船舶柴油机工况监视器的设计

楼然苗

(浙江海洋学院机电工程学院，浙江舟山 316004)

柴油机作为航船的主要动力设备，其运行安全具有至关重要的地位。一般航船柴油机安装在底仓位置，通风条件不是很好，特别是夏季，机仓内温度较高，如果冷却水系统故障或性能不良，会造成柴油机由于机温过高而损坏或性能下降。柴油机运行时的温度、转速、机油压力等都是轮机人员最关心的信息，直接影响着柴油机的稳定运行。柴油机工况监视器采用单片机实时采集柴油机工作时的温度、转速、油压等关键参数，用LCD液晶显示器直观显示出来，可方便轮机员进行操作控制，保障航行安全。

1 系统设计方案

1.1 主系统模块设计方案

考虑到主系统模块要显示柴油机的温度、转速、压力等信息，决定采用中文液晶显示器JXD12864F，它是一种自带8 192个汉字库和128个ASCII字符集图形的点阵液晶显示器，可作图形显示，也可以显示4行×7.5个(16×16点阵)中文汉字。温度传感器采用数字温度传感器DS18B20，转速检测采用霍尔集成电路，压力检测采用US300系列超稳压力传感器，使用不锈钢隔离式小型结构，具有较宽的量程范围和多种输出信号。处理器采用宏晶公司的STC系列单片机，内带模数转换器，可进行在线程序烧录，其丰富的内部资源为应用提供了优质廉价的设计方案。主系统模块组成框图如图1所示。

1.2 从系统模块设计方案

从系统模块用于驾驶室船长的使用，除省略了传感器检测电路外，其组成与主系统模块一样，其组成框图如图2所示。

1.3 无线通信方案

为了增加无线数据通信的可靠性，采用了微功率无线数传模块JZ871，它是一种短距离的无线数据传输模块，标准配置提供8个信道，体积小、功耗低、稳定性及可靠性极高，可方便地进行双向的数据传输。主要性能指标为：发射功率100 mW；工作频率433 MHz；直线传输距离大于800 m。

图1 主系统模块设计框图Fig.1 The design block diagram of main system module

图2 从系统模块设计框图Fig.2 The design block diagram of slave system module

2 电路原理与设计分析

2.1 主系统模块电路

主系统模块电路如图3所示。处理器采用了40脚的塑封单片机STC12C5A16S2，P0口接8位的拨码开关，用于设定与从系统模块的地址配对，可设定地址范围在0～255(十进制数)之间选择，在主从系统工作时，从系统的地址与主系统设定地址需要相同才会正常工作。P1口的第1脚及第2脚用于压力传感器输出的模数转换，传感器选用美国精量电子公司的US300系列，测量范围选2×106Pa。第3脚及第4脚用于温度传感器的温度数据收发，温度传感器采用美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式，最大分辨率为0.062 5℃，精度可做到0.5℃以内。第7脚及第8脚用于报警时的发光指示及发声控制。霍尔传感器与安装在柴油机转轴盘上的磁钢接近时会输出一个低电平信号，此低电平信号接到单片机的外中断输入口(第12脚)，通过定时器测出1 s内输入的低电平脉冲个数就可算出柴油机的转速。液晶显示器采用JXD12864F，使用串行连接方式，8根连接线分别为：背光灯地、背光灯正电源、片选、数据口、时钟、液晶对比度、正电源、地线。背光灯在使用时由单片机P2.4控制，低电平时三极管导通，背光灯供电发亮。电位器用于控制液晶屏的对比度，一般电压在3～4.5 V。复位电路采用RC上电复位，晶振采用12 MHz，以便于精确定时。

图3 主系统模块控制电路原理图Fig.3 The circuit schematic diagram of main system module control

2.2 从系统模块电路

从系统模块电路与主系统模块电路相比，省略了测温、测压、测速传感器电路，其余电路组成与主系统模块相同。从系统模块电路只接收主系统模块发送的柴油机参数，当运行参数异常时也能声光报警，一般安装在驾驶室供船长使用。使用时其地址拨码开关位置必须与主系统模块的拨码开关位置一致，否则会收不到数据。

