再通過JZ871無線數(shù)傳模塊完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，為了主從數(shù)據(jù)傳送的單一性與可靠性，在相互傳送中應約定信息的交換格式，主要的發(fā)送要求如下：

(1)主從系統(tǒng)模塊數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議

主系統(tǒng)模塊可獨立工作，而從系統(tǒng)工作時需要設定與主系統(tǒng)模塊一致的地址碼，主系統(tǒng)模塊平時不主動發(fā)信息數(shù)據(jù)，當收到從系統(tǒng)模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)傳送命令時，首先進行地址碼的對比，如收到的地址碼與本機一致，則發(fā)一幀信息數(shù)據(jù)。從系統(tǒng)模塊工作時，只有發(fā)一條命令才能接收一幀對應地址的信息數(shù)據(jù)，收到的信息必須進行地址的校對。

(2)發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式

1)主系統(tǒng)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀格式

主系統(tǒng)模塊發(fā)送的信息有溫度、轉速、壓力等。數(shù)據(jù)格式采用10位字節(jié)幀，如傳送的信息增多，可增加幀字節(jié)數(shù)。主系統(tǒng)模塊發(fā)送的信息幀格式見表1。其中AAH是頭標志，BBH是結束標志，中間數(shù)據(jù)分別為：溫度1、溫度2、壓力1、壓力2、轉速高位、轉速低位、地址代碼(值為00H到FFH)、直接發(fā)送標志(表中00H是代表直接發(fā)回，轉發(fā)標志這里沒有用到)。

表1 主系統(tǒng)模塊發(fā)送的信息幀格式表Tab.1 The message frame table of main system module transmit

2)從系統(tǒng)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀格式

從系統(tǒng)模塊發(fā)的都是命令幀，主要是對與自己地址碼相同的主系統(tǒng)模塊發(fā)命令。數(shù)據(jù)格式為5字節(jié)一幀，從系統(tǒng)模塊發(fā)送命令幀格式見表2。其中CCH、DDH是頭標志及結束標志，地址碼是00H到FFH的十六進制數(shù)，用撥碼開關控制，標志字節(jié)代表直接傳送還是轉發(fā)傳送。

表2 從系統(tǒng)模塊發(fā)送命令幀格式Tab.2 The transmit message frame form of slavesystem module

(3)單片機數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議

單片機采用串行口異步通訊協(xié)議，波特率選定為9 600。柴油機運行信息一般每秒刷新一次就足夠了，降低波特率可以提高數(shù)據(jù)傳送的可靠性。

3 程序設計與分析

3.1 主從系統(tǒng)主程序設計

圖4與圖5分別是主從系統(tǒng)模塊的主程序流程圖。

圖4 主系統(tǒng)模塊主程序流程圖Fig.4 The main program flow diagram of main system module

圖5 從系統(tǒng)模塊主程序流程圖Fig.5 The main program flow diagram of slave system module

3.2 主系統(tǒng)模塊主要程序設計

3.2.1 溫度讀出程序

溫度讀出程序的主要功能是讀出DS18B20中的9個RAM字節(jié)，在讀出時需進行CRC校驗，校驗有錯時不進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。DS18B20采用默認12位溫度數(shù)據(jù)格式時，每轉換一次需要約750 ms時間，因此程序中采用了1 s的定時器，每隔1 s向溫度傳感器讀一次溫度數(shù)據(jù)。

3.2.2 轉速計算程序

柴油機轉軸盤上的小磁鋼片在轉動接近霍爾傳感器時，會使霍爾傳感器輸出一個低電平信號脈沖，單片機每隔1 s通過讀取中斷計數(shù)器中的脈沖個數(shù)，就可計算出每分鐘柴油機的轉速大小。在柴油機轉盤上對稱地安裝多顆磁鋼片，可提高低速時的測速精度。

3.2.3 壓力計算程序

宏晶公司的STC12C5A16S2單片機內(nèi)部具有8路的10位AD轉換器，主程序中每隔1 s對兩路壓力傳感器送入的模擬電壓進行模數(shù)轉換，根據(jù)數(shù)據(jù)的大小換算成相應的壓力值。

3.2.4 液晶顯示程序

液晶顯示器采用串行數(shù)據(jù)接口，JXD12864F液晶可顯示4行中文漢字，每行7個，信息顯示安排為：第一行顯示設備名稱，第二行顯示溫度，第三行顯示壓力，第四行顯示轉速。數(shù)據(jù)信息采用1 s定時刷新。

4 調(diào)試

程序調(diào)試采用先子程序后聯(lián)調(diào)的辦法，JZ871通訊模塊先用單字節(jié)數(shù)據(jù)傳送測試，成功后再調(diào)幀傳送功能是否正常。溫度測量、壓力測量、轉速測量子程序功能經(jīng)一一調(diào)試正常后再在主程序中運行。調(diào)試程序時可利用電路板上的小指示燈，以確定程序運行到的位置。調(diào)試好的柴油機工況監(jiān)視器主要指標為：

(1)2路溫度監(jiān)測,范圍為-50～125 ℃；

(2)轉速測量范圍為0～4 000 r/min；

(3)2 路壓力監(jiān)測,范圍為 1.013×105～2.026×106Pa。

5 小結

柴油機工況主從系統(tǒng)監(jiān)視器對船舶動力的安全監(jiān)控提供了一種較好的工具，隨著生產(chǎn)技術的進步發(fā)展，未來可在柴油機原廠生產(chǎn)中結合油氣控制、變速器控制等自動化控制技術集成應用，使船舶柴油機成為一臺機電一體化的全自動化控制的動力設備。

[1]陳衛(wèi)峰,竇振中,朱少林.船用柴油機運行參數(shù)實時采集系統(tǒng)的設計[J].儀表技術與傳感器,2009,(4):46-48.

[2]云 放,陳 福,林瑞霖,等.船用柴油機高速數(shù)據(jù)實時監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].船電技術,2005,(6):42-60.

[3]蔣 瀟.船舶柴油機監(jiān)測系統(tǒng)的設計與使用[J].中國水運,2011,11(8):106-107.

[4]于欽慶.柴油機工作狀態(tài)單片機監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].科技信息,2007,(16):101.

[5]段禮祥,張來斌,王朝暉.柴油機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷特征參數(shù)研究[J].車用發(fā)動機,2007(1):76-79.

[6]臧 曙,周東華.船艇柴油機運行狀態(tài)監(jiān)測故障預報系統(tǒng)的設計[J].山東大學學報:工學版,2005,35(3):9-12.

[7]陳天星,馮 芳,柳 萍.一種柴油機檢測系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)[J].機電工程技術,2003,32(5):45-47.

[8]錢陽軍,宋恩哲,陸 平,等.柴油機數(shù)字控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件[J].哈爾濱工程大學學報,2002,23(4):98-101.

[9]李 祥,朱 云,王明揚.柴油機運行參數(shù)對碳煙排放的影響[J].云南農(nóng)業(yè)大學學報,2008,23(3):414-417.

[10]李文江,馬榮兵.單片機數(shù)據(jù)采集遠距離無線傳送的研究[J].電子技術,2007,(1):34-36.

[11]楊志遠,徐振林.電力參數(shù)的數(shù)字化測量和無線數(shù)據(jù)傳送[J].電測與儀表,2005,(4):34-37.

[12]全為民.基于RS-485總線的病房數(shù)顯呼叫器的設計[J].微計算機信息,2002,18(9):50-51.

[13]深圳市技卓科技有限公司.JZ871微功率無線數(shù)傳模塊使用說明[EB/OL].http://www.jizhuo.com/.