基于單片機(jī)的船舶艙內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)

李小斌

（秦皇島港股份有限公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

在船舶航行過(guò)程中，機(jī)艙內(nèi)的主機(jī)、鍋爐、冷卻系統(tǒng)等各類設(shè)備的運(yùn)行會(huì)使艙內(nèi)溫濕度過(guò)高或過(guò)低，船員在艙內(nèi)巡檢或維修設(shè)備時(shí)，會(huì)有明顯的不舒適感，影響船員的工作心情，降低工作效率。因此改善船員工作環(huán)境，將艙內(nèi)溫濕度控制在舒適范圍內(nèi)是非常必要的。為了保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及操作方便性，選取了技術(shù)成熟的單片機(jī)作為主控芯片，與其他控制系統(tǒng)相比造價(jià)低廉、運(yùn)行可靠、操作方便，對(duì)船舶艙內(nèi)控制系統(tǒng)領(lǐng)域具有一定參考意義。

1 船舶艙內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

據(jù)調(diào)查研究，船員對(duì)熱環(huán)境相對(duì)滿意的溫濕度值相對(duì)集中地處于16～27 ℃，40%～80%之間[1]。系統(tǒng)將溫度控制的上下限默認(rèn)值分別設(shè)置為16 ℃和27 ℃，濕度的上下限默認(rèn)值分別設(shè)置為40%和80%。為了使系統(tǒng)更為人性化，滿足不同環(huán)境下、不同人的多樣需求，該系統(tǒng)溫濕度控制上下限可通過(guò)按鍵自行調(diào)節(jié)。以默認(rèn)值為例，當(dāng)單片機(jī)監(jiān)測(cè)到環(huán)境溫度低于16 ℃時(shí)，會(huì)觸發(fā)聲光警報(bào)器報(bào)警，并聯(lián)動(dòng)控制加熱器的繼電器動(dòng)作，控制加熱器開始工作，提高環(huán)境溫度，直到溫度高于16 ℃，聲光警報(bào)器自動(dòng)停止報(bào)警，控制加熱器的繼電器斷開使加熱器停止工作。當(dāng)溫度過(guò)高、濕度過(guò)低、濕度過(guò)高工作過(guò)程同理?？刂葡到y(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理

1.1 溫濕度傳感器

考慮到Proteus 仿真庫(kù)器件限制及船舶實(shí)際情況，系統(tǒng)中溫濕度傳感器使用DHT11。這是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器，量程濕度5%～95%RH，溫度-20～+60 ℃[2]，可以滿足本系統(tǒng)量程需求。該傳感器內(nèi)置8 位高性能單片機(jī)處理傳感器信號(hào)，使得該產(chǎn)品有極高的可靠性和穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)船舶惡劣的運(yùn)行環(huán)境。系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可將此傳感器根據(jù)實(shí)際情況更換為其他型號(hào)或類型的傳感器，例如更換為RS485 通信類型的傳感器，通過(guò)TTL 轉(zhuǎn)RS485 模塊，建立傳感器與單片機(jī)通信，即：?jiǎn)纹瑱C(jī)P3^0 和P3^1 口配置為串口通信模式，通過(guò)轉(zhuǎn)接模塊連接到傳感器A、B 接線端子，按照傳感器通信協(xié)議采集船艙內(nèi)實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)后，由本系統(tǒng)判斷邏輯處理即可。如果現(xiàn)場(chǎng)干擾較大或者通信距離較遠(yuǎn)，可以選用開關(guān)量輸出的溫濕度傳感器，通過(guò)調(diào)整溫濕傳感器中的電位器改變其閾值，當(dāng)溫濕度高于閾值時(shí)傳感器輸出對(duì)應(yīng)的開關(guān)量信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)采集開關(guān)信號(hào)判斷溫濕度情況，并由本系統(tǒng)判斷邏輯處理即可。

