摘 要:根據(jù)鍋爐水位計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與沖洗操作程序，通過(guò)單片機(jī)、電磁閥、液晶顯示、溫度傳感器等自動(dòng)控制器件電路的設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)有鍋爐手動(dòng)沖洗水位計(jì)進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造，從可靠性、實(shí)用性、易用性等原則出發(fā)，設(shè)計(jì)出一種自動(dòng)定時(shí)沖洗水位計(jì)，用以減少船舶輪機(jī)員的工作量，保障操作人員安全。

    為了保證鍋爐安全運(yùn)行，每天要按照要求對(duì)水位計(jì)進(jìn)行沖洗，這增加了輪機(jī)員工作量并存在被高溫燙傷的風(fēng)險(xiǎn)，而設(shè)計(jì)人員的研究方向主要在水位計(jì)的結(jié)構(gòu)、材料、安裝工藝、沖洗方法上，關(guān)于能夠自動(dòng)沖洗水位計(jì)，目前未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道［1-2］ ，所以，目前船用市場(chǎng)上的鍋爐水位計(jì)幾乎全部為手動(dòng)沖洗形式。

    為此，考慮設(shè)計(jì)一種以單片機(jī)為控制核心的自動(dòng)沖洗水位計(jì)，用于替換當(dāng)前船舶鍋爐水位計(jì)，可以應(yīng)用在船舶鍋爐生產(chǎn)廠家的新鍋爐上，也可應(yīng)用在現(xiàn)有船舶鍋爐上。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1． 1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)主要由單片機(jī)zui小系統(tǒng)、檢測(cè)傳感器、電磁閥驅(qū)動(dòng)、時(shí)間顯示、聲光報(bào)警、串口通信等電路及軟件組成［3］ 。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖見(jiàn)圖 1，單片機(jī)為系統(tǒng)控制的中樞，主要完成數(shù)據(jù)的運(yùn)算與控制信號(hào)的發(fā)送，LCD 顯示器用來(lái)顯示定時(shí)時(shí)間與溫度，主要完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示。檢測(cè)傳感器主要用來(lái)檢測(cè)沖洗管路的溫度，以確定系統(tǒng)的控制功能是否按要求完成。按鍵主要用來(lái)輸入定時(shí)數(shù)據(jù)，也可以對(duì)輸入的定時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，這些參數(shù)都將在顯示器上顯示，輪機(jī)員可以通過(guò)此進(jìn)行觀察，掌握沖洗時(shí)間并根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行修訂，完成人機(jī)交互。

    通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)功能可以準(zhǔn)確地完成水位計(jì)的沖洗，單片機(jī)的引腳電平高低的變化控制驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)此來(lái)按照順序開(kāi)啟電磁閥，實(shí)現(xiàn)利用鍋爐內(nèi)部的原有蒸汽或者水壓對(duì)水位計(jì)進(jìn)行定時(shí)程序沖洗，沖洗的成功與否，可通過(guò)溫度檢測(cè)元件進(jìn)行反饋判斷［4］ 。如果沖洗過(guò)程中溫度檢測(cè)有溫升，說(shuō)明一切正常，如果沖洗過(guò)程中沒(méi)有檢測(cè)到溫升的信號(hào)，內(nèi)部程序?qū)⑦M(jìn)行一次復(fù)位后重新沖洗，如果再一次沖洗還沒(méi)有檢測(cè)到溫升信號(hào)則發(fā)出報(bào)警，沖洗失敗。

1． 2 水位計(jì)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

    自動(dòng)沖洗水位計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖 2，可在原來(lái)的基礎(chǔ)上改進(jìn)。蒸汽沖洗電磁閥 D1 安裝在玻璃管與通氣閥的連接管路;熱水沖洗電磁閥 D2安裝在玻璃管與通水閥的連接管路;沖洗電磁閥D3 安裝在沖洗管路上。保留水位計(jì)上原所有的閥門(mén)，在進(jìn)行電磁閥更換工作時(shí)，可以通過(guò)關(guān)閉通氣閥 S1、通水閥 S2 等操作，保證鍋爐內(nèi)的汽水不會(huì)外溢，使操作可以在不停爐的情況下進(jìn)行 ［5］ 。在沖洗管路的末端安裝傳感器檢測(cè)沖洗是否成功，沖洗成功時(shí)，鍋爐內(nèi)部的蒸汽或熱水會(huì)沿著

