船舶机舱环境检测系统的设计2Word文档格式.docx

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机舱内的动力装置正常工作，首先需要消耗一定量的新鲜空气，用于动力机械的燃烧，其次要带走机器设备运转、燃烧产生的热量。

机舱通风用以建立机舱内给定的环境条件，如需要的舱内温度、湿度、空气流速、清洁度及空气成份等，以保证柴油机、锅炉及焚烧炉燃烧时所必须的空气量，同时也要保证机内良好的工作环境，改善轮机人员的工作及卫生条件。

本设计是以单片机（AT89S52）为核心，配合温度传感器（AD590）和湿度传感器（HIH-3610），以及相关的外围电路组成的检测系统，可以接收所测环境的温度、湿度、光照强度和氧气含量信号，检测人员可以通过数码管显示的数据，实时监控环境的温度和湿度情况。

所有的测量操作都可以通过主机控制软件来实现，温度、湿度、光敏和氧气传感器得到的测量信号，经电路转换为电信号，然后通过一定的放大经过芯片TLC549A/D转换送到单片机进行数据处理，经软件分析处理后送显示装置，并控制控制风机的运行。

本文所开发的系统具备完整的环境监测功能，满足相关规范要求，实时性较好，能够应用于实船。

并对该系统作了一些突破以往设计的优化设计，对以后船舶环境监测系统的设计有一定的指导作用。

关键词：

机舱,环境,单片机,传感器

Abstract

Withthedevelopmentofshipbuildingandshipnavigation,personally,theenvironmentofworkingplaceandaccommodationplacebeingrequiredmoreandmoreeconomically,theworkingenvironmentofpowerinstallationismoreimportant,too.Duringtheshipdesign,theventilationsystemdesignisoneoftheimportantaspectsofthewholedesign.Asuitableenvironmentshouldbeconsideredforgoodworkingofpersonandpowerinstallation.

Inordertokeepthepowerinstallationworkwell,itwillneedamountoffreshair

fortheburningofengineandbringawaytheheatemissionfromtheengine．Engineroomventilationsystemdesignisdoingforbuildingaspecialcondition，suchasthe

temperatures,humidity,airspeed,thecleanlinessoftheairandtheelementpercentofair,toinsuretheamountofairneededbytheengine，boilerandincineratorburning，andimprovetheworkingenvironmentoftheworkingpersoninengineroom．

ThedesignisbasedonSCM（AT89C51）asthecore,withatemperaturesensor（AD590）andhumiditysensors（HIH-3610）,aswellasthedetectionsystem,theperipheralcircuitcanreceivethemeasuredambienttemperature,humidity,lightintensityandoxygencontentofsignaldetectioncanbedigitaldisplaydata,real-timemonitoringofenvironmentaltemperatureandhumidity.Allthemeasurementoperationbythehostcontrolsoftwaretoachievethemeasurementoftemperature,humidity,photosensitive,andoxygensensorsignal,thecircuitconvertedintoelectricalsignals,andthenbyacertaindegreeofamplificationafterthechipTLC549A/Dconversiontothemicrocontrollerfordataprocessingevacuationbythesoftwareanalysisandprocessing,displaydevices,andcontroltherunningofthefancontrol.

Haveacompleteenvironmentalmonitoringsystemdevelopedtomeettherelevantregulatoryrequirements,real-time,canbeusedinarealship.Andmadesomebreakthroughdesignedtooptimizethedesignofthesystem,afterthedesignoftheMarineEnvironmentMonitoringSystemhasaguidingrole.