2.3 无线通信协议

由于采用数字通讯方式，本方案利用单片机的串行通讯模式，再通过JZ871无线数传模块完成数据的接收与发送，为了主从数据传送的单一性与可靠性，在相互传送中应约定信息的交换格式，主要的发送要求如下：

(1)主从系统模块数据发送协议

主系统模块可独立工作，而从系统工作时需要设定与主系统模块一致的地址码，主系统模块平时不主动发信息数据，当收到从系统模块发出的数据传送命令时，首先进行地址码的对比，如收到的地址码与本机一致，则发一帧信息数据。从系统模块工作时，只有发一条命令才能接收一帧对应地址的信息数据，收到的信息必须进行地址的校对。

(2)发送数据帧格式

1)主系统模块发送的数据帧格式

主系统模块发送的信息有温度、转速、压力等。数据格式采用10位字节帧，如传送的信息增多，可增加帧字节数。主系统模块发送的信息帧格式见表1。其中AAH是头标志，BBH是结束标志，中间数据分别为：温度1、温度2、压力1、压力2、转速高位、转速低位、地址代码(值为00H到FFH)、直接发送标志(表中00H是代表直接发回，转发标志这里没有用到)。

表1 主系统模块发送的信息帧格式表Tab.1 The message frame table of main system module transmit

2)从系统模块发送的数据帧格式

从系统模块发的都是命令帧，主要是对与自己地址码相同的主系统模块发命令。数据格式为5字节一帧，从系统模块发送命令帧格式见表2。其中CCH、DDH是头标志及结束标志，地址码是00H到FFH的十六进制数，用拨码开关控制，标志字节代表直接传送还是转发传送。

表2 从系统模块发送命令帧格式Tab.2 The transmit message frame form of slavesystem module

(3)单片机数据发送协议

单片机采用串行口异步通讯协议，波特率选定为9 600。柴油机运行信息一般每秒刷新一次就足够了，降低波特率可以提高数据传送的可靠性。

3 程序设计与分析

3.1 主从系统主程序设计

图4与图5分别是主从系统模块的主程序流程图。

图4 主系统模块主程序流程图Fig.4 The main program flow diagram of main system module

图5 从系统模块主程序流程图Fig.5 The main program flow diagram of slave system module

3.2 主系统模块主要程序设计

3.2.1 温度读出程序

温度读出程序的主要功能是读出DS18B20中的9个RAM字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。DS18B20采用默认12位温度数据格式时，每转换一次需要约750 ms时间，因此程序中采用了1 s的定时器，每隔1 s向温度传感器读一次温度数据。

3.2.2 转速计算程序

柴油机转轴盘上的小磁钢片在转动接近霍尔传感器时，会使霍尔传感器输出一个低电平信号脉冲，单片机每隔1 s通过读取中断计数器中的脉冲个数，就可计算出每分钟柴油机的转速大小。在柴油机转盘上对称地安装多颗磁钢片，可提高低速时的测速精度。

3.2.3 压力计算程序

宏晶公司的STC12C5A16S2单片机内部具有8路的10位AD转换器，主程序中每隔1 s对两路压力传感器送入的模拟电压进行模数转换，根据数据的大小换算成相应的压力值。

3.2.4 液晶显示程序

液晶显示器采用串行数据接口，JXD12864F液晶可显示4行中文汉字，每行7个，信息显示安排为：第一行显示设备名称，第二行显示温度，第三行显示压力，第四行显示转速。数据信息采用1 s定时刷新。

4 调试

程序调试采用先子程序后联调的办法，JZ871通讯模块先用单字节数据传送测试，成功后再调帧传送功能是否正常。温度测量、压力测量、转速测量子程序功能经一一调试正常后再在主程序中运行。调试程序时可利用电路板上的小指示灯，以确定程序运行到的位置。调试好的柴油机工况监视器主要指标为：

(1)2路温度监测,范围为-50～125 ℃；

(2)转速测量范围为0～4 000 r/min；

(3)2 路压力监测,范围为 1.013×105～2.026×106Pa。

5 小结

柴油机工况主从系统监视器对船舶动力的安全监控提供了一种较好的工具，随着生产技术的进步发展，未来可在柴油机原厂生产中结合油气控制、变速器控制等自动化控制技术集成应用，使船舶柴油机成为一台机电一体化的全自动化控制的动力设备。

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