    沖洗管路將熱量傳遞給溫度傳感器，溫度傳感器檢測(cè)到溫升信號(hào);沖洗不成功，10 s 后溫度沒(méi)有變化，系統(tǒng)將根據(jù)程序重新沖洗水位計(jì)，如果傳感器還沒(méi)有檢測(cè)到溫升信號(hào)則發(fā)出警報(bào)。

1． 3 控制面板外形設(shè)計(jì)

    控制模塊、顯示模塊、手自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊可以與鍋爐的控制箱進(jìn)行融合，使輪機(jī)員的操作更加方便。面板的正面有控制旋鈕，其主要作用為選擇控制方式。液晶顯示屏可以隨時(shí)顯示定時(shí)狀態(tài)、計(jì)時(shí)時(shí)間等內(nèi)容，第二行可以顯示傳感器感受的溫度。底行為按鈕:1 ～6，每一個(gè)按鈕都有相應(yīng)的功能，主要為修改定時(shí)時(shí)間，報(bào)警消音與復(fù)位等。按鈕布局合理、大小適中，方便輪機(jī)員操作?？刂泼姘宓闹饕涌谝呀?jīng)在圖中標(biāo)出，在所有的接口中有一個(gè)預(yù)留接口，方便以后增加其他功能時(shí)使用。

    控制面板的設(shè)計(jì)只需對(duì)現(xiàn)有鍋爐控制箱進(jìn)行較小的改動(dòng)即可，控制面板所占面積小，操作簡(jiǎn)單，接線方便，接口少，為船舶的輪機(jī)員提供了更好的操作界面與簡(jiǎn)單的操作方法。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2． 1 單片機(jī)設(shè)計(jì)

    AT89C51 是一種使用較廣泛的電子芯片。該芯片經(jīng)濟(jì)環(huán)保、性能優(yōu)良，其可編程的 Flash 存儲(chǔ)器為 4 k，8 位的 CPU，在指令與引腳方面可以與工業(yè) 80 C51 完全兼容?？梢詾榭刂葡到y(tǒng)提供高精度的控制方案［6］ 。AT89C51 性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

    因設(shè)計(jì)要完成控制、顯示、參數(shù)輸入、通信等功能，所以根據(jù)以上需求選用單片機(jī)的引腳數(shù)為40 個(gè)，其引腳數(shù)可以滿足所有功能的可靠實(shí)施。圖 3 所示為 AT89C51 的封裝與引腳。

2． 2 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

    電磁閥為裝置的主要執(zhí)行元件，由于該設(shè)計(jì)的控制流體為高溫蒸汽與熱水，所以采用不銹鋼閥體、耐高溫密封的電磁閥［7］ 。直流驅(qū)動(dòng)電路見(jiàn)圖 4，與單片機(jī)引腳的接口分別為 P1． 6、P1． 7、P2． 6，12 V 直流供電，通徑采用 20 mm 的管路，以保障足夠的沖洗效果。電磁閥的啟閉狀態(tài)可以通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的程序得到。

2． 3 顯示器設(shè)計(jì)

    采用了一種功耗低、硬件電路與驅(qū)動(dòng)方法簡(jiǎn)單的液晶顯示器。使用的是 LCD1602，其能夠同時(shí)顯示字符的個(gè)數(shù)為 16 × 02 個(gè)，可以清楚地顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等。該模塊的引腳共有 14 個(gè)，見(jiàn)圖 5。另外還有 2 個(gè)引腳未標(biāo)出，主要作用為提供背光［8］ 。各個(gè)引腳接口見(jiàn)表 2，背光引腳沒(méi)有在上面標(biāo)出。LCD1602 主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 3。