Keywords：

Cabin,Environment,Microcontroller,Sensor

1绪论

1.1课题研究背景

我国的水路运输具有投资少、见效快、运价低的特点，因此一直以来它都是重要的交通方式之一，在国名经济的发展中起到很重要的作用[1]。

船舶机舱监控系统是对机舱重要设备的运行状态和安全参数进行监测，对值班人员和管理者声光提示，及时决策设备管理措施，保证设备系统或者人员安全的重要系统。

因此实时、准确地了解船舶机舱环境动态信息显得尤为重要，特别是一下几个方面：

（1）船舶机舱环境气体含量的监测，特别是氧气含量是否达到人体适合进入的最低标准，保证工作人员的安全。

（2）船舶机舱温度和湿度的监测，保障船舶设备的正常运行。

（3）船舶机舱光线的监测，尤其是在恶劣天气和晚上等光线不足的情况下保证机舱光线充足，工作人员正常工作。

以往的船舶监测系统，都是通过传统的人工现场监控来获得船舶机舱环境动态信息，而且不能保证工作人员的安全。

通过以往检测系统的实时性不高、操作不方便，不利于管理。

因此有必要研究一种远程监测技术。

另外，船舶机舱内的工作环境是最为恶劣的，船舶机舱内的通风条件也直接影响到船员的身体状况和工作效率。

按中国船级社对船舶动力装置的控制形式的规定，分为机舱有人值班、周期无人值班和集控室有人值班三种，尤其是机舱有人值班时，合适的机舱通风可以提供人更多的新鲜空气量，降低机舱温度，通过机舱通风管道的合理布置适当地降低机舱内的噪声，提高人员的工作环境标准。

随着计算机与网络技术的发展，船舶机舱监测系统得到了飞速发展，无线网络技术已经逐步被应用到远程监控系统之中，通过无线网络技术将现场设备采集的数据传输到远程控制中心，实现远程监控，具有一定的安全性、实时性、可靠性的要求。

1.2船舶机舱监测系统发展与现状

随着计算机以及自动化技术的飞速发展，船舶机舱监测系统也得到了迅速的发展，出现三种典型模式，分别为集中式、集散式、现场总线式。

1）集中式机舱监控系统

在上个世纪的六十年代中后期，船舶机舱开始出现了“无人值守”，日本、丹麦等发达国家首先推出船舶机舱的集中监测系统，其方式主要是把分布于船舶机舱各处的监测点全部引入集中控制室的微机接口控制箱中，对船舶机舱设备进行集中监测，实现了船舶机舱设备检测的无人值守。

该方式的优点在于容易根据整体情况进行相应的控制计算与判断，从控制角度分析易于统一调度与安排，缺点是系统的可靠性全部集中于微机本身，而机舱现场的环境相对恶劣，那么对于读取来自现场信号的计算机要求就相当高。

可靠性问题限制了机舱集中监测系统的发展。

典型的集中式监测系统有挪威NORCONTROL公司的DataChief-

系统[2]。

2）集散式机舱监控系统

在上个世纪七十年代后期，随着大规模集成电路以及计算机网络技术的发展，出现了数字调制器、可编程控制器（PLC）以及多个计算机构成的集中与分散相互结合的集散式控制系统，也称为分布式控制系统（DCS-DistributedControlSystem）。

此系统不管是在功能上还是在性能上都比集中式控制系统进步很多，克服了传统的集中式控制系统对控制器和可靠性要求高的缺陷，在集散控制系统中实现了集中控制与分散处理，即实现了集中控制室与DCS控制站或是PLC之间的网络通信，有减少了集中控制室与机舱现场之间的电缆数目，节约了成本。

初期，集散型监测系统在各个子系统内部一般使用模拟信号传输，即控制单元与现场设备之间使用模拟信号来实现数据采集以及控制命令下传，这样就需要在控制单元与现场设备之间铺设大量电缆，同时增加了船舶造价。

此外，传输距离较长会使得模拟信号受到严重干扰。

这个时期典型的子系统如西门子公司的SIMOS32型集中监测和报警系统。

后期，部分公司将传统控制网络技术应用到了机舱监测系统中，对子系统进行改进，即在控制对象附近放置现场处理单元，而二者之间则通过RS-485或电流环等网络进行数据交互，实现对模拟信号的收发。

这种方式逐步成为了船舶机舱监测系统的主流，由于这种传统控制网络存在固有缺陷，所以并不是在真正意义上实现全分布式控制。

并且各个公司所建立的控制网络具有封闭性，这样就阻碍了船舶机舱中现场设备之间互操作性的实现。

其中，典型的代表有德国西门子公司的SIMOSIMA32C系统和挪威NORCONTROL公司的DataChief1000系统。

3）现场总线控制系统（FCS-Fieldbuscontrolsystem），是从DCS系统上发展起来的，以实现机舱现场和微机化测量设备之间双向多节点数字通信的系统。

