船用锅炉自动冲洗水位计设计

(浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316021)

为了保证锅炉安全运行，每天要按照要求对水位计进行冲洗，这增加了轮机员工作量并存在被高温烫伤的风险，而设计人员的研究方向主要在水位计的结构、材料、安装工艺、冲洗方法上，关于能够自动冲洗水位计，目前未见相关报道[1-2]，所以，目前船用市场上的锅炉水位计几乎全部为手动冲洗形式。

为此，考虑设计一种以单片机为控制核心的自动冲洗水位计，用于替换当前船舶锅炉水位计，可以应用在船舶锅炉生产厂家的新锅炉上，也可应用在现有船舶锅炉上。

1 系统的总体设计

1.1 控制系统总体设计

系统主要由单片机最小系统、检测传感器、电磁阀驱动、时间显示、声光报警、串口通信等电路及软件组成[3]。系统设计总体框图见图1，单片机为系统控制的中枢，主要完成数据的运算与控制信号的发送，LCD显示器用来显示定时时间与温度，主要完成系统的数据显示。检测传感器主要用来检测冲洗管路的温度，以确定系统的控制功能是否按要求完成。按键主要用来输入定时数据，也可以对输入的定时数据进行修改，这些参数都将在显示器上显示，轮机员可以通过此进行观察，掌握冲洗时间并根据实际需要进行修订，完成人机交互。

通过单片机内部的定时功能可以准确地完成水位计的冲洗，单片机的引脚电平高低的变化控制驱动电路，通过此来按照顺序开启电磁阀，实现利用锅炉内部的原有蒸汽或者水压对水位计进行定时程序冲洗，冲洗的成功与否，可通过温度检测元件进行反馈判断[4]。如果冲洗过程中温度检测有温升，说明一切正常，如果冲洗过程中没有检测到温升的信号，内部程序将进行一次复位后重新冲洗，如果再一次冲洗还没有检测到温升信号则发出报警，冲洗失败。

1.2 水位计结构总体设计

自动冲洗水位计的结构设计见图2，可在原来的基础上改进。蒸汽冲洗电磁阀D1安装在玻璃管与通气阀的连接管路；热水冲洗电磁阀D2安装在玻璃管与通水阀的连接管路；冲洗电磁阀D3安装在冲洗管路上。保留水位计上原所有的阀门，在进行电磁阀更换工作时，可以通过关闭通气阀S1、通水阀S2等操作，保证锅炉内的汽水不会外溢，使操作可以在不停炉的情况下进行[5]。

在冲洗管路的末端安装传感器检测冲洗是否成功，冲洗成功时，锅炉内部的蒸汽或热水会沿着冲洗管路将热量传递给温度传感器，温度传感器检测到温升信号；冲洗不成功，10 s后温度没有变化，系统将根据程序重新冲洗水位计，如果传感器还没有检测到温升信号则发出警报。

1.3 控制面板外形设计

控制模块、显示模块、手自动转换模块可以与锅炉的控制箱进行融合，使轮机员的操作更加方便。面板的正面有控制旋钮，其主要作用为选择控制方式。液晶显示屏可以随时显示定时状态、计时时间等内容，第二行可以显示传感器感受的温度。底行为按钮：1～6，每一个按钮都有相应的功能，主要为修改定时时间，报警消音与复位等。按钮布局合理、大小适中，方便轮机员操作。控制面板的主要接口已经在图中标出，在所有的接口中有一个预留接口，方便以后增加其他功能时使用。

控制面板的设计只需对现有锅炉控制箱进行较小的改动即可，控制面板所占面积小，操作简单，接线方便，接口少，为船舶的轮机员提供了更好的操作界面与简单的操作方法。

2 系统硬件设计

2.1 单片机设计

AT89C51是一种使用较广泛的电子芯片。该芯片经济环保、性能优良，其可编程的 Flash存储器为4 k，8位的 CPU，在指令与引脚方面可以与工业80 C51完全兼容。可以为控制系统提供高精度的控制方案[6]。AT89C51性能指标见表1。

表1 AT89C51性能指标表

因设计要完成控制、显示、参数输入、通信等功能，所以根据以上需求选用单片机的引脚数为40个，其引脚数可以满足所有功能的可靠实施。图3所示为AT89C51的封装与引脚。

2.2 电磁阀驱动电路设计

电磁阀为装置的主要执行元件，由于该设计的控制流体为高温蒸汽与热水，所以采用不锈钢阀体、耐高温密封的电磁阀[7]。直流驱动电路见图4，与单片机引脚的接口分别为P1.6、P1.7、P2.6，12 V直流供电，通径采用20 mm的管路，以保障足够的冲洗效果。电磁阀的启闭状态可以通过单片机内部的程序得到。

2.3 显示器设计

采用了一种功耗低、硬件电路与驱动方法简单的液晶显示器。使用的是 LCD1602，其能够同时显示字符的个数为 16×02 个，可以清楚地显示字母、数字、符号等。该模块的引脚共有14个，见图5。另外还有2个引脚未标出，主要作用为提供背光[8]。各个引脚接口见表2，背光引脚没有在上面标出。 LCD1602主要技术参数见表3。