1.2 顯示器件

為了提高系統(tǒng)可視性，方便船員知曉機(jī)艙內(nèi)的實(shí)時(shí)溫濕度，能根據(jù)需求靈活調(diào)整溫濕度控制的上下限，并考慮到需要顯示的信息量不大，最終選用LCD1206 屏幕顯示相關(guān)信息。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，如果選取了開關(guān)量輸出的溫濕度傳感器，由于無(wú)法顯示具體數(shù)值，該顯示器件可以直接省略，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的同時(shí)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，進(jìn)一步降低系統(tǒng)造價(jià)。

1.3 聯(lián)動(dòng)繼電器

單片機(jī)作為主控芯片，其帶載能力非常弱，為了能控制器其他設(shè)備，該系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)引腳控制放大電路來(lái)聯(lián)動(dòng)各個(gè)繼電器動(dòng)作，達(dá)到控制加熱器、風(fēng)扇、加濕器、除濕器等設(shè)備的目的。放大電路可按需控制多型號(hào)、多規(guī)格的繼電器，滿足各類需求。由于船舶艙內(nèi)面積較大，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要驅(qū)動(dòng)的加熱器、風(fēng)扇、加濕器、除濕器等設(shè)備遠(yuǎn)多于本仿真系統(tǒng)中的數(shù)量，建議通過(guò)劃分艙內(nèi)區(qū)域，安裝多個(gè)獨(dú)立的溫濕度控制系統(tǒng)的方式控制艙內(nèi)溫濕度參數(shù)，一方面可以把聯(lián)動(dòng)壓力均攤到各個(gè)獨(dú)立溫濕度控制系統(tǒng)上，另一方面增加了全船溫濕度控制的可靠性，避免出現(xiàn)一個(gè)單片機(jī)損壞，全船溫濕度失控的情況。

2 船舶艙內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)仿真

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，使用Proteus 繪制了該系統(tǒng)的仿真原理圖，系統(tǒng)按照以下原理工作運(yùn)行：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)P1^3 引腳接收到DHT11 芯片檢測(cè)的溫度。經(jīng)程序邏輯判斷，已低于設(shè)定值時(shí)將控制P1^6 引腳，即HEATER 引腳置低，此時(shí)PNP 三極管導(dǎo)通，RL4 繼電器線圈通電吸合后，接在繼電器COM、NO 處的加熱器線路導(dǎo)通，加熱器開始工作，環(huán)境溫度開始逐漸升高。直至環(huán)境溫度高于設(shè)定值，單片機(jī)將HEATER 引腳置高位，PNP 三極管截止，繼電器復(fù)位，加熱器停止工作。當(dāng)檢測(cè)到溫度過(guò)高時(shí)，將控制P1^6 引腳，即FAN 引腳置低，控制風(fēng)扇開始排風(fēng)，流動(dòng)的空氣將艙內(nèi)熱量帶走。降低艙內(nèi)溫度直至低于設(shè)定值后，風(fēng)扇停止工作。船舶艙內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖2 所示，依次為環(huán)境溫度過(guò)低、環(huán)境溫度過(guò)高、環(huán)境濕度過(guò)低、環(huán)境濕度過(guò)高時(shí)系統(tǒng)繼電器動(dòng)作結(jié)果。式較為簡(jiǎn)單，沒(méi)有使用PID 調(diào)節(jié)，如果環(huán)境溫度恰好處于控制線周圍，可能導(dǎo)致設(shè)備頻繁啟停。該系統(tǒng)暫時(shí)沒(méi)有包含通

圖2 船舶艙內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

隨著科技水平的不斷提高，船員對(duì)工作環(huán)境的要求也越來(lái)越高，將單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用在此方向很容易實(shí)現(xiàn)船舶艙內(nèi)溫濕度控制，為船員提供較為舒適的工作環(huán)境。該單片機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠，操作簡(jiǎn)便，很好地滿足了溫濕度控制的需求。但該系統(tǒng)仍然存在部分缺陷，如溫濕度控制線需人工設(shè)置，需要長(zhǎng)時(shí)間摸索積累經(jīng)驗(yàn)后才能達(dá)到滿意狀態(tài)。目前控制方信功能，無(wú)法在集控室遠(yuǎn)程操控。仍需在未來(lái)的研究中能不斷完善，為改善船員工作環(huán)境貢獻(xiàn)微薄力量。