船舶综合报警器的设计

第３０卷第１期　浙江海洋学院学报（自然科学版）　Ｖ０１－３０　Ｎｏ．１　２０１１年１月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｏｃｅａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　Ｊａｎ．，２０１　１　文章编号：１００８—８３０Ｘ（２０１　１）ｏｌ一００８３—０４　・研究简报・　船舶综合报警器的设计　胡佳文１，马鹤鸣２，俞红杰１　（１．浙江海洋学院机电学院，浙江舟山３１６００４；２．宁波海运股份有限公司，浙江宁波３１５０２０）　摘要：介绍了一种船舶航海综合报警器的设计。该报警器设计中，采用高速单片机为核心，将船舶上各种其他报警设　备产生的报警信号高速扫描读入后进行综合，使用组合式ＬＥＤ指示灯对综合后的报警信号进行复示，并用蜂鸣器进行声音　报警。由于采用了单片机为核心，该报警器反应迅速、性能可靠；采用了组合式ＬＥＤ的设计，使该报警器有很好的灵活性和通　用性。　关键词：船舶；报警器；单片机　中图分类号：ＴＰ２１２　文献标识码：Ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　Ａｌａｒｍｅｒ　ＨＵ　Ｊｉａ－ｗｅｎ　，ＭＡ　Ｈｅ－ｍｉｎｇ　，ＹＵ　Ｈｏｎｇ－ｊｉｅ‘　（１．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｏｃｅａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｏｕｓｈａｎ　３　１　６００４；　２．Ｎｉｎｇｂｏ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｃｏｍｐａｎｙ　Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｎｉｎｇｂｏ　３　１　５０２０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ａｌａｒｍ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ，ｗｅ　ｕｓｅ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＭＣＵ）ａｓ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｒｅ．Ｔｈｅ　ＭＣＵ　ｓｃａｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅ　ａｌａｒｍ　ｓｉｇｎａｌ　ｔｈａｔ　ｇｅｎｅｒ－　ａｔｅｄ　ｂｙ　ｏｔｈｅｒ　ｓｈｉｐ　ａｌａｒｍ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｔｈｅ　ａｌａｒｍ　ｓｉｇｎａｌ　ｂｙ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ＬＥＤ　ｉｎｄｉｃａｔｏｒ，ａｎｄ　ｕｓｅ　ｂｕｚｚｅｒ　ｆｏｒ　ｓｏｕｎｄ　ａｌａｒｍ．Ｔｈｉｓ　ａｌａｒｍｅｒ　ｉｓ　ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ＬＥＤ　ｉｎｄｉｃａｔｏｒ，　ｔｈｅ　ａｌａｒｍｅｒ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｖｅｒｓａｔｉｌｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｐ；ａｌａｒｍｅｒ；ＭＣＵ　海上航行，安全至关重要。随着船舶自动化程度的不断提高，各种用于保障船舶航行中人身、设备安全　的装置应运而生。