基于單片機的船舶柴油機安保系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

朱學文

應用研究

基于單片機的船舶柴油機安保系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

朱學文

（安徽省淮河船舶檢驗局，安徽蚌埠 233000）

基于單片機設計一款柴油機安保系統(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、單片機控制模塊、LCD1602顯示模塊、蜂鳴器模塊、驅動模塊、報警燈模塊、步進電機模塊。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，顯示在LCD1602顯示模塊上，當檢測到的參數(shù)達到設定警報值時發(fā)出停機指令。通過Proteus平臺仿真和實物測試驗證了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。

單片機 船舶柴油機 安保系統(tǒng)

0 引言

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

通過柴油機實驗臺架或實船運行獲取故障狀態(tài)下船舶柴油機運行數(shù)據有實驗成本高、部分參數(shù)無法獲取等劣勢，因此必須依賴對柴油機故障的仿真數(shù)值計算[3]。利用Keil5編碼軟件與Proteus仿真軟件建立柴油機仿真模型，通過模擬獲取在多種工況下運行的參數(shù)，并通過實物系統(tǒng)驗證其準確性[4]。

1 整體設計

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，能夠滿足整個系統(tǒng)運行要求[5]。經過實驗驗證，本課題提出的方案正確有效。本次系統(tǒng)的運行方式分為以下幾個步驟進行。首先打開電源開關，各個模塊進行初始化，外部的速度傳感器進行轉速的采集、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，完成外部壓力、速度、溫度的收集；然后，由單片機分析和處理接收到的溫度數(shù)據。溫度、壓力和速度信息在驅動顯示模塊中顯示。最后，將當前環(huán)境壓力、溫度和速度值與外部輸入鍵盤設定的值進行比較。當環(huán)境溫度和速度高于設定值或滑油壓力低于設定值時，就會觸發(fā)報警裝置。

圖1 系統(tǒng)整體構成圖

2 硬件及仿真電路設計

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功能強大，硬件簡單，易擴展和抗干擾性。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將得到廣泛地應用。

本次仿真檢測采用DS18B20溫度傳感器，用于船舶柴油機推力推力軸承溫度傳感器采集，如圖2所示。該線路有兩個輸出端，分別為A、B端，其中一個輸出端與單片機相連，另一個輸出端與報警器相連接。直接調整DS18B20溫度傳感器的值可改變對單片機的輸入，從而觸發(fā)對報警系統(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、頻率響應迅速等優(yōu)點，廣泛應用于各種機械設備中，如工業(yè)控制裝置、數(shù)控機床、精密儀器儀表等。隨著現(xiàn)代科學技術的發(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的轉速，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。設置三個值：30 khz、60 khz和95 khz。當檢測到一個值的時候就把它輸出給單片機，單片機根據該結果來控制電機轉動方向和大小。另外，還可以通過按鍵選擇不同的頻率對電動機進行調速。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用于各種測量場合中。根據試驗壓力類型的不同，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芯片進行模擬量與數(shù)字量轉換。在實際應用時可根據不同情況選擇合適的型號，如選用電阻應變式或電容式等類型。電阻值通過ADC0832芯片從模擬量轉換為數(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的微型計算機進行有條件的判斷。

圖4 壓力傳感器電路圖

2.4 單片機控制模塊

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

2.5 其他模塊

除此之外，整個系統(tǒng)還包括顯示模塊、驅動電源模塊、蜂鳴器模塊、步進電機等模塊，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

將預先編輯好的程序導入單片機最小系統(tǒng)，點擊開始仿真，LCD1602顯示每個參數(shù)的值，電機開始旋轉。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；轉速模擬電路用來測量步進電動機在不同時刻的轉速。三個參數(shù)的設定值由按鍵電路調節(jié)。通過設置鍵來選擇要調整的參數(shù)，然后使用加減鍵進行數(shù)值調節(jié)。第一次按下設置鍵調節(jié)參數(shù)為溫度上限值，第二次按下為設置鍵調節(jié)參數(shù)為溫度下限值，第三次按下設置鍵調節(jié)參數(shù)為速度上限值，第四次按下設置鍵調節(jié)參數(shù)為壓力下限值。之后再次按下設置鍵又是一次循環(huán)。

3.2 模擬結果

在對設定值進行調整后，各參數(shù)的實際值發(fā)生了變化。溫度參數(shù)的實際值高于或低于設定值，溫度報警燈打開，蜂鳴器響，電機停止工作。當速度參數(shù)的實際值高于設置值時，打開速度報警燈，蜂鳴器鳴響，電機停止運行。當壓力參數(shù)的實際值低于設置值時，壓力報警燈打開，蜂鳴器鳴響，電機停止工作。

4 硬件測試

根據系統(tǒng)硬件的模塊組成，以現(xiàn)有的最小系統(tǒng)為基礎，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。

將各模塊通過相應的線路連接好，打開電源供電，代表柴油機的小馬達開始運轉。LCD1602顯示屏點亮，首先默認顯示溫度模塊輸送過來的實際溫度值，可通過設置的切換鍵使其輪流顯示溫度值、滑油壓力值和轉速值。以溫度檢測為例，通過按鍵進行溫度設定值的調節(jié)，將溫度設定值調節(jié)到比房間的實際溫度高幾度，之后用手按住DS18B20溫度傳感器如圖所示，這時溫度傳感器檢測到的溫度大于之前房間內溫度，屏幕上的數(shù)值開始上升，當實際數(shù)值大于設定數(shù)值時，蜂鳴器響，電機停止轉動，并在顯示器上顯示“H”的警報信號。如圖8所示。

測試結果表明，本文所設計的安保系統(tǒng)能實現(xiàn)柴油機滑油壓力低、推力軸承溫度高和轉速超高時的停車保護功能。

圖7 系統(tǒng)實物圖

圖8 溫度過高報警圖

5 結語

本次設計的船舶柴油機安保系統(tǒng)是基于C51單片機設計的。系統(tǒng)通過DS18B20收集溫度數(shù)據，擴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的轉速，之后將這些數(shù)值傳輸?shù)絾纹瑱C上進行處理數(shù)據，傳輸?shù)斤@示屏上顯示數(shù)據。

通過實物測試和仿真運行，驗證了系統(tǒng)的可行性和正確性。Proteus的仿真為后續(xù)實際中船舶柴油機安保系統(tǒng)設計提供了理論支持，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)時間，降低了成本。同時本次設計對實際生活中船舶柴發(fā)機組安保系統(tǒng)具有一定的參考借鑒意義。

[1] 李小波, 王源, 趙天翔, 王文杰. 某型船用柴油機超速保護裝置典型故障分析[J]. 設備管理與維修, 2021(05): 44-45.

[2] 劉洋銘. 船舶柴油機技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢探索[J]. 內燃機與配件, 2021(03): 158-159.

[3] Yang Zhan. Design of Bicman Speed Based on C51 Microcontroller[C]//Proceedings of 2016 International Conference on Communications, Information Management and Network Security (CIMNS2016).,2016:132-134.

[4] 張潔, 何文濤, 劉亞. 集成多種PWM調制的直流無刷電機控制系統(tǒng)設計[J]. 電子設計工程, 2022, 30(01): 61-65+70.

[5] 沈敏, 張靜, 張汝峰, 郭寶軍. 單片機原理及應用系統(tǒng)思維教學[J]. 電子世界, 2021(18): 69-70.

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

朱學文（1983-），男，工程師。主要研究方向為輪機故障診斷、輪機自動控制與設計。