    設(shè)計(jì)的 LCD 模塊有8 個(gè) DateI/ O 口，即 D0 ～D7 口。這 8 個(gè) DateI/ O 口與單片機(jī)的 P0． 0 ～P0．7 口相連接。為了實(shí)現(xiàn)上拉加裝一個(gè)10 kΩ的排阻，在圖 5 中的 LMO16 L 中沒(méi)有 BLA 與BLK 口，這兩個(gè)背光源只要接通合適的電源即可，一般的調(diào)節(jié)是通過(guò)手動(dòng)進(jìn)行的。LCD 液晶的顯示界面一般分為兩行，上面一行顯示定時(shí)時(shí)間，下面一行顯示當(dāng)前的溫度傳感器接受的溫度情況。

2． 4 傳感器設(shè)計(jì)

    DS1820 溫度傳感器與單片機(jī)之間通過(guò)一根總線相連接，所有信號(hào)通過(guò)此線進(jìn)行傳送，實(shí)現(xiàn)參數(shù)轉(zhuǎn)換的電源也通過(guò)數(shù)據(jù)線提供，不需要單獨(dú)設(shè)置。報(bào)警值可調(diào)，9 位溫度讀數(shù)顯示測(cè)量溫度。溫度傳感器的性能特點(diǎn)見(jiàn)表 4。

    DS1820 溫度傳感器主要有 6 部分組成，包括校驗(yàn)碼發(fā)生器、高速暫存器、觸發(fā)器 TH 和 TL、寄生電路、ＲOM 單線接口、溫度傳感器，其中每一部分都有相應(yīng)的作用［9］ 。DS1820 溫度與數(shù)據(jù)關(guān)系見(jiàn)表 5，DS1820 的管腳排列見(jiàn)圖 6。

    DS1820 以 64 位 ＲOM 及環(huán)線接口為中心，外圍包含 I/O 口、存儲(chǔ)與控制邏輯、暫存寄存器、8位 CＲC 發(fā)生器、溫度傳感器、上限 TH 和下限 TL。

    DS1820 溫度傳感器的應(yīng)用十分靈活，其連接距離長(zhǎng)，相互干擾少，可以實(shí)施遠(yuǎn)距離測(cè)量，本設(shè)計(jì)只需 1 只就可以滿足檢測(cè)要求。采用寄生電容供電的溫度檢測(cè)系統(tǒng)見(jiàn)圖 7。其中 P2． 1 做輸出口用，相當(dāng)于 TX;P2． 2 做輸入口用，相當(dāng)于 ＲX。

2． 5 按鍵電路設(shè)計(jì)

    按鍵為參數(shù)輸入模塊，功能設(shè)計(jì)主要是完成對(duì)系統(tǒng)的設(shè)定，包括定時(shí)時(shí)間、警報(bào)確認(rèn)等，通過(guò)輸入時(shí)間參數(shù)來(lái)更改水位計(jì)的時(shí)間設(shè)定。鍋爐水位計(jì)的沖洗并不是一成不變的，輪機(jī)員可以根據(jù)所掌握的內(nèi)容，如水質(zhì)的情況，工作狀態(tài)等，適當(dāng)對(duì)沖洗時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)的按鍵尺寸為 6 ×6 ×4 mm，按鍵個(gè)數(shù)為 6，其大小恰當(dāng)，方便人員按壓操作，且不會(huì)影響其他按鍵。其中 Ｒ3 － Ｒ7 為阻值 10 kΩ 的外接上拉電阻，按鍵按下與跳起分別對(duì)應(yīng)接口的低電平與高電平［10］ 。在連接方面直接與 AT89C51 的 I/O 口連接，電路簡(jiǎn)單，沒(méi)有中間環(huán)節(jié)，保證設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。各功能鍵功能見(jiàn)表 6，按鍵的連接電路見(jiàn)圖 8。

