电气工程及其自动化毕业设计：船舶柴油机燃油消耗智能监测系统的设计.doc

1、 本科 毕业设计 船舶柴油机燃油消耗智能监测系统的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 近年国际燃油价格不断攀升，而我国对船舶燃油需求日益提高，船舶运输的油耗成本不断提高，严重影响运输业的发展。面对石油等不可再生能源的日 渐枯竭，如何有效和节约利用燃油具有深远的意义。 船舶柴油机燃油消耗智能监测系统 主要对船舶柴油机燃油消耗情况进行及时有效的测量和统计，使船舶工作人员能第一时间掌握船舶燃油消耗情况，不仅可以了解船舶的运行状况，减少不必要的燃油消耗，更重要的是方便公司对于船舶燃油使用的控制和管理。 本文首先介绍了国内外船舶柴油机

2、燃油消耗智能监测系统的现状。以监测油耗为中心，主要采用单片电路，外加电流 /电压转换电路、电阻 /电压转换电路、电压模拟量 /数字量转换电路、光电隔离电路、模拟开关、数据存储芯片、系统电源等主要模块构成整个监测 系统。从而完成了船舶柴油机燃油消耗智能监测系统的设计。 关键词 ： 船舶；柴油机；油耗；智能监测 II Abstract In recent years, international oil prices continue to rise. But the demand for ship fuel is increasing in China. Ship fuel transporta

3、tion costs continue to increase, seriously affecting the transport industry. The face of oil and other non-renewable energy resources depleting how effective and economical use of fuel has far-reaching significance Intelligent monitoring of marine diesel fuel consumption of marine diesel engine syst

4、em is mainly to conduct timely and effective fuel consumption measurement and statistics to make the ship staff to ship the first time to master the fuel consumption. Not only learn about the operational status of the ship to reduce unnecessary fuel consumption, more importantly, enable a company to

5、 ship oil to use for the control and management. This paper introduces the domestic and international marine diesel engine fuel consumption status of intelligent monitoring system. To monitor the fuel consump tion as the center, mainly monolithic, plus the current / voltage conversion circuit, the r

6、esistance / voltage conversion circuit, the voltage analog / digital conversion circuits, optical isolation circuits, analog switches, data storage chips, system power and other major modules Constitute the entire monitoring system， thus completing the marine diesel engine fuel consumption monitorin

7、g system for intelligent design. Keywords: Ship; Marine Diesel Engine; Fuel consumption; Intelligent monitoring III 目录 摘要 . I 第 1 章 绪论 .1 1.1 选题的背景及意义 .1 1.2 燃油消耗智能监控系统的国内外研究现状 .1 1.3 本文的主要研究内容 .2 第 2 章 柴油机燃油消耗智能监测系统的总体设计 .3 2.1 系统的设计思想 .3 2.2 船舶燃油消耗的智能监测方法 .3 第 3 章 船舶柴油机燃油消耗智能监测系统的硬件设计 .5 3.1 系统整体框

8、图 .5 3.2 传感器的选择 .5 3.3 信号的采集及测量 . 11 3.4 A/D 转化电路 . 11 3.5 开关电路 . 14 3.6 单片机电路 . 15 3.7 显示电路 . 16 3.8 通讯电路 . 18 第 4 章 柴油机燃油消耗智能监测系统的软件设计 . 19 4.1 系统软件的整体设计 . 19 4.2 A/D 转换模块 . 20 4.3 按键软件的模块设计 . 21 4.4 显示模块的软件设计 . 22 总结与展望 . 23 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 241 第 1 章 绪论 1.1 选题的背景及意义 船舶柴油机在工作的时候瞬时油耗量很难测量，一般

9、人们只是大概估计航行的平均油耗量，不能时刻通过定量的方法来判断柴油机是否处于正常运行状态。船舶柴油机 是船舶的动力心脏，其安全稳定的运行是保证船舶航运安全的关键，如果柴油机长期处于低负荷运行会使燃烧状态恶化，这对柴油机的动力性、经济性可能影响很大。随着社会的发展，航运量的增加，船舶的航行安全变得更加至关重要。 2006 年发生五星旗运输船舶水上交通事故 440 件，死亡 376 人，沉船 250 艘，直接经济损失 4.43 亿元。加强安全技术研究，提高船舶运输安全势在必行。因此燃油消耗智能监测走向数字化、信息化、网络化、智能化是刻不容缓的事，是前进的需要，是亟待解决的一个问题 。 课题研究的船

10、舶柴油机油耗智能监测系统是实现对船舶 燃油消耗精确控制的手段，通过对船舶柴油机燃油消耗的监测，可以及时了解和掌握船舶航行期间在各种不同航行状况下的燃油消耗量，实现分析的数字化，油耗统计。这不仅可以为船舶优化操纵软件的研发提供依据，还可以为船舶提供优化节能的操纵指南。 随着科学技术的进步，各类智能油耗系统将不断地日新月异，逐渐出现并走向成熟。研究船舶燃油消耗智能监测系统具有重要意义，其应用前景广泛。研制的船舶燃油油耗智能型监测系统能够实现其主要功能，设计精度基本上能满足要求。通过试验分析，油耗监测系统所采用的理论具有可行性，根据具体情况对理论模型 进行了修正，从而提高了油耗监测精度。今后还将在油

