船舶機艙空氣質量監測評價儀的設計及實現

李 霏，韓孝坤，顧 含，許 歷，蔡鵬飛

(1. 中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431；2. 海軍駐葫蘆島四三一廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125000)

船舶機艙空氣質量監測評價儀的設計及實現

李 霏1，韓孝坤2，顧 含1，許 歷1，蔡鵬飛1

(1. 中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431；2. 海軍駐葫蘆島四三一廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125000)

機艙多模式空氣質量監測評價儀是對機艙氣體進行實時監測并做出評價的智能化產品。本儀器通過多種傳感器對機艙氣體中部分物質的含量進行采集，利用單片機進行數據整理和分析，實時給出評價。該儀器對于監測機艙環境的空氣品質，為輪機人員提供自我防護決策提供了依據和保障，有較大的意義和實用價值。

機艙；氣體；質量監測；評價儀

0 引 言

潔凈空氣是人類賴以生存的必要條件之一。輪機人員工作的環境空間狹小、空氣流動性差、有害化學物質易揮發，加之柴油燃燒廢氣在艙內有部分殘留，導致機艙空氣質量并不理想。

由于機艙環境的特殊性，實時掌握機艙空氣質量信息對提供主動、積極、有效的防護決策，保障輪機人員身體健康至關重要。

在此背景下，本文設計、制作了機艙多模式空氣質量監測評價儀。本儀器以多種傳感器的組合作為探測器，以單片機為控制核心，實現空氣監測、評價、顯示及報警功能；可以根據需求自由選擇模式，有效顯示不同工作艙室下污染物濃度及空氣質量狀況。通過本裝置，能夠有效地評價機艙空氣質量，為監測各種工作艙室中空氣品質、科學防護提供有力依據和有效決策。

1 評價儀的硬件設計

1.1 硬件的總體結構和組成

本文研究的空氣質量監測評價儀是以 STC 公司的一款 8 位超低功耗單片機 STC89C52RC 為控制核心的自動化裝置，系統總體結構如圖 1 所示。

整個裝置由6個模塊組成。

1） 傳感器群模塊：傳感器是數據測量的基礎，使用 DS18b20 測量環境中的溫度單線傳給單片機，RH202 測濕度、MG811 測 CO2、MQ-7 測 CO、MQ-138測甲醛、MQ-136 測 H2S，它們形成的電信號調理后依次經過 ADC0809 的數模轉換，再傳送給單片機。

2） 最小系統模塊：主體為 STC89C52RC 單片機，對傳感器群采集的數據進行處理分析，并向報警模塊發出報警指令，配有復位鍵，能增強儀器裝置的穩健性。

3） 電源模塊：將交流電源進行降壓整流，為單片機系統及特殊傳感器提供所需的穩定電壓。原理圖上保留了電源接口電路，保證了裝置的可靠性。

4） 報警模塊：接收單片機的觸發指令，按照設定的參數報警，實現預警及提示作用。

5） 顯示模塊：采用 LCD1602 液晶顯示測量的數據、評價結論以及控制命令，實現人機界面的友好交互。

6） 按鍵模塊：包括確認鍵、上、下翻頁鍵（閥值設定加、減鍵復用），在不同環境下對恰當模式的選擇及其閥值的設定。

1.2 氣體傳感器的選定及測量原理

1.2.1 傳感器的選定

從實用及成本的角度出發，本儀器選用 CO（MQ-7 型）、H2S（MQ-136 型）、甲醛（MQ-138 型）半導體氣體傳感器和 CO2（MG811 型）固體電解質氣體傳感器；選用數字溫度傳感器以簡化硬件設計、方便單片機讀取數據、節約成本；選用美國達拉斯（Dallas）公司的 DSl8b20 單線數字溫度傳感器芯片。

濕度傳感器主要考慮測量范圍，由于并不需要選用全濕程（0～100% RH）測量，因此在控制成本的考慮下，選用了 HR202 型濕敏電阻器。

1.2.2 傳感器的測量原理

若要提高測量準確度，還可對其靈敏度進行實驗校準。以 MQ-7 氣體傳感器為例。它的阻值隨氣體環境的變化而變化。廠商推薦在 CO 濃度為 200 ppm 的空氣中，使用 10 kΩ（5～47 kΩ）的 RL，對傳感器進行校準。在實際測量時，合適的報警值應是在探測設備考慮到溫濕度的影響下確定的。靈敏度校準過程如下：