现场总线式控制系统是在传统的测量控制仪表处装上专用的微处理，同时使它们获得了数字计算与数字通信能力，并使用方便于连接的双绞线等作为总线，将需要测量的多个控制仪表连接成网络系统，按照一定的通信协议，实现船舶机舱现场的多个微机化测量控制设备之间，以及船舶机舱现场仪表与远程的监测主机之间的数据传输与信息交互，从而出现了各种满足现场需要的自动化控制系统。

其中，典型代表有挪威NORCOINIROL公司的DataChiefC20系统和上海船舶运输研究所下属的上海三进科技发展有限公司的CJBW100型系统。

我国船舶机舱监测系统应用的起步相对于国际较晚一些，到了八十年代后期自助研发出了一些以CJBW,JK-88YK,DYT-88J型为典型代表的船舶机舱监测系统。

国产的船舶机舱监测系统由于系统功能、结构以及制造成本等原因，应用于实际较少。

在技术方面，大部分产品仅仅相当于国际九十年代初期的水平。

机型的品种较少，性能较低、可靠性较差，标准化、系列化、智能化程度相对较低，总体的技术指标落后，技术储备差距大，已无法适应当前国内船舶机舱自动化的突飞猛进发展。

目前与船舶自动化技术发达的国家相比，还存在一定的差距，主要包括一下几点：

（1）以船舶机舱为整体对象的集成自动化技术水平较低，配套能力较差。

虽然应用了大规模集成芯片，但完成整个系统的信号采集、处理、通讯、管理等过程，均使用零散的设备，缺乏模块化、系列化的产品。

（2）目前，船舶机舱监测系统技术还处于部分或全部引进状态，相关技术的科研单位研发力量不集中，国产化效率低、自主创新的成分较少。

（3）系统的结构复杂，可维护性较差。

信号从传感器到上位机传输路径复杂，监控对象庞大，其通讯布线错综复杂，给故障检测带来相当大的困难。

（4）系统自身结构模块化较低，产品可再研发性较差，技术更新与换代困难。

设计安装工艺落后，生产制造技术低，制约了系统整体性能的提升。

以上各个问题，给机舱自动化技术的发展提出了新的要求，迫切的需要一种能在最大程度上满足各种需求的、综合水平较高的、全新的船舶机舱监测系统的出现。

1.3本次设计的主要工作

（1）设计船舶机舱环境监测系统方案

船舶机舱环境监测系统为多变量的输入输出控制系统。

通过传感器监测机舱中的各环境参数，得到输入模拟量，经过模数转换变成数字信号，经接口板采集数据，计算机进行分析处理，将输入量与设定量比较后，输出开关量，通过驱动电路控制各执行机构。

（2）硬件设备的选型与设计

根据所设计的控制方案合理地选择监测元件、执行机构和控制设备以及其它必要设备，并在此基础之上根据控制方案合理地进行硬件设计，完成各种设备之间的接线与配置，并进行设备的安装调试。

为整个系统的实现以及稳定、可靠运行打下基础。

（3）控制软件的设计

软件应用汇编语言进行编程设计，具有计时、键盘扫描处理、显示、温度、湿度、氧气含量采样，并对其进行数据处理，控制执行机构。

2控制系统的方案设计

船舶机舱设在轮船的下部，由于数KW大功率发动机、数百KW的发电机组、锅炉和制冷机组的连续工作，再加之机舱的通风、透光情况很差，给工作人员和船舶发动机的工作环境带来了严重的影响。

为了改善机舱的环境，提高轮机系统的运行效益，保障船舶及工作人员的安全，需要对机舱的环境进行实时控制。

船舶机舱的主要控制参数有温度、湿度、光线和通风控制系统。

2.1系统的构成

通过传感器监测机舱中的各环境参数，得到输入模拟量，经过模数转换变成数字信号，经接口板采集数据，单片机进行分析处理，将输入量与设定量比较后，输出开关量，通过驱动电路控制各执行机构。