11、耗监测的影响因素上采取措施，以便进一步提高其测试精度。 1.2 燃油消耗智能监控系统的国内外研究现状 目前，国外船舶工业发达国家更加重视环保与节能，其船舶油耗监测技术较先进，投入的人力和财力也较多，并采用了传感技术和微电脑技术，开发研制智能型油耗监测装置。其功能、测试项目、精度、显示方式都在不断发展与完善之中。成本逐渐趋向合理。而国内船舶油耗监测主要采用普通式船舶油耗监测装置。其测试范围、测试精度、显示、使用维护和可靠性等方面都不是很理想。一些院校和科研单位研制 的电子油耗监测装置，能测试平均油耗瞬时油耗和累计油耗等。但测试精度尚需进一步提高，其成本还需进一步降低。 通过油耗监测器的使用，能够

12、对使用船舶总体燃油消耗进行有效地测量和统计，使船舶人员能够随时掌握船舶燃油的使用和消耗情况，完成对船舶燃油使用的精确控制和管理。加强了对船舶燃油消耗的分析、评估以及船舶油耗的监控检查。 研究开发船舶油耗智能监测系统，将先进的传感技术、微电脑控制技术和智能仪表技术应用于液体流量检测与显示，集机、电液于一体，提高了检测与显示精度和测试自动化程度，可为研究开发低油耗船舶提供依据；对营 运船舶的油耗进行检测评价，可为其维护、维修提供依据；对于维修企业，可用于判定维修质量；还可用于教学、科研单位进行其工作规律的研究。 2 1.3 本文的主要研究内容 (1)主要是开发燃油消耗智能监测仪表，用液晶显示器和

13、LED 数码管来实现人机互交界面，包括 PCB 图纸， A/D 转化电路，监测电路和其他的原理图。 (2)研究瞬时流量、累计流量、温度、压力的测量方法和算法。 (3)研究工业上常用的监测仪表和流量仪表。 3 第 2 章柴油机燃油消耗智能监测系统的总体设计 2.1 系统的设计思想 系统的设计借鉴广泛应用于水、电等领域的监测系统。主要由流量计、测量显示单位等组成。基本工作原理是燃油经过流量计产生流量信号，经转换单元转换为测量显示单位可识别信号进行测量、计算、传送，并显示测量次数、测量时间、燃油消耗量等，对航行中的船舶燃油使用状况进行实行检测，然后传到船舶控制室里的显示器上，方便工作人员进行数据核实

14、、统计分析。 一般系统的研发必须首先明确该系统性能和功能。本系统的系统功能主要有：测量、数据传输、数据处理、显示。，系统性能要求主要有精度要求和可行性要求。选择系统的芯片可以决 定了系统的性能、成本，原则是要把系统的性能、芯片的资源及成本一起考虑。 2.2 船舶燃油消耗的智能监测方法 船舶的实际测试和台架试验存在很大的差别，主要是由于测试的环境和测试仪器的不同。试验的很多仪器由于笨重不便携带，空间的限制不能安排，管道不可损坏等其他因素影响，所以台架试验中所采用的监测方法和仪器不一定适用于实船测试。如何找到满足实船测试的测试方法和设备显得尤为重要，不仅要实现测试的目的，又要在其经济可接受的范围内

15、。 （ 1）传统燃油消耗的体积计算公式为： V=S*h （ 2-1） 式中： V 测量的燃油体积消耗量； S 日用油柜截面积； h 测量的油柜高度变化量。 现在很多船舶上采用从日用油柜测量燃油消耗的方式来测量油耗数据，这其实可以说是一种定容积法，这种方法主要的难度在于如何精确测量燃油消耗的体积。不过随着数字化和自动化的不断发展，人们对于船舶的管理要求越来越高，数据要求越来越准确和科学，这种方法的不足变暴露无疑 ： (a)测量不精确 ; (b)测量工作 量大 ; (c)人为因素的影响。 考虑到上述各种原因，所以用此方式获得的油耗数据只能对日常管理提供参考意见。 （ 2）燃油流量计法 由于实船测量

16、的特殊性，使得台架试验中广泛采用的定容法和定重量法无法应用，通常采用的方法是燃油流量计法。 4 图 2.1 流量计法燃油消耗测量原理 流量计法测量燃油消耗是在内燃机燃油管路中接入流量计，燃油在流量计中流动产生的流量信号经转化变成便于测量的电信号，经转换器转换得出发动机的燃油消耗率。图 2.1 原理框图只有一个流量计，成本 低，设计简单，操作简便，能准确测出燃油的累计流量，但是瞬时流量有稍短的延迟。 日用柜 混油桶 流量计 主机燃油消耗监测器 监控计算机 进油管 进油管 5 第 3 章 船舶柴油机燃油消耗智能监测系统的硬件设计 3.1 系统整体框图 图 3.1 系统的整体框图 系统通过传感器来测

