船舶机舱环境检测系统的设计2

1、山东交通学院2012届毕业生毕业论文（设计）题目：船舶机舱环境监测系统设计院(系)别 信息科学与电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 电气081 学 号 080819112 姓 名 闫志勇 指导教师 刘文江 2012年 4月原 创 声 明本人闫志勇郑重声明：所呈交的论文“船舶机舱环境监测系统设计”，是本人在导师刘文江的指导下开展研究工作所取得的成果。除文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果，尊重知识产权，并愿为此承担一切法律责任。 论文作者

2、(签字)： 日期：2012 年 4月 20 日摘 要 随着船舶制造及船舶航运业的发展，从人性化角度出发，人们越来越重视船上人员工作及生活条件，从船舶的经济性考虑，动力设备的工作环境也至关重要。在船舶的设计过程中，机舱环境监测系统的设计是非常重要的一个环节。不管是人员还是机器设备的正常工作都需要适宜的环境。 机舱内的动力装置正常工作，首先需要消耗一定量的新鲜空气，用于动力机械的燃烧，其次要带走机器设备运转、燃烧产生的热量。机舱通风用以建立机舱内给定的环境条件，如需要的舱内温度、湿度、空气流速、清洁度及空气成份等，以保证柴油机、锅炉及焚烧炉燃烧时所必须的空气量，同时也要保证机内良好的工作环境，改善

3、轮机人员的工作及卫生条件。本设计是以单片机（AT89S52）为核心，配合温度传感器（AD590）和湿度传感器(HIH-3610)，以及相关的外围电路组成的检测系统，可以接收所测环境的温度、湿度、光照强度和氧气含量信号，检测人员可以通过数码管显示的数据，实时监控环境的温度和湿度情况。所有的测量操作都可以通过主机控制软件来实现，温度、湿度、光敏和氧气传感器得到的测量信号，经电路转换为电信号，然后通过一定的放大经过芯片TLC549A/D转换送到单片机进行数据处理，经软件分析处理后送显示装置，并控制控制风机的运行。本文所开发的系统具备完整的环境监测功能，满足相关规范要求，实时性较好，能够应用于实船。并

4、对该系统作了一些突破以往设计的优化设计，对以后船舶环境监测系统的设计有一定的指导作用。关键词：机舱,环境,单片机,传感器Abstract With the development of shipbuilding and ship navigation, personally, the environment of working place and accommodation place being required more and more economically, the working environment of power installation is more importa

5、nt, too. During the ship design, the ventilation system design is one of the important aspects of the whole design. A suitable environment should be considered for good working of person and power installation. In order to keep the power installation work well, it will need a mount of fresh airfor t

6、he burning of engine and bring away the heat emission from the engineEngine room ventilation system design is doing for building a special condition，such as thetemperatures, humidity, air speed, the cleanliness of the air and the element percent of air, to insure the amount of air needed by the engi

7、ne，boiler and incinerator burning，and improve the working environment of the working person in engine roomThe design is based on SCM (AT89C51) as the core, with a temperature sensor (AD590) and humidity sensors (HIH-3 610), as well as the detection system, the peripheral circuit can receive the meas

8、ured ambient temperature, humidity, light intensity and oxygen content of signal detection can be digital display data, real-time monitoring of environmental temperature and humidity. All the measurement operation by the host control software to achieve the measurement of temperature, humidity, phot

9、osensitive, and oxygen sensor signal, the circuit converted into electrical signals, and then by a certain degree of amplification after the chip TLC549A / D conversion to the microcontroller for data processing evacuation by the software analysis and processing, display devices, and control the run

10、ning of the fan control.Have a complete environmental monitoring system developed to meet the relevant regulatory requirements, real-time, can be used in a real ship. And made some breakthrough designed to optimize the design of the system, after the design of the Marine Environment Monitoring Syste

11、m has a guiding role. Key words：Cabin, Environment, Microcontroller, Sensor目 录1绪 论11.1课题研究背景11.2 船舶机舱监测系统发展与现状11.3本次设计的主要工作32 控制系统的方案设计42.1系统的构成42.2 单片机AT89S52的介绍52.3 A/D转换器82.3.1 主要特性82.3.2 TLC549工作原理92.4 温度传感器的选型102.4.1 温度传感器主要特性102.4.2 AD590的工作原理112.4.3 电路设计112.5湿度传感器的选型122.5.1湿度传感器的选择122.5.2 HIH