设计的LCD模块有8个 DateI/ O口，即 D0～ D7口。这8个 DateI/ O口与单片机的 P0.0～ P0.7口相连接。为了实现上拉加装一个10 kΩ的排阻，在图5中的 LMO16 L中没有 BLA与 BLK口，这两个背光源只要接通合适的电源即可，一般的调节是通过手动进行的。LCD液晶的显示界面一般分为两行，上面一行显示定时时间，下面一行显示当前的温度传感器接受的温度情况。

表2 LCD1602引脚接口表

注：15BLA、16BLK在图中并未标出，实际中存在，为背光引脚。

表3 LCD1602 主要技术参数表

2.4 传感器设计

DS1820温度传感器与单片机之间通过一根总线相连接，所有信号通过此线进行传送，实现参数转换的电源也通过数据线提供，不需要单独设置。报警值可调，9位温度读数显示测量温度。温度传感器的性能特点见表4。

DS1820温度传感器主要有6部分组成，包括校验码发生器、高速暂存器、触发器TH和TL、寄生电路、ROM单线接口、温度传感器，其中每一部分都有相应的作用[9]。DS1820温度与数据关系见表5，DS1820的管脚排列见图6。

表4 DS1820的特性

表5 DS1820温度与数据关系

DS1820以64位ROM及环线接口为中心，外围包含I/O口、存储与控制逻辑、暂存寄存器、8位CRC发生器、温度传感器、上限TH和下限TL。

DS1820温度传感器的应用十分灵活，其连接距离长，相互干扰少，可以实施远距离测量，本设计只需1只就可以满足检测要求。采用寄生电容供电的温度检测系统见图7。其中P2.1做输出口用，相当于TX；P2.2做输入口用，相当于RX。

2.5 按键电路设计

按键为参数输入模块，功能设计主要是完成对系统的设定，包括定时时间、警报确认等，通过输入时间参数来更改水位计的时间设定。锅炉水位计的冲洗并不是一成不变的，轮机员可以根据所掌握的内容，如水质的情况，工作状态等，适当对冲洗时间进行调节。本设计的按键尺寸为6×6×4 mm，按键个数为6，其大小恰当，方便人员按压操作，且不会影响其他按键。其中R3-R7为阻值10 kΩ的外接上拉电阻，按键按下与跳起分别对应接口的低电平与高电平[10]。在连接方面直接与 AT89C51的 I/O 口连接，电路简单，没有中间环节， 保证设计的稳定性。各功能键功能见表6，按键的连接电路见图8。

表6 按键功能表

2.6 语音报警

自带报警模块，声音报警由蜂鸣器完成，发光报警由晶闸管完成。该报警装置的工作分为两个阶段：第一阶段为水位计正常工作阶段，此时汽冲、水冲电磁阀均处于打开状态，冲洗电磁阀处于关闭状态，如果传感器检测到有温升信号，则说明冲洗电磁阀泄漏，发出报警：第二阶段为水位计冲洗阶段，在冲洗水位计时，汽冲、水冲、冲洗电磁阀按照顺序开关，如果温度传感器检测不到温升信号，则说明冲洗失败，发出警报。该警报是水位计冲洗失败警报，给轮机员预警。该报警装置的触发通过P2.7口的电平决定，发光二极管与蜂鸣器单线连接，报警时同时发出。报警的电路模块设计见图9。

2.7 上位机通信设计

采用串行通信方式完成机旁设备与 PC机的通信，通过所选单片机内部的UART来实现。为了保证有效的通信，选用了 MAX232电平转换芯片来保证更加有效可靠的通信；为了保证通信距离的长度，通过 RS-232提高信号的幅度。上位机通信电路见图10。轮机员可以在集控室对水位计的冲洗定时，温度检测值进行远程监控与遥控，这样可以减少轮机员在机舱巡视的时间，降低工作强度。

3 主程序流程

本设计主程序能使系统控制得更加准确、更加合理、更加智能，主程序流程图见图11。水位计冲洗程序按照开始-初始化-定义变量-开始冲洗-检测的顺序执行，内部程序通过单片机发出指令控制电磁阀的启闭。当第一次冲洗指令发出后，通过温度传感器检测冲洗管路的温升情况来判断是否冲洗成功。当按照冲洗程序完成水位计冲洗后，冲洗时间开始自动计时，到下一次冲洗定时时间后重新开始冲洗程序。如果冲洗定时需修变，可以在控制面板上通过按钮进行。若想将水位计自动冲洗改变为手动冲洗，只需要将转换开关转至手动位置即可。若此时立刻进行水位计冲洗，则不需考虑定时。当手动将水位计冲洗完成后，外部中断结束，系统又开始冲洗定时，进行下一次的冲洗准备[11-12]。

4 结论

通过对锅炉自动冲洗水位计的器件选型、结构设计、硬件设计、软件流程设计等，很好地实现了水位计自动定时冲洗功能，可广泛应用于船舶锅炉上。与在水位计的结构、材料、安装位置等方面进行改进相比，本文注重对水位计自动控制上的改进，以此来解决轮机员工作过程中劳动强度大、操作安强性低、容易出现事故等问题。综上，本研究成果可极大地改善船舶水位计操作人员的工作环境，保障操作人员的安全，降低工作强度，具有一定的实际应用价值。

本文的研究还可以向智能控制方向发展，增加智能控制部分，使水位计的冲洗动作根据锅炉水位情况自动改变，减少人员的参与，减少工作量保障安全。

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