船舶綜合報警器的設計

胡佳文，馬鶴鳴，俞紅杰

（1.浙江海洋學院機電學院，浙江舟山 316004；2.寧波海運股份有限公司，浙江寧波 315020）

海上航行，安全至關重要。隨著船舶自動化程度的不斷提高，各種用于保障船舶航行中人身、設備安全的裝置應運而生。現代海運船舶通常裝備的報警設施有：通用警報裝置、火災報警器、水密門報警器、冷藏庫報警器、起拋錨報警器、供水報警器、CO2施放預告報警器、無人值守報警器、船舶機艙監測報警系統等。大多數的報警裝置或報警提示裝置會安裝在駕駛室內，而這些報警裝置一般都使用類似的聲光報警提示。由于報警裝置眾多，又分布在駕駛室內各個位置，因而在報警信號產生時，值班人員需要花費一定的時間查找報警源，從而延長了處理緊急情況的時間。

據調查了解，目前在航、在建的國內或國際航線的船舶根據自動化程度的高低裝備了數量不等的報警設備，有的多達十幾種報警信號源，其分布范圍已大大超過值班人員的視覺范圍，對于查找報警信號源極為不利，因此設計一種船舶綜合報警器十分必要。而國內外市場上尚未見此獨立、通用的船舶綜合報警器產品，檢索相關研究論文也無果。

筆者研究并設計了一個電子裝置，可以在不改變或很少改動原有報警系統的條件下，把所有的報警信號綜合到一起，當報警信號出現時，可以容易發現報警源，進而在第一時間采取相應措施應對緊急情況。

1 系統結構及工作原理

根據船舶規范要求，報警系統應滿足：所有的報警應同時發出視覺和聽覺報警信號；報警系統應能對同時發生的所有故障發出報警信號；報警設備可設有消除聽覺報警信號（消聲）的裝置；如單個報警在機艙集控站（室）已有顯示，則也應在其他相關的控制站顯示報警信號，但可采用組合報警的方式顯示；報警系統應具有自檢功能，即對自身的故障自動進行檢測和報警（或指示），以防止有警不報或誤報警[1]。

現代船舶裝備了各種類型的報警器或報警系統，可以滿足不同的應用需求。筆者設計的綜合報警器是這些報警系統基礎之上的延伸。通常，船舶上的報警裝置都有報警信號輸出的接口，可以作為本系統的輸入信號。少數沒有輸出接口的設備，只需稍加改造，在蜂鳴器處并聯1個繼電器作為輸出信號即可。因此本系統的輸入信號為開關量信號。筆者設計了16路獨立輸入接口，可以接入16種不同的報警設備，足以滿足現代船舶應用的需要。

另外，考慮到報警信號要輸入到VDR（船舶黑匣子），設計了與輸入對應的16路輸出接口。該接口也可應用于其他延伸報警。系統的結構框圖如圖1所示。

整個報警器系統由1個主控制器和2個信號接線板組成，系統主要電路都設計在主控制器內，信號接線板主要用于輸入輸出信號的接線。系統結構簡潔、緊湊，由于船舶內空間有限，采用該結構可以節省空間，并且方便安裝、調試。

主控制器內電路包含電源部分、16路開關量信號輸入電路、16路開關量信號輸出電路、16路LED指示燈、32位撥碼開關、4只按鈕和1只蜂鳴器。控制器原理如圖2所示。

電源部分為整個報警器系統提供電能。由于船用設備可靠性要求很高，所以電源的設計也尤為重要。本系統采用交流、直流雙電源輸入，經過各自的電壓變換電路后，通過二極管隔離后并聯，互為備用，大大提高了電源的可靠性。現代船舶通常有兩路以上的供電，一般主電源是220 V交流，由船用發電機提供，備用電源是24 V直流，由充放電板（蓄電池）提供。24 V直流可以直接接入報警器的直流輸入端，220 V交流則通過變壓器降壓到24 V再接入報警器的交流輸入端。在電源穩壓電路調試的時候，適當將交流那一路穩壓輸出的電壓調到稍高于直流輸出的那一路，這樣可使在有220 V主電源供給的正常航行狀況下，報警器主要使用主電源，從而減少對24 V備用電源的消耗。

圖1 船舶綜合報警器結構框圖Fig.1 Block diagram of integrated navigation alarmer

圖2 船舶綜合報警器主控制器原理框圖Fig.2 Block diagram of main controller

16路開關量信號輸入是報警器工作的依據。通常由其他船舶報警器提供的開關量報警信號都較為穩定、可靠，但考慮到信號傳輸導線比較長，而且船舶上機電設備眾多，導線上串入的干擾信號也不可忽視，所以本系統設計了抗干擾的濾波電容，以及光電隔離措施以保障系統的穩定與可靠。

16路繼電器輸出的設計可應用于將報警信號傳送至VDR，實時記錄船舶航行過程中各種設備的報警情況，在出現意外進行事故分析或責任認定的時候可以提取數據。此外，也可將輸出信號延伸至全船報警，以便在出現報警而無人值班室，能鳴響全船高音喇叭，提醒船員處理。

在綜合報警器主控器面板上，安裝16路組合式LED指示燈，用于指示每一路的報警情況。LED指示燈具有功耗小、壽命長、顏色鮮艷、光線柔和的特點[2]。本報警器采用的組合式LED指示燈不但結構緊湊，而且透明的燈帽內可以由用戶貼入標簽，使得報警情況一目了然，非常直觀和實用。