12、3610主要特性132.6 光电器件的种类与选择152.6.1光电器件的选择152.6.2光照度采集电路的组成与原理152.7气体传感器的选择162.8机舱通风系统的选型163 系统的硬件设计和连接203.1主控模块203.2显示模块203.3 AD转换模块213.4 温度和湿度采集模块213.5光照度采集电路的设计213.5.1光照度采集电路的设计213.5.2光照度采集试验与分析223.6继电器控制电路233.7 TLC549与AT89S52的接口电路设计243.8 键盘设计243.9输出驱动的设计253.10 电源电路的设计263.11 报警电路设274 系统软件方案的设计284.1 程

13、序流程图284.1.1 温湿度主程序流程图294.1.2 报警器流程图304.1.3A/D转换子程序流程图304.1.4 键盘中断流程图314.2 上位机软件设计32结 论34致 谢35参考文献36附录3737山东交通学院毕业设计（论文）1绪 论 1.1课题研究背景 我国的水路运输具有投资少、见效快、运价低的特点，因此一直以来它都是重要的交通方式之一，在国名经济的发展中起到很重要的作用1。船舶机舱监控系统是对机舱重要设备的运行状态和安全参数进行监测，对值班人员和管理者声光提示，及时决策设备管理措施，保证设备系统或者人员安全的重要系统。因此实时、准确地了解船舶机舱环境动态信息显得尤为重要，特别是

14、一下几个方面：（1）船舶机舱环境气体含量的监测，特别是氧气含量是否达到人体适合进入的最低标准，保证工作人员的安全。（2）船舶机舱温度和湿度的监测，保障船舶设备的正常运行。（3）船舶机舱光线的监测，尤其是在恶劣天气和晚上等光线不足的情况下保证机舱光线充足，工作人员正常工作。以往的船舶监测系统，都是通过传统的人工现场监控来获得船舶机舱环境动态信息，而且不能保证工作人员的安全。通过以往检测系统的实时性不高、操作不方便，不利于管理。因此有必要研究一种远程监测技术。 另外，船舶机舱内的工作环境是最为恶劣的，船舶机舱内的通风条件也直接影响到船员的身体状况和工作效率。按中国船级社对船舶动力装置的控制形式的规

15、定，分为机舱有人值班、周期无人值班和集控室有人值班三种，尤其是机舱有人值班时，合适的机舱通风可以提供人更多的新鲜空气量，降低机舱温度，通过机舱通风管道的合理布置适当地降低机舱内的噪声，提高人员的工作环境标准。机舱通风用以建立机舱内给定的环境条件，如需要的舱内温度、湿度、空气流速、清洁度及空气成份等，以保证柴油机、锅炉及焚烧炉燃烧时所必须的空气量，同时也要保证机内良好的工作环境，改善轮机人员的工作及卫生条件。随着计算机与网络技术的发展，船舶机舱监测系统得到了飞速发展，无线网络技术已经逐步被应用到远程监控系统之中，通过无线网络技术将现场设备采集的数据传输到远程控制中心，实现远程监控，具有一定的安全

16、性、实时性、可靠性的要求。1.2 船舶机舱监测系统发展与现状随着计算机以及自动化技术的飞速发展，船舶机舱监测系统也得到了迅速的发展，出现三种典型模式，分别为集中式、集散式、现场总线式。 1）集中式机舱监控系统在上个世纪的六十年代中后期，船舶机舱开始出现了“无人值守”，日本、丹麦等发达国家首先推出船舶机舱的集中监测系统，其方式主要是把分布于船舶机舱各处的监测点全部引入集中控制室的微机接口控制箱中，对船舶机舱设备进行集中监测，实现了船舶机舱设备检测的无人值守。该方式的优点在于容易根据整体情况进行相应的控制计算与判断，从控制角度分析易于统一调度与安排，缺点是系统的可靠性全部集中于微机本身，而机舱现场

