基于单片机的船舶柴油机安保系统设计及实现

朱学文

应用研究

基于单片机的船舶柴油机安保系统设计及实现

朱学文

（安徽省淮河船舶检验局，安徽蚌埠 233000）

基于单片机设计一款柴油机安保系统，主要包含温度传感器模块、速度传感器模块、压力传感器模块、按键模块、单片机控制模块、LCD1602显示模块、蜂鸣器模块、驱动模块、报警灯模块、步进电机模块。该系统通过温度传感器模块感知温度，速度传感器模块采集速度，压力传感器模块收集滑油压力传输到单片机，显示在LCD1602显示模块上，当检测到的参数达到设定警报值时发出停机指令。通过Proteus平台仿真和实物测试验证了系统的可靠性、稳定性。

单片机 船舶柴油机 安保系统

0 引言

当前，我国最普遍使用的船舶主机是船舶柴油机[1]。海上高盐度、高湿度、颠簸的工作环境，使得船舶设备发生故障的几率大增，特别是作为船舶主动力的柴油机，系统较为复杂，一旦出现致命故障，当班人员处理不够及时，容易导致船舶瘫痪，极大程度影响船舶与人员安全[2]。船舶柴油机安保系统就是基于此来保护船舶与人员的安全。

通过柴油机实验台架或实船运行获取故障状态下船舶柴油机运行数据有实验成本高、部分参数无法获取等劣势，因此必须依赖对柴油机故障的仿真数值计算[3]。利用Keil5编码软件与Proteus仿真软件建立柴油机仿真模型，通过模拟获取在多种工况下运行的参数，并通过实物系统验证其准确性[4]。

1 整体设计

该系统主要的输入输出模块示意图如图1所示。其中，单片机型号为AT89C52系列的STM32F103ZET6。该电路具有较好的集成度和可靠性，能够满足整个系统运行要求[5]。经过实验验证，本课题提出的方案正确有效。本次系统的运行方式分为以下几个步骤进行。首先打开电源开关，各个模块进行初始化，外部的速度传感器进行转速的采集、温度传感器采集温度、压力传感器采集滑油压力之后将通过控制总线输入单片机，完成外部压力、速度、温度的收集；然后，由单片机分析和处理接收到的温度数据。温度、压力和速度信息在驱动显示模块中显示。最后，将当前环境压力、温度和速度值与外部输入键盘设定的值进行比较。当环境温度和速度高于设定值或滑油压力低于设定值时，就会触发报警装置。

图1 系统整体构成图

2 硬件及仿真电路设计

2.1 温度传感器模块

DS18B20是该系统中使用的传感器类型。控制命令和数据以数字信号的形式输入和输出，与模拟温度传感器相比，DS18B20功能强大，硬件简单，易扩展和抗干扰性。因此，在一些需要高精度测量或特殊环境条件下工作的场合，DS18B20将得到广泛地应用。

本次仿真检测采用DS18B20温度传感器，用于船舶柴油机推力推力轴承温度传感器采集，如图2所示。该线路有两个输出端，分别为A、B端，其中一个输出端与单片机相连，另一个输出端与报警器相连接。直接调整DS18B20温度传感器的值可改变对单片机的输入，从而触发对报警系统的模拟。

图2 温度传感器电路

2.2 速度传感器模块

霍尔速度传感器具有输出信号稳定、使用方便、电磁干扰力强、频率响应迅速等优点，广泛应用于各种机械设备中，如工业控制装置、数控机床、精密仪器仪表等。随着现代科学技术的发展，霍尔速度传感器已成为一种不可替代的高精度测速工具。

速度模拟电路用于模拟船舶柴油机的转速，本系统的速度传感器原打算使用霍尔传感器，但Proteus软件没有，所以采用了脉冲电路模拟。设置三个值：30 khz、60 khz和95 khz。当检测到一个值的时候就把它输出给单片机，单片机根据该结果来控制电机转动方向和大小。另外，还可以通过按键选择不同的频率对电动机进行调速。如图3所示。

图3 速度模拟电路图

2.3 压力传感器模块

压力传感器是一种压力采集装置，它能将压力信号转换为可用的电信号输出。信号处理元件和压力敏感器件组成了压力传感器。在现代工业中，压力传感器已被广泛地应用于各种测量场合中。根据试验压力类型的不同，压力传感器的组成为绝压传感器、表压传感器压力传感器和差压传感器。