由于船用報警設備生產廠家眾多，品牌型號各不相同，輸出信號觸點類型有常開，也有常閉。本報警器設計了32位撥碼開關，可以對每一路的輸入信號單獨進行設置，可以設為常開或常閉報警。另外也可以對輸出觸點信號進行設置，設為常開有效或常閉有效。

報警器設計了4個按鈕，設置功能為試驗、消音、復位與調光。根據船舶規范的要求，報警設備應當有試驗功能，以測試報警設備自身是否有故障，防止誤報警或不報警。在報警產生后，可以有消除聲響的裝置，但要保留報警指示。在故障排除后，報警信號應當自動或人工消除。另外，在駕駛室的發光設備，必須具備調光功能，以免因光線太強而影響船員夜間駕駛。

蜂鳴器用于在報警產生時進行聲音提醒。可以用消音按鈕消除某一通道本次產生的報警聲音，但不影響其他通道或本通道下一次聲音的產生。

2 主要硬件電路設計

（1）開關量信號輸入電路：輸入電路采用了光電隔離技術，當外接的其他報警設備的無源觸點閉合后，電流經R35流過LED再通過光耦，這樣光耦的輸出端就可以輸出一個被單片機檢測到的信號，從而完成開關量信號的采集。二極管D7為反電壓提供通路，保護了光耦。電容C36可以過濾高頻干擾信號。開關量信號輸入電路如圖3所示。

（2）開關量輸出電路：輸出電路的設計也采用了光耦隔離技術，單片機輸出的信號經光耦輸出，并設計了LED指示輸出狀態，三極管放大后驅動繼電器。設計中將繼電器的常開、常閉觸點都引出，方便不同的應用需要，如圖4所示。

（3）主控單片機電路：主控單片機選用的是Atmel公司的AVR系列單片機。AVR單片機是Atmel公司于1997年研發推出的，采用了精簡指令集RISC（Reduced Instruction Set CPU）結構的單片機。AVR單片機運用Harvard結構，在前一條指令執行的時候就取出現行的指令，然后以單周期執行指令，所以在相同的時鐘頻率條件下，具有更高運行速度。ATmega系列屬于AVR單片機中的中高檔產品，它承襲了AT90系列所有的優點，并在此基礎上增加了更多接口功能，而且在省電性能、穩定性、抗干擾性以及靈活性等方面設計得更加周全和完善[3]。

ATmega16單片機有豐富的接口可以滿足報警器眾多外圍設備連接的需求，內置的定時器具有PWM波產生的功能，可以用于LED指示燈的調光。在設計中，單片機采用了8 MHz的時鐘頻率，利用JETAG接口對單片機進行程序下載和仿真調試。主控單片機電路如圖5所示。

圖3 開關量信號輸入電路原理圖Fig.3 Digital signal input schematic

圖4 開關量輸出電路原理圖Fig.4 Digital signal output schematic

3 軟件設計

報警器的軟件設計采用C語言編寫程序。C語言有結構化、能產生高效代碼等優勢，可以大幅度加快開發進度，特別是開發一些復雜的應用系統[4]。

報警器的主程序流程如圖6所示。系統上電復位，開始運行程序，首先進行初始化和系統自檢等工作，初始化及自檢完成后，主程序對系統自身狀況進行判斷，若有故障，則退出程序，并驅動蜂鳴器、閃亮LED指示燈報警；若初始化及自檢正常，則繼續進入主程序運行。主程序報警工作的過程首先是通過掃描16路輸入端口讀入開關量信號，然后掃描32位撥碼開關讀入設置信號，對兩種信號進行邏輯運算和關系判斷，得出報警與否的結論，然后驅動對應的16路繼電器輸出報警或不報警的信號，同時閃爍或點亮或不點亮對應的16路LED指示燈，并根據是否有報警產生驅動蜂鳴器發聲或不發聲。然后進行4路按鍵掃描，若檢測到有按鍵按下，則執行相應的按鍵功能程序，例如試驗按鍵被按下時就執行系統自檢，并點亮所有的LED指示燈及鳴響蜂鳴器；消音按鍵被按下則停止蜂鳴器發聲，并將閃爍報警的LED指示燈改為平光顯示；復位按鍵被按下時則根據報警信號是否消除有選擇地將對應通道的報警信號撤銷；調光按鍵每被按下一次，則將LED指示燈的亮度提高一級，總共分8級，達到最大亮度，再按則恢復到最低亮度。

圖5 主控單片機電路原理圖Fig.5 Main microcontroller schematic

4 小結

本文所設計的船舶綜合報警器，滿足船級社和國際海事組織對船舶報警設備的要求。由于采用了高性能的AVR單片機，報警反應迅速、性能穩定可靠。創新性的交流、直流雙電源輸入設計，極大程度地保障了該報警器在多種突發情況仍能保持穩定不間斷地工作。采用組合式LED指示燈的設計，使得該報警器通用性較好，可以適應各種的船舶的綜合報警需求，并且用戶可以自定義指示燈標簽，可以更適合用戶直觀地了解報警情況。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flowchart

[1]中國船級社.鋼質海船入級規范[S].北京：人民交通出版社,2006.

[2]秉 時,杜 浩.LED指示燈的應用趨勢[J].紅外,1999（12）：51-51

[3]馬 潮,詹衛前,耿德根.ATmega8原理及應用手冊[M].北京：清華大學出版社,2003.

[4]沈 文,LEE E,詹衛前.AVR單片機C語言開發入門指導[M].北京：清華大學出版社,2003.