现代海运船舶通常装备的报警设施有：通用警报装置、火灾报警器、水密门报警器、冷藏　库报警器、起抛锚报警器、供水报警器、ＣＯ：施放预告报警器、无人值守报警器、船舶机舱监测报警系统等。　大多数的报警装置或报警提示装置会安装在驾驶室内，而这些报警装置一般都使用类似的声光报警提示。　由于报警装置众多，又分布在驾驶室内各个位置，因而在报警信号产生时，值班人员需要花费一定的时间　查找报警源，从而延长了处理紧急情况的时间。　据调查了解，目前在航、在建的国内或国际航线的船舶根据自动化程度的高低装备了数量不等的报警　收稿日期：２０１０—０８—２７　基金项目：浙江省科技厅面上科研社会发展项目（２００８Ｃ３３００３）　作者简介：胡佳文（１９８０一），男，浙江临安人，实验师，研究方向：自动控制　８４　浙江海洋学院学报（自然科学版）　第３０卷　设备，有的多达十几种报警信号源，其分布范围已大大超过值班人员的视觉范围，对于查找报警信号源极　为不利，因此设计一种船舶综合报警器十分必要。而国内外市场上尚未见此独立、通用的船舶综合报警器　产品，检索相关研究论文也无果。　笔者研究并设计了一个电子装置，可以在不改变或很少改动原有报警系统的条件下，把所有的报警信　号综合到一起，当报警信号出现时，可以容易发现报警源，进而在第一时间采取相应措施应对紧急情况。　１系统结构及工作原理　根据船舶规范要求，报警系统应满足：所有的报警应同时发出视觉和听觉报警信号；报警系统应能对　同时发生的所有故障发出报警信号；报警设备可设有消除听觉报警信号（消声）的装置；如单个报警在机舱　集控站（室）已有显示，则也应在其他相关的控制站显示报警信号，但可采用组合报警的方式显示；报警系　统应具有自检功能，即对自身的故障自动进行检测和报警（或指示），以防止有警不报或误报警【１］。　现代船舶装备了各种类型的报警器或报警系统，可以满足不同的应用需求。笔者设计的综合报警器是　这些报警系统基础之上的延伸。通常，船舶上的报警装置都有报警信号输出的接口，可以作为本系统的输　入信号。少数没有输出接口的设备，只需稍加改造，在蜂鸣器处并联１个继电器作为输出信号即可。因此　本系统的输入信号为开关量信号。笔者设计了１６路独立输入接口，可以接入１６种不同的报警设备，足以　满足现代船舶应用的需要。　另外，考虑到报警信号要输人到　ＶＤＲ（船舶黑匣子），设计了与输人对　应的１６路输出接口。该接口也可应ｏ　用于其他延伸报警。系统的结构框图　如图１所示。　一　一输建攀强　瓣涮瓞　疆娠搬苦兰　　图１　船舶综合报警器结构框图　Ｆｉｇ．１　Ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ａｌａｍｅｒ　整个报警器系统由１个主控制　器和２个信号接线板组成，系统主要　电路都设计在主控制器内，信号接线　板主要用于输入输出信号的接线。系　统结构简洁、紧凑，由于船舶内空间　、，厂］　有限，采用该结构可以节省空间，并输入＞＿］　二藉整鲁路　冀　—　然灯　且方便安装、调试。　Ｉ　主控制器内电路包含电源部分、：’帕　——＊一　电压４惜抑　ｒ｛　０　宙　Ｐ　一　　１　ｆ　ｌＩ　　１６路开关量信号输入电路、１６路开输入＞－———一变换电路—；职按键—　…——　蜂鸣器　关量信号输出电路、１６路ＬＥＤ指示厂　罩斧机＝］　蜂鸣器控制器原理如图２所示。　．　，　。辐　黾旃——　量—Ｊ＼＞誊瑟隔　‘介　捕捞娼　图２船舶综合报警器主控制器原理框图　Ｆｉｇ・２　Ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｍａｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　爨　鼍　露　掣　电源部分为整个报警器系统提　供电能。由于船用设备可靠性要求很　高，所以电源的设计也尤为重要。本　系统采用交流、直流双电源输入，经过各自的电压变换电路后，通过二极管隔离后并联，互为备用，大大提　高了电源的可靠性。