17、的环境相对恶劣，那么对于读取来自现场信号的计算机要求就相当高。可靠性问题限制了机舱集中监测系统的发展。典型的集中式监测系统有挪威NORCONTROL公司的Data Chief-III系统2。2） 集散式机舱监控系统在上个世纪七十年代后期，随着大规模集成电路以及计算机网络技术的发展，出现了数字调制器、可编程控制器（PLC）以及多个计算机构成的集中与分散相互结合的集散式控制系统，也称为分布式控制系统（DCS-Distributed Control System）。此系统不管是在功能上还是在性能上都比集中式控制系统进步很多，克服了传统的集中式控制系统对控制器和可靠性要求高的缺陷，在集散控制系统中实现

18、了集中控制与分散处理，即实现了集中控制室与DCS控制站或是PLC之间的网络通信，有减少了集中控制室与机舱现场之间的电缆数目，节约了成本。初期，集散型监测系统在各个子系统内部一般使用模拟信号传输，即控制单元与现场设备之间使用模拟信号来实现数据采集以及控制命令下传，这样就需要在控制单元与现场设备之间铺设大量电缆，同时增加了船舶造价。此外，传输距离较长会使得模拟信号受到严重干扰。这个时期典型的子系统如西门子公司的SIMOS32型集中监测和报警系统。后期，部分公司将传统控制网络技术应用到了机舱监测系统中，对子系统进行改进，即在控制对象附近放置现场处理单元，而二者之间则通过RS-485或电流环等网络进行

19、数据交互，实现对模拟信号的收发。这种方式逐步成为了船舶机舱监测系统的主流，由于这种传统控制网络存在固有缺陷，所以并不是在真正意义上实现全分布式控制。并且各个公司所建立的控制网络具有封闭性，这样就阻碍了船舶机舱中现场设备之间互操作性的实现。其中，典型的代表有德国西门子公司的SIMOSIMA32C系统和挪威NORCONTROL公司的Data Chief1000系统。3） 现场总线控制系统（FCS-Field bus control system），是从DCS系统上发展起来的，以实现机舱现场和微机化测量设备之间双向多节点数字通信的系统。现场总线式控制系统是在传统的测量控制仪表处装上专用的微处理，同时

20、使它们获得了数字计算与数字通信能力，并使用方便于连接的双绞线等作为总线，将需要测量的多个控制仪表连接成网络系统，按照一定的通信协议，实现船舶机舱现场的多个微机化测量控制设备之间，以及船舶机舱现场仪表与远程的监测主机之间的数据传输与信息交互，从而出现了各种满足现场需要的自动化控制系统。其中，典型代表有挪威NORCOINIROL公司的Data Chief C20系统和上海船舶运输研究所下属的上海三进科技发展有限公司的CJBW100型系统。我国船舶机舱监测系统应用的起步相对于国际较晚一些，到了八十年代后期自助研发出了一些以CJBW,JK-88YK,DYT-88J型为典型代表的船舶机舱监测系统。国产的

21、船舶机舱监测系统由于系统功能、结构以及制造成本等原因，应用于实际较少。在技术方面，大部分产品仅仅相当于国际九十年代初期的水平。机型的品种较少，性能较低、可靠性较差，标准化、系列化、智能化程度相对较低，总体的技术指标落后，技术储备差距大，已无法适应当前国内船舶机舱自动化的突飞猛进发展。目前与船舶自动化技术发达的国家相比，还存在一定的差距，主要包括一下几点：（1） 以船舶机舱为整体对象的集成自动化技术水平较低，配套能力较差。虽然应用了大规模集成芯片，但完成整个系统的信号采集、处理、通讯、管理等过程，均使用零散的设备，缺乏模块化、系列化的产品。（2） 目前，船舶机舱监测系统技术还处于部分或全部引进状

22、态，相关技术的科研单位研发力量不集中，国产化效率低、自主创新的成分较少。（3） 系统的结构复杂，可维护性较差。信号从传感器到上位机传输路径复杂，监控对象庞大，其通讯布线错综复杂，给故障检测带来相当大的困难。（4） 系统自身结构模块化较低，产品可再研发性较差，技术更新与换代困难。设计安装工艺落后，生产制造技术低，制约了系统整体性能的提升。 以上各个问题，给机舱自动化技术的发展提出了新的要求，迫切的需要一种能在最大程度上满足各种需求的、综合水平较高的、全新的船舶机舱监测系统的出现。1.3本次设计的主要工作 （1）设计船舶机舱环境监测系统方案船舶机舱环境监测系统为多变量的输入输出控制系统。通过传感器

