木质渔船机舱水位监控系统设计

(北海职业学院 机电工程系，广西 北海 536000)

我国拥有海洋渔船30多万艘，从造船材质来分，主要有三大类：钢质渔船、木质渔船和玻璃钢渔船。笔者曾经调查北海地区、湛江、阳江、海南等地渔船情况，结果显示，以上地区木质渔船占据的分量很大，阳江和湛江占总量的70%以上，北海和海南占80%左右，且船龄10年以上的木船居多。木质渔船舵轴与轴孔间的间隙不好控制，加上本身的材料特性、制造工艺，以及年久失修等原因，机舱会出现渗水、漏水现象，使用时间越久渗漏就越严重。及时排掉机舱的积水，是保护渔船机舱机器设备的唯一途径，也是保证人员和渔船安全航行的前提。目前，常采取的措施是：安装排水泵，人工定期给机舱抽排积水；偶有渔船安装有浮子式自动排水装置，或者是采用水位传感器，实现了半自动的功能。由于机舱和普通水箱对水位要求不同，而浮子式排水系统对水位的深度有一定要求，由于技术的限制效果都不理想[1-2]。目前，在以上地区，对木质渔船的机舱水位实现智能监控还是一个空白状态。人工监控排水需要很强的责任心，更需要花费大量的时间和精力，可操作性和可靠性都不高，实现智能监控排水，是解决安全隐患的最佳办法。

1 机舱水位监控系统方案设计

1.1 系统总体方案设计

系统由三大部分构成，见图1。

图1 控制系统结构

投入式液位传感器安装在机舱底部，随着机舱水位的升高，扩散硅压力传感器的电压信号也随之增大，经过A/D转换以后输送到微控制器，经过微控制器计算处理后获得数字化的水位信息，再通过485总线输送给控制主机。

控制主机经过485总线接口接收到来自投入式液位传感器的液位信息，并将液位信息通过显示单元显示，同时以声音的形式报告出来。键盘用于设定排水液位的上限、下限以及其他控制设定，当水位达到排水上限时，控制主机通过水泵驱动电路启动水泵进行排水，当水位下降到排水下限时，水泵停止工作。

1.2 系统硬件的设计

1.2.1 投入式液位传感器

机舱水位的测量选用投入式液位传感器，该传感器由不锈钢外壳和QX19压力传感器构成，利用压阻效应原理，经过离子注入工艺和微机械加工工艺，制成的集力敏与力电转换检测于一体的硅敏感元件[3]。扩散硅压力传感器的压力直接作用于传感器的不锈钢膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号[4]。

投入式液位传感器使用前需要进行预标定设置，见图2。分别选择已知液位深度h1和h2，测得V1和V2，再结合图3，推导得出液位深度hx为

(1)

式中：Vx为实时测量电压值。

图2 液位高度与电压的标定

当有海水渗漏进来水位随即发生变化，压力传感器输出的电压信号随之产生变化，电压信号经过放大和A/D转换后，输送给微控制器。微控制器选用STM32F103，根据式(1)推算出水位的高度，经过485总线接口传输到主机，主机收到信号后，在显示屏上显示水位的数值。

图3 电压和液位高度关系示意

A/D转换电路选用TM7711芯片，该芯片是全差分模拟输入，可以直接接受来自扩散硅压力传感器的低电平输入信号，然后产生串行的数字输出。同时，芯片只需 2.6～5.5 V单电源供电，且具有集成度高、响应速度快、抗干扰强等优点，可以降低系统的整机成本，提高整机系统的性能和可靠性。其应用电路见图4。

图4 A/D转换电路

1.2.2 控制主机

控制主机的CPU采用STM32F103，STM32F系列属于中低端的32位ARM微控制器，其内核是Cortex-M3[5]。该系列芯片配置形式多样、外设丰富，集成定时器、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART等多种功能。