现代船舶通常有两路以上的供电，一般主电源是２２０　Ｖ交流，由船用发电机提供，备用　电源是２４　ｖ直流，由充放电板（蓄电池）提供。２４　ｖ直流可以直接接人报警器的直流输入端，２２０　Ｖ交流则　通过变压器降压到２４　ｖ再接人报警器的交流输入端。在电源稳压电路调试的时候，适当将交流那一路稳　压输出的电压调到稍高于直流输出的那一路，这样可使在有２２０　Ｖ主电源供给的正常航行状况下，报警器　主要使用主电源，从而减少对２４　ｖ备用电源的消耗。　１６路开关量信号输入是报警器工作的依据。通常由其他船舶报警器提供的开关量报警信号都较为稳　第１期　胡佳文等：船舶综合报警器的设计　８５　定、可靠，但考虑到信号传输导线比较长，而且船舶上机电设备众多，导线上串人的干扰信号也不可忽视，　所以本系统设计了抗干扰的滤波电容，以及光电隔离措施以保障系统的稳定与可靠。　ｌ６路继电器输出的设计可应用于将报警信号传送至ＶＤＲ，实时记录船舶航行过程中各种设备的报警　情况，在出现意外进行事故分析或责任认定的时候可以提取数据。此外，也可将输出信号延伸至全船报警，　以便在出现报警而无人值班室，能呜响全船高音喇叭，提醒船员处理。　在综合报警器主控器面板上，安装１６路组合式ＬＥＤ指示灯，用于指示每一路的报警情况。ＬＥＤ指示　灯具有功耗小、寿命长、颜色鲜艳、光线柔和的特点　。本报警器采用的组合式ＬＥＤ指示灯不但结构紧凑，　而且透明的灯帽内可以由用户贴人标签，使得报警情况一目了然，非常直观和实用。　由于船用报警设备生产厂家众多，品牌型号各不相同，输出信号触点类型有常开，也有常闭。本报警器　设计了３２位拨码开关，可以对每一路的输入信号单独进行设置，可以设为常开或常闭报警。另外也可以对　输出触点信号进行设置，设为常开有效或常闭有效。　报警器设计了４个按钮，设置功能为试验、消音、复位与调光。根据船舶规范的要求，报警设备应当有　试验功能，以测试报警设备自身是否有故障，防止误报警或不报警。在报警产生后，可以有消除声响的装　置，但要保留报警指示。在故障排除后，报警信号应当自动或人工消除。另外，在驾驶室的发光设备，必须具　备调光功能，以免因光线太强而影响船员夜间驾驶。　蜂呜器用于在报警产生时进行声音提醒。可以用消音按钮消除某一通道本次产生的报警声音，但不影　响其他通道或本通道下一次声音的产生。　２主要硬件电路设计　（１）开关量信号输入电路：输入电路采用了光电隔离技术，当外接的其他报警设备的元源触点闭合后，　电流经Ｒ３５流过ＬＥＤ再通过光耦，这样光耦的输出端就可以输出一个被单片机检测到的信号，从而完成　开关量信号的采集。二极管Ｄ７为反电压提供　通路，保护了光耦。电容Ｃ３６可以过滤高频干　扰信号。开关量信号输入电路如图３所示。　（２）开关量输出电路：输出电路的设计也　采用了光耦隔离技术，单片机输出的信号经光　耦输出，并设计了ＬＥＤ指示输出状态，三极管　放大后驱动继电器。设计中将继电器的常开、　Ｉ　ｔ－Ｓ）　图３开关量信号输入电路原理图　Ｆｉｇ．３　Ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｎｐｕｔ　ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　常闭触点都引出，方便不同的应用需要，如图　４所示。　（３）主控单片机电路：主控单片机选用的　是Ａｒｍｅｌ公司的ＡＶＲ系列单片机。ＡＶＲ单片　机是Ａｒｍｅｌ公司于１９９７年研发推出的，采用　了精简指令集ＲＩＳＣ（Ｒｅｄｕｃｅｄ］ｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｓｅｔ　ＣＰＵ）结构的单片机。ＡＶＲ单片机运用Ｈａｒｖａｒｄ　结构，在前一条指令执行的时候就取出现行的　ｌ　１　图４开关量输出电路原理图　Ｆｉｇ．