1） 連接傳感器到應用電路；

2） 打開電源，保持預熱時間超過 48 h；

3） 調節負荷電阻 RL，直至得到在 90 s 時，確定的 CO 含量所對應一個信號值；

4） 調節另一個負荷電阻 RL，直至得到在 60 s時，確定的 CO 含量所對應一個信號值。

其他傳感器的校準方法與 MQ-7 類似。

1.3 儀器的 PCB 設計

原理樣機設計總體要求是：在功能區域合理布局的基礎上，能抑制噪聲，具有抗干擾性并保證電路工作的可靠性。原理樣機設計中依照要求做了以下工作：

1） 直流穩壓電源輸出端跨接大的電解電容，在每個集成芯片電源輸入端放置0.01 μF（104）的瓷片電容；

2） 晶振緊挨單片機芯片，其他電路模塊中的器件緊湊地布置在一起；

3） 以單片機最小系統為電路板中心，外圍電路模塊以適當距離布置在其周圍；

4） 在設計邏輯電路時，地線構成了閉環形式；5） 本電路板設計的主要地線寬度為 2 mm，元件引腳上的地線為 1.5 mm；

6） 保持足夠的距離，如濾波的輸入與輸出、電源線與弱信號線等；

7） 除了地線，能用細線的不用粗線。

PCB 印制電路板設計如圖 2 所示。原理樣機的具體布置設計如圖 3 所示。

2 評價儀軟件的設計及調試

2.1 系統軟件設計思路

多模式空氣質量監測評價儀功能需求框圖如圖 4所示。

系統軟件主要由核心控制器模塊、溫度傳感器采集模塊、AD 轉換模塊、液晶模塊、按鍵模塊、聲光報警模塊等構成，各模塊功能概述如表 1 所示。

根據軟件設計的基本要求，本文采取了如下措施：

1） 分文件管理和程序模塊化；

2） 軟件設計采用 C 語言，C51 支持浮點運算，可以保證數據計算的精度；

3） 使用定時器中斷事件，提高了系統的實時處理事件能力；

4） 軟、硬件配合抗干擾，提高系統的可靠性。

2.2 軟件主程序模塊設計

軟件要實現的主要功能包括：模式選擇；實現對傳感器信號的數據采集；進行數據的計算分析、進行空氣質量綜合評價；送液晶進行顯示。程序開始時，先關閉中斷，對系統進行初始化，包括單片機的各寄存器、RAM、定時器裝載初值、中斷設置及各模塊初始化等。完成初始化后，液晶顯示模式選擇界面，可以根據不同環境的測量需求進行模式的切換。選擇模式后，傳感器預熱一段時間，CPU 等待傳感器傳入信號及 AD 轉換結束后，完成當前監測參數的正確顯示并判斷是否超限發出聲光報警，最后運行指標數算法得到平均等級，顯示在液晶屏上。

主程序運行流程如圖 5 所示。

表1 各功能模塊功能描述Tab.1 The functional description of functional modules

2.3 空氣質量評價方法

本儀器針對機艙空氣質量評價特點，對環境機艙環境中幾項重要的組分進行監測，取得反映環境空氣質量的監測數據后，對各單項空氣分組做出判斷，綜合幾項重要組分進行空氣質量評價。單項空氣組分的判斷和總體空氣質量評價構成了空氣質量評價的主要內容。

2.3.1 方法介紹

本儀器采用了姚志麒提出的最高值與平均值兼顧的空氣質量指數法對環境空氣質量進行評價。該方法首先確定 m 個污染物。令 i（i = 1，2，…，m）代表各項污染物指標的實測濃度，除以該污染物的評價標準值 ，得到質量分指數 Pi，其定義式為：

選出其中最大值 Pmax，再求出 m 個污染物質量分指數的平均值，兩者的幾何平均數即為空氣質量指數A。其數學表達式為：

A 的數值越大，反映綜合污染越嚴重。評價結果如表 2 所示。

表2 空氣質量等級判斷標準Tab.2 The criteria of air quality grade

該評價方法中，質量分數指定義為污染物濃度與標準值之比，其倒數可看作其權重系數，形象地表示了某個污染物濃度與其標準值。

2.3.2 評價指標的選定

由于船舶機艙空氣質量缺乏相應的國家標準，本儀器在前期進行機艙環境調研的基礎上，結合《公共場所衛生監測技術規范 GB17220-1998》等相關國家標準和實際情況，給出了主、輔機艙評價指標，如表 3所示。

表3 主、輔機艙模式空氣質量監測指標限度表Tab.3 The limits table of main and auxiliary cabin air quality monitoring mode index

若要對指標進行修正，或者設定工作艙室、無人艙室、庫房等其他艙室的空氣質量情況，可根據具體空氣指標限度，在自定義模式下對標準值和限度進行修改。

3 結 語

本文針對船舶機艙空氣質量監測需求，提出完整監測評價儀的設計方案。儀器可實現對不同機艙環境模式下空氣質量的自動量化檢測、實時評價和報警等功能。裝置軟硬件設計合理，單片機軟件采用模塊化的程序設計方法，各模塊相互獨立；硬件電路設計充分考慮到元件選用、電磁兼容及抗干擾技術，提高了系統的可靠性。其中單片機部分既可獨立運行，也可以通過 Uart 模塊接口與 PC 機進行通訊，同時自定義模式能夠“同裝通用”，這為不同的用戶提供了功能拓展空間。

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Design and implementation of the air quality evalution monitoring system in marine engine room

LI Fei1, HAN Xiao-kun2, GU Han1, XU Li1, CAI Peng-fei1
(1. China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangyin 214431, China; 2. Navy Military Representative Office in 431 Plant, Huludao 125000, China)

Air quality monitor multi model evaluation instrument is for real-time monitoring of the cabin gas and intelligent product evaluation. The instrument is collected by various sensors on the part of the cabin in the gas content material, processed and analyzed the data by using single chip microcomputer, real-time evaluation. The instrument for monitoring the cabin environment air quality, provides the basis and guarantee for the turbine personnel to provide self protection decisionmaking, has great significance and practical value.

engine room；gas；quality monitoring；evaluation tool

U665.26

A

1672 – 7619(2017)06 – 0115 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.023

2016 – 04 – 26；

2016 – 07 – 29

李霏(1990 – )，男，助理工程師，研究方向為船舶電氣設備。