控制系统及控制过程如图2.1所示。

图2.1环境控制系统

Fig2.1environmentalcontrolsystem

本系统由计算机与控制软件、传感器、数据传输、I/O接口板、电器控制柜等组成，传感器采集的信号经过放大和转换传到计算机上，计算机发出反指令，通过电器控制柜控制各执行机构的启用，完成对机舱环境的控制[3]。

前端的环境参数数据采集单元（包括空气温度、空气湿度、光照度传感器、气敏传感器及信号调理电路、A/D转换、单片机、存储器、液晶显示器、按键），数据传输设备以及电源组成。

系统由单片机控制前端的各种传感器对环境中的各参数进行采集，并通过其相应的转换电路将温度、湿度、光照等信号转换为模拟电量（如电压），再经A/D转换器转换为数字量，交由单片机做数据处理，或直接转换为数字量（如频率）存储显示。

机舱环境数据采集和监控系统如图2.2所示。

图2.2机舱环境数据采集和监控系统

Fig2.2cabinenvironmentdataacquisitionandmonitoringsystem

2.2单片机AT89S52的介绍

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS八位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许ROM在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使其为众多嵌入式控制应用系统提供灵活的解决方案[4]。

1主要特性

（1）与MCS-51单片机产品兼容；

（2）8K字节在系统可编程Flash存储器；

（3）1000次擦写周期；

（4）全静态操作：

0Hz～33Hz；

（5）三级加密程序存储器；

（6）32个可编程I/O口线；

（7）三个16位定时器/计数器；

（8）八个中断源；

（9）全双工UART串行通道；

（10）低功耗空闲和掉电模式；

（11）掉电后中断可唤醒；

（12）看门狗定时器；

（13）双数据指针；

（14）掉电标识符。

如图2.3所示AT89S52芯片的引脚图

VCC：

电源

GND：

地

P0口：

8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节；

在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

图2.3AT89S52芯片的引脚图

Fig2.3theAT89S52chippindiagram

P1口：

具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表3-1所示。

在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

表2.1P1口引脚的功能

Table2.1P1portpinfunction

引脚号

第二功能

P1.0

T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5

MOSI（在系统编程用）

P1.6

MISO（在系统编程用）

P1.7

SCK（在系统编程用）

P2口：

具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动四个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

在方位外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。

在Flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能

驱动四个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3所示。

表2.2P3口引脚的第二功能

Table2.2P3portpinsofthesecondfunctions

P3.0

RXD（串行输入）

P3.1

TXD（串行输出）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

RST：

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/

：

控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在Flash编程时，此引脚（

）也用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。

然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。

这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。

否则，ALE将被微弱拉高。

这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

外部程序存储器选通信号（

）是外部程序存储器选通信号。

当89S52从外部程序存储器执行外部代码时，

在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，

将不被激活。

/VPP：

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，

必须接地。

为执行内部程序指令，

应该接VCC。

在Flash编程期间，

也接收12伏VPP电压。

XTAL1：

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

2.3A/D转换器

本电路设计A/D转换部分主要核心部分采用高性价比的A/D转换芯片TLC549，以下进行详细介绍

2.3.1主要特性

TLC549是德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过I/OCLOCK、

、DATA三条口线进行串行接口。

具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17μs，TLC548允许的最高转换速率为45500次/s，TLC549为40000次/s。

总失调误差最大为±

0.5LSB，典型功耗值为6mW。

采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，VREF+－VREF-≥1V，可用于较小信号的采样。

TLC549引脚图如下图所示：

图2.4TLC549引脚图

Fig2.4TLC549pindiagram

TLC549的极限参数如下：

电源电压：

6.5V；

输入电压范围：

0.3V～VCC＋0.3V；

输出电压范围：

0.3V～VCC＋0.3V；

峰值输入电流（任意一个输入端）：

±

10mA；

总峰值输入电流（所有输入端）：

30mA；

工作温度：

0℃～70℃

TLC549I：

－4