４　Ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｕｔｐｕｔ　ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　指令，然后以单周期执行指令，所以在相同的　时钟频率条件下，具有更高运行速度。ＡＴｍｅｇａ系列属于ＡＶＲ单片机中的中高档产品，它承袭了ＡＴ９０系　列所有的优点，并在此基础上增加了更多接口功能，而且在省电性能、稳定性、抗干扰性以及灵活性等方面　设计得更加周全和完善【３Ｊ。　ＡＴｍｅｇａ１６单片机有丰富的接口可以满足报警器众多外围设备连接的需求，内置的定时器具有ＰＷＭ　波产生的功能，可以用于ＬＥＤ指示灯的调光。在设计中，单片机采用了８　ＭＨｚ的时钟频率，利用ＪＥＴＡＧ接　口对单片机进行程序下载和仿真调试。主控单片机电路如图５所示。　８６　浙江海洋学院学报（自然科学版）　第３０卷　３软件设计　：　Ｉ：１ｒｌｆｆ＇Ｌ　Ｔ￣　蓬　鬻　．％３７－－．ＰＪ￣　报警器的软件设计采用Ｃ语言编写程序。　醑　：签　撂　：慧　慧　Ｃ语言有结构化、能产生高效代码等优势，可以　：笛　；　：…．Ｌ＇Ａ　７　．崆———Ｅ‘ｍ　大幅度加快开发进度，特别是开发一些复杂的　．∞——．Ｊｌｑ２　．．２ｌ———】【Ｋ　．　复———．　＆　应用系统［４】。　———Ⅱｎ　、　———　Ｌ　．笛———厦ｎ３　报警器的主程序流程如图６所示。系统上　童Ｌ——Ｊ１　、ｌＩ、　—工ｊ　电复位，开始运行程序，首先进行初始化和系统　—Ｊ２Ｊ　自检等工作，初始化及自检完成后，主程序对系　－＿盈　统自身状况进行判断，若有故障，则退出程序，　（Ｎ）　并驱动蜂鸣器、闪亮ＬＥＤ指示灯报警；若初始　化及自检正常，则继续进入主程序运行。主程序　报警工作的过程首先是通过扫描１６路输入端　（Ｍ　口读人开关量信号，然后扫描３２位拨码开关读　图５主控单片机电路原理图　入设置信号，对两种信号进行逻辑运算和关系　Ｆｉｇ．５　Ｍａｉｎ　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　判断，得出报警与否的结论，然后驱动对应的１６路继电器输　出报警或不报警的信号，同时闪烁或点亮或不点亮对应的ｌ６　路ＬＥＤ指示灯，并根据是否有报警产生驱动蜂鸣器发声或不　发声。然后进行４路按键扫描，若检测到有按键按下，则执行　相应的按键功能程序，例如试验按键被按下时就执行系统自　检，并点亮所有的ＬＥＤ指示灯及鸣响蜂鸣器；消音按键被按下　则停止蜂鸣器发声，并将闪烁报警的ＬＥＤ指示灯改为平光显　示；复位按键被按下时则根据报警信号是否消除有选择地将　对应通道的报警信号撤销；调光按键每被按下一次，则将ＬＥＤ　指示灯的亮度提高一级，总共分８级，达到最大亮度，再按则　恢复到最低亮度。　４小结　本文所设计的船舶综合报警器，满足船级社和国际海事　组织对船舶报警设备的要求。由于采用了高性能的ＡＶＲ单片　机，报警反应迅速、性能稳定可靠。创新性的交流、直流双电源　输入设计，极大程度地保障了该报警器在多种突发情况仍能　保持稳定不问断地工作。采用组合式ＬＥＤ指示灯的设计，使得　该报警器通用性较好，可以适应各种的船舶的综合报警需求，　并且用户可以自定义指示灯标签，可以更适合用户直观地了　解报警情况。　图６主程序流程图　参考文献：　Ｆｉｇ．６　Ｍａｉｎ　ｐｍ舯ｍ　ｆｌｏｗｃｈａｒｔ　［１］中国船级社．钢质海船人级规范【ｓ】．北京：人民交通出版社，２００６．　【２】秉时，杜浩．ＬＥＤ指示灯的应用趋势ｆＪ］．红外，１９９９（１２）：５１—５１　［３马３］潮，詹卫前，耿德根．ＡＴｍｅｇａ８原理及应用手册［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００３．　［４］沈文，ＬＥＥ　Ｅ，詹卫前．ＡＶＲ单片机ｃ语言开发入门指导［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００３．