压力传感器采用滑动变阻器来测量船舶柴油机的滑油压力，如图4所示。改变滑动电阻的电阻值以模拟压力值的变化。这里需要使用ADC0832芯片进行模拟量与数字量转换。在实际应用时可根据不同情况选择合适的型号，如选用电阻应变式或电容式等类型。电阻值通过ADC0832芯片从模拟量转换为数字信号，然后在显示器上显示电阻值之前，将压力传输给单片机的微型计算机进行有条件的判断。

图4 压力传感器电路图

2.4 单片机控制模块

如图5所示，本文所使用的单片机最小系统为AT89C52系列芯片，在Proteus中使用51系列单片机时，需要额外晶振。如果不加的话会造成浪费和不便。为了解决这一问题，设计了一款带晶振和外扩功能的单片机最小系统。I/O接口有四组，每组8个I/O接口，在I/O接口不足的情况下，可以使用74系列逻辑芯片来实现I/O口的扩展。

2.5 其他模块

除此之外，整个系统还包括显示模块、驱动电源模块、蜂鸣器模块、步进电机等模块，限于篇幅，在此就不一一赘述。最终整体电路图如图6所示。

图5 单片机最小系统电路

图6 整体电路图

3 仿真模拟

3.1 模拟步骤

将预先编辑好的程序导入单片机最小系统，点击开始仿真，LCD1602显示每个参数的值，电机开始旋转。其中DS18B20温度传感器用于对环境温度的测量；而压力传感器用于对滑油压力的测量；转速模拟电路用来测量步进电动机在不同时刻的转速。三个参数的设定值由按键电路调节。通过设置键来选择要调整的参数，然后使用加减键进行数值调节。第一次按下设置键调节参数为温度上限值，第二次按下为设置键调节参数为温度下限值，第三次按下设置键调节参数为速度上限值，第四次按下设置键调节参数为压力下限值。之后再次按下设置键又是一次循环。

3.2 模拟结果

在对设定值进行调整后，各参数的实际值发生了变化。温度参数的实际值高于或低于设定值，温度报警灯打开，蜂鸣器响，电机停止工作。当速度参数的实际值高于设置值时，打开速度报警灯，蜂鸣器鸣响，电机停止运行。当压力参数的实际值低于设置值时，压力报警灯打开，蜂鸣器鸣响，电机停止工作。

4 硬件测试

根据系统硬件的模块组成，以现有的最小系统为基础，将所需的模块焊接在最小系统电路板上，最终形成如图7所示的硬件成品。

将各模块通过相应的线路连接好，打开电源供电，代表柴油机的小马达开始运转。LCD1602显示屏点亮，首先默认显示温度模块输送过来的实际温度值，可通过设置的切换键使其轮流显示温度值、滑油压力值和转速值。以温度检测为例，通过按键进行温度设定值的调节，将温度设定值调节到比房间的实际温度高几度，之后用手按住DS18B20温度传感器如图所示，这时温度传感器检测到的温度大于之前房间内温度，屏幕上的数值开始上升，当实际数值大于设定数值时，蜂鸣器响，电机停止转动，并在显示器上显示“H”的警报信号。如图8所示。

测试结果表明，本文所设计的安保系统能实现柴油机滑油压力低、推力轴承温度高和转速超高时的停车保护功能。

图7 系统实物图

图8 温度过高报警图

5 结语

本次设计的船舶柴油机安保系统是基于C51单片机设计的。系统通过DS18B20收集温度数据，扩散硅压力传感器收集压力信号，霍尔传感器收集船舶柴油机的转速，之后将这些数值传输到单片机上进行处理数据，传输到显示屏上显示数据。

通过实物测试和仿真运行，验证了系统的可行性和正确性。Proteus的仿真为后续实际中船舶柴油机安保系统设计提供了理论支持，缩短了系统的开发时间，降低了成本。同时本次设计对实际生活中船舶柴发机组安保系统具有一定的参考借鉴意义。

[1] 李小波, 王源, 赵天翔, 王文杰. 某型船用柴油机超速保护装置典型故障分析[J]. 设备管理与维修, 2021(05): 44-45.

[2] 刘洋铭. 船舶柴油机技术发展现状与趋势探索[J]. 内燃机与配件, 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] 张洁, 何文涛, 刘亚. 集成多种PWM调制的直流无刷电机控制系统设计[J]. 电子设计工程, 2022, 30(01): 61-65+70.

[5] 沈敏, 张静, 张汝峰, 郭宝军. 单片机原理及应用系统思维教学[J]. 电子世界, 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

朱学文（1983-），男，工程师。主要研究方向为轮机故障诊断、轮机自动控制与设计。