2． 6 語(yǔ)音報(bào)警

    自帶報(bào)警模塊，聲音報(bào)警由蜂鳴器完成，發(fā)光報(bào)警由晶閘管完成。該報(bào)警裝置的工作分為兩個(gè)階段:第一階段為水位計(jì)正常工作階段，此時(shí)汽沖、水沖電磁閥均處于打開(kāi)狀態(tài)，沖洗電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，如果傳感器檢測(cè)到有溫升信號(hào)，則說(shuō)明沖洗電磁閥泄漏，發(fā)出報(bào)警:第二階段為水位計(jì)沖洗階段，在沖洗水位計(jì)時(shí)，汽沖、水沖、沖洗電磁閥按照順序開(kāi)關(guān)，如果溫度傳感器檢測(cè)不到溫升信號(hào)，則說(shuō)明沖洗失敗，發(fā)出警報(bào)。該警報(bào)是水位計(jì)沖洗失敗警報(bào)，給輪機(jī)員預(yù)警。該報(bào)警裝置的觸發(fā)通過(guò) P2． 7 口的電平?jīng)Q定，發(fā)光二極管與蜂鳴器單線連接，報(bào)警時(shí)同時(shí)發(fā)出。報(bào)警的電路模塊設(shè)計(jì)見(jiàn)圖 9。

2． 7 上位機(jī)通信設(shè)計(jì)

    采用串行通信方式完成機(jī)旁設(shè)備與 PC 機(jī)的通信，通過(guò)所選單片機(jī)內(nèi)部的 UAＲT 來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了保證有效的通信，選用了 MAX232 電平轉(zhuǎn)換芯片來(lái)保證更加有效可靠的通信;為了保證通信距離的長(zhǎng)度，通過(guò) ＲS-232 提高信號(hào)的幅度。上位機(jī)通信電路見(jiàn)圖 10。輪機(jī)員可以在集控室對(duì)水位計(jì)的沖洗定時(shí)，溫度檢測(cè)值進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與遙控，這樣可以減少輪機(jī)員在機(jī)艙巡視的時(shí)間，降低工作強(qiáng)度。

3 主程序流程

    本設(shè)計(jì)主程序能使系統(tǒng)控制得更加準(zhǔn)確、更加合理、更加智能，主程序流程圖見(jiàn)圖 11。水位計(jì)沖洗程序按照開(kāi)始-初始化-定義變量-開(kāi)始沖洗-檢測(cè)的順序執(zhí)行，內(nèi)部程序通過(guò)單片機(jī)發(fā)出指令控制電磁閥的啟閉。當(dāng)?shù)谝淮螞_洗指令發(fā)出后，通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)沖洗管路的溫升情況來(lái)判斷是否沖洗成功。當(dāng)按照沖洗程序完成水位計(jì)沖洗后，沖洗時(shí)間開(kāi)始自動(dòng)計(jì)時(shí)，到下一次沖洗定時(shí)時(shí)間后重新開(kāi)始沖洗程序。如果沖洗定時(shí)需修變，可以在控制面板上通過(guò)按鈕進(jìn)行。若想將水位計(jì)自動(dòng)沖洗改變?yōu)槭謩?dòng)沖洗，只需要將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)至手動(dòng)位置即可。若此時(shí)立刻進(jìn)行水位計(jì)沖洗，則不需考慮定時(shí)。當(dāng)手動(dòng)將水位計(jì)沖洗完成后，外部中斷結(jié)束，系統(tǒng)又開(kāi)始沖洗定時(shí)，進(jìn)行下一次的沖洗準(zhǔn)備［11-12］ 。

4 結(jié)論

    通過(guò)對(duì)鍋爐自動(dòng)沖洗水位計(jì)的器件選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件流程設(shè)計(jì)等，很好地實(shí)現(xiàn)了水位計(jì)自動(dòng)定時(shí)沖洗功能，可廣泛應(yīng)用于船舶鍋爐上。與在水位計(jì)的結(jié)構(gòu)、材料、安裝位置等方面進(jìn)行改進(jìn)相比，本文注重對(duì)水位計(jì)自動(dòng)控制上的改進(jìn)，以此來(lái)解決輪機(jī)員工作過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作安強(qiáng)性低、容易出現(xiàn)事故等問(wèn)題。綜上，本研究成果可極大地改善船舶水位計(jì)操作人員的工作環(huán)境，保障操作人員的安全，降低工作強(qiáng)度，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

    本文的研究還可以向智能控制方向發(fā)展，增加智能控制部分，使水位計(jì)的沖洗動(dòng)作根據(jù)鍋爐水位情況自動(dòng)改變，減少人員的參與，減少工作量保障安全。