17、量燃油管道燃油的瞬时流量，从而得到模拟电压信号，由于模拟电压信号容易受干扰，一般在传感器的输出末端加一个 电流 /电压转化模块，将电流信号直接读出来，产生的电压经过后面的 A/D 转换为数字信号，经单片机计算后得到瞬时和累计流量值。中间通过模拟开关来控制电路。同时信号通过 LED 数码管观察测量的数据，通过时间芯片可求得累计流量，最后信号通过串口通信电路传到上位计算机。 对于回油量较小的船舶，将流量传感器安装在进油管路上，对于回油量较大的船舶，采用 2个流量传感器，分别安装在进油路和回油路上，通过计算进回油流量的差值得到油耗量。 3.2 传感器的选择 现代测量技术已经涉及到许多的的非电量 ,如

18、重力、力矩、压力、瞬时流量和累计流量，还有浓度、气体、热量、液体成分、温度等。以上的这些物理量很难进行直观的观察和直接的测量，这使得传统的测量仪器需要借 助其他仪器来把那些物理量转换为可以测量、传输和处理的电信号，这种仪器就是传感器。 3.2.1 流量计传感器 流量计量是专门研究物质量变的一门科学，在各种各业中应用非常广泛，对其进行深入了解和科学使用具有非常重要的显示意义。为了满足不同的需求，流量测量方法和仪表的种420mA电流信号输入 （压力、瞬时流量） 电流电压 转化模块（采用集成放大器LM324） 模拟开关 （ ADG708多路 复用器） 模拟量、数字量转化模块（ A/D转化采用TLC2

19、543） 单片机 89c669 及外围电路 人机界面 : 液晶显示器 和 LED 数码 管 按键、开关 RS485 接口（串口通信电路） 上位计算机 6 类繁多，为了正确地选用流量计，首先必须对每类流量计的测量原理、结构、性能等有一个大概的了解，然后结合具体测量条件，综合考虑测量的准确性、经济性等因素后，才能选定流量计的类型与规格。 随着科学的不断进步，设备的不断更新，对于测量仪器的要求也越来越高， 越来越专业化。由于流量计利用的物理原理的不同 (如力学、热、电等物理量 )，所以各种传感器的原理设计和制造都不相同，所以现在市场上的流量计上百种。 （ 1）容积式流量计 容量式流量计（ posit

20、ive displacement flow meter）又称定量排量流量计。 对机械设备的使用，不断测量划分为一个单一的一部分，这是众所周知的测量室，根据测量室，连续反复排空和充满液体的次数来测量流体的体积容量。根据测量设备的分类，可分为旋转活塞流量计、腰轮式流量 、圆盘式流量计、刮板流量计、往复活塞流量计、往复活塞流量计等。 容积式流量计优点 : （ a）范围度宽； （ b）测量液体的对象比较广，如粘度较高的液体也可行； （ c）安装管道条件对计量精度没有影响； （ d）测量精度高； （ e）直读式仪表无需外部能源可直接获得累计，总量，便于直接观察和操作。 容积式流量计缺点 : （ a）大部

21、分设备只能运用于洁净单相流体； （ b）测量环境相对苛刻，不适合高温或者低温条件下长期操作； （ c）被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大； （ d）结构相对复杂，设备体积大； （ e）产生噪音。 容积式流量计应用概况： 容积式流量计与差压式流量计、浮子流量 计并列为三类使用量最大的流量计，经常应用于相对比较贵重介质的总量测量。工业比较发达的地区近年 PD 流量计的销售金额占流量设备的 13%23%，而其中腰轮式和椭圆齿轮式分别约占 20%和 70%。流量计采用容积式流量计，容积式流量计又称排量流量计 (positive displacement flow meter)，简称 PD 流量

22、计或 PDF，在流量仪表中是精度最高的一类仪器。 PD 流量计一般无法直接获得油耗的瞬时流量，为得到瞬时流量值需要另外安装测量时间的设备。定排量测量方法可追溯到 18 世纪， 20 世纪 30 年代才应用于普同 商业应用。 容积式流量计原理： PDF 从原理上讲是一台从流体中吸收少量能量的水力发动机，这个能量用来克服流量检测元件和附件转动的摩擦力，同时在仪表流入与流出两端形成压力降。 典型的 PDF(椭圆齿轮式 )的工作原理如图 3.2 所示。 两个椭圆齿轮旋转接触各种特殊形状。 P1 和 P2 分别是进口压力和出口压力，显然 P1P2 的，图 3.2（ a）所示的齿轮压力差下，双方的行动，逆时针旋转，驱动齿轮产生的：前齿轮因为压力双方是平等的，不产生旋转扭矩，从动轮，齿轮从底部顺时针旋转驱动。在图 3.2（ B）位置，两个齿轮转动下的微分扭 矩旋转动作。可选的图 3.2（ c）位置，将驾驶的齿轮顶部，底部齿轮是从动轮，旋转，图 3.2（ a）同一位置，完成一个周期。从齿轮和出院四校内新月形腔液量的外壳包围圆周运动，体