基于單片機的船舶柴油機安保系統設計及實現

朱學文

應用研究

基于單片機的船舶柴油機安保系統設計及實現

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，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到單片機，顯示在LCD1602顯示模塊上，當檢測到的參數達到設定警報值時發出停機指令。通過Proteus平臺仿真和實物測試驗證了系統的可靠性、穩定性。

單片機 船舶柴油機 安保系統

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、顛簸的工作環境，使得船舶設備發生故障的幾率大增，特別是作為船舶主動力的柴油機，系統較為復雜，一旦出現致命故障，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下船舶柴油機運行數據有實驗成本高、部分參數無法獲取等劣勢，因此必須依賴對柴油機故障的仿真數值計算[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，并通過實物系統驗證其準確性[4]。

1 整體設計

該系統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，就會觸發報警裝置。

圖1 系統整體構成圖

2 硬件及仿真電路設計

2.1 溫度傳感器模塊

DS18B20是該系統中使用的傳感器類型。控制命令和數據以數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，從而觸發對報警系統的模擬。

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定、使用方便、電磁干擾力強、頻率響應迅速等優點，廣泛應用于各種機械設備中，如工業控制裝置、數控機床、精密儀器儀表等。隨著現代科學技術的發展，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。在現代工業中，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。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I/O口的擴展。

2.5 其他模塊

除此之外，整個系統還包括顯示模塊、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，點擊開始仿真，LCD1602顯示每個參數的值，電機開始旋轉。其中DS18B20溫度傳感器用于對環境溫度的測量；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。三個參數的設定值由按鍵電路調節。通過設置鍵來選擇要調整的參數，然后使用加減鍵進行數值調節。第一次按下設置鍵調節參數為溫度上限值，第二次按下為設置鍵調節參數為溫度下限值，第三次按下設置鍵調節參數為速度上限值，第四次按下設置鍵調節參數為壓力下限值。之后再次按下設置鍵又是一次循環。

3.2 模擬結果

在對設定值進行調整后，各參數的實際值發生了變化。溫度參數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

根據系統硬件的模塊組成，以現有的最小系統為基礎，將所需的模塊焊接在最小系統電路板上，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，將溫度設定值調節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，屏幕上的數值開始上升，當實際數值大于設定數值時，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能實現柴油機滑油壓力低、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是基于C51單片機設計的。系統通過DS18B20收集溫度數據，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，之后將這些數值傳輸到單片機上進行處理數據，傳輸到顯示屏上顯示數據。

通過實物測試和仿真運行，驗證了系統的可行性和正確性。Proteus的仿真為后續實際中船舶柴油機安保系統設計提供了理論支持，縮短了系統的開發時間，降低了成本。同時本次設計對實際生活中船舶柴發機組安保系統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. 船舶柴油機技術發展現狀與趨勢探索[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。