整个系统根据安装位置分为机舱部分和驾驶室部分，其中，投入式液位传感器和水泵安装在渔船的机舱底部，主机则安装在驾驶室，两者距离少则几十米多则上百米。主机设置有485通信接收端口，液位传感器所采集到的数据通过485总线传送到主机。485通信具有通信距离远、电路结构简单、抗干扰能力强的优点，非常适合应用于该场合[6-9]。485接口电路见图5。

图5 485接口电路

数据显示单元采用12864液晶显示屏，可以显示机舱水位、工作状态、设置菜单等信息。输入键盘是人机交互的通道，用于设置操作流程和设置排水区间等信息。音频驱动为系统增加语音输出功能，是数据显示的有效补充，让整个系统更加人性化。系统工作电源将220 V的交流电转换为3.3 V和12 V直流电，其中，3.3 V给MCU、液晶屏和通信电路使用，12 V给音频驱动电路供电。

水泵驱动电路见图6，MCU给RLY输送高电平，三极管Q1导通，继电器RL1吸合，启动离心泵；当MCU给RLY输送低电平，三极管Q1截至，继电器RL1断开，离心泵停止工作。

图6 水泵驱动电路

1.2.3 泵的选择

优先选用大排量且具有自吸功能的离心泵，结构简单、易于维护、性价比高。也可以由用户根据渔船机舱的结构特点自行选用潜水泵。海水的腐蚀性很强，无论选择何种泵，材质都应选用不锈钢为佳。

2 软件系统设计

主机不断读取来自液位传感器的液位数据，当液位大于排水上限时，启动水泵同时启动计时器；当液位小于排水下限时停止水泵同时停止计时器。在启动排水期间，每隔1 min进行液位比较，如果液位没有发生现变化，则可以判定排水出现故障，系统发出语音报警，提示人工及时排障[10]。排水区间是根据渔船实际情况设置，最低水位的设定需要考虑避免离心泵吸空的问题。为了防止机舱水位过高，设置有高水位报警功能，提供双重保障。系统程序流程图见图7。

图7 程序流程

3 现场试验与分析

3.1 现场试验

以“桂合渔23009”为例，该船为典型的木质渔船，船长26 m，103 kW(140 HP)，船龄13年，机舱渗漏程度中等，原来安装有潜水泵可以实现手动抽水。试验选用光泉牌全不锈钢潜水泵，型号VN250，功率250 W，扬程7 m，流量150 L/min；水位测量采用带不锈钢外壳的QX19压力传感器, 它是一款压阻式扩散硅传感器。所有水位数据均在潜水泵吸口直径30 cm范围内测量，测试前先手动排除机舱水，使水位低于5 cm。第一次测试设置上、下限水位分别为25 cm和5 cm。间隔2 h后进行第二次测试，设置上限水位35 cm，下限水位10 cm，测试结果见表1。

表1 桂合渔23009机舱水位测试情况表

表2 故障测试

3.2 测试分析

试验主要的目的是检验水位自动监控系统的可靠性和精确性。根据船舶渗漏情况和机舱结构，设置水位监测的最高水位和最低水位，模拟人工排水习惯，由液位传感器检测到机舱水位并把液位信息输送给MCU，由MCU控制水泵进行自动排水。2次测试，每次设置的排水上下限不一样，均能按预定设置排水，开放性的设置功能，提高了系统的适用性。测试结果见表2。

4 结论

未采用本系统之前，“桂合渔23009”需要1 h人工排水1次，经常因为遗忘造成不同程度的损失。本系统的应用能在驾驶舱内实时监测到机舱水位的情况，驾驶员根据渔船机舱的结构特点设置排水上下限即可，当水位达到系统设定的阀值时，单片机启动水泵进行自动排水。系统设置有故障报警功能，当水泵出现故障或排水发生异常时能够及时发现，避免水位过高烧毁柴油机等机舱设备。因机舱结构复杂，仅靠水位传感器测量远远不够，还需要把可视化扩展到本系统中，进一步提高系统可靠性。