23、监测机舱中的各环境参数，得到输入模拟量，经过模数转换变成数字信号，经接口板采集数据，计算机进行分析处理，将输入量与设定量比较后，输出开关量，通过驱动电路控制各执行机构。（2） 硬件设备的选型与设计 根据所设计的控制方案合理地选择监测元件、执行机构和控制设备以及其它必要设备，并在此基础之上根据控制方案合理地进行硬件设计，完成各种设备之间的接线与配置，并进行设备的安装调试。为整个系统的实现以及稳定、可靠运行打下基础。（3）控制软件的设计软件应用汇编语言进行编程设计，具有计时、键盘扫描处理、显示、温度、湿度、氧气含量采样，并对其进行数据处理，控制执行机构。2 控制系统的方案设计船舶机舱设在轮船的下部

24、，由于数KW大功率发动机、数百KW 的发电机组、锅炉和制冷机组的连续工作，再加之机舱的通风、透光情况很差，给工作人员和船舶发动机的工作环境带来了严重的影响。为了改善机舱的环境，提高轮机系统的运行效益，保障船舶及工作人员的安全，需要对机舱的环境进行实时控制。船舶机舱的主要控制参数有温度、湿度、光线和通风控制系统。2.1系统的构成船舶机舱环境监测系统为多变量的输入输出控制系统。通过传感器监测机舱中的各环境参数，得到输入模拟量，经过模数转换变成数字信号，经接口板采集数据，单片机进行分析处理，将输入量与设定量比较后，输出开关量，通过驱动电路控制各执行机构。控制系统及控制过程如图2.1所示。 图2.1

25、环境控制系统Fig 2.1 environmental control system本系统由计算机与控制软件、传感器、数据传输、I/O接口板、电器控制柜等组成，传感器采集的信号经过放大和转换传到计算机上，计算机发出反指令，通过电器控制柜控制各执行机构的启用，完成对机舱环境的控制3。前端的环境参数数据采集单元(包括空气温度、空气湿度、光照度传感器、气敏传感器及信号调理电路、A/D转换、单片机、存储器、液晶显示器、按键)，数据传输设备以及电源组成。系统由单片机控制前端的各种传感器对环境中的各参数进行采集，并通过其相应的转换电路将温度、湿度、光照等信号转换为模拟电量（如电压），再经A/D转换器转换为

26、数字量，交由单片机做数据处理，或直接转换为数字量(如频率)存储显示。机舱环境数据采集和监控系统如图2.2所示。图2.2 机舱环境数据采集和监控系统Fig 2.2 cabin environment data acquisition and monitoring system2.2 单片机AT89S52的介绍AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS八位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许ROM在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flas

27、h，使其为众多嵌入式控制应用系统提供灵活的解决方案4。1 主要特性(1) 与MCS-51单片机产品兼容；(2) 8K字节在系统可编程Flash存储器；(3) 1000次擦写周期；(4) 全静态操作：0Hz33Hz；(5) 三级加密程序存储器；(6) 32个可编程I/O口线；(7) 三个16位定时器/计数器；(8) 八个中断源；(9) 全双工UART串行通道；(10) 低功耗空闲和掉电模式；(11) 掉电后中断可唤醒；(12) 看门狗定时器；(13) 双数据指针；(14) 掉电标识符。如图2.3所示AT89S52芯片的引脚图VCC：电源GND：地 P0口：8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，

28、每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。图2.3 AT89S52芯片的引脚图Fig 2.3 the AT89S52chip pin diagramP1口：具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流

29、（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表3-1所示。在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。表2.1 P1口引脚的功能Table 2.1 P1 port pin function引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P2口：具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动四

30、个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在方位外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。在Flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动四个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，

31、如表3所示。表2.2 P3口引脚的第二功能Table 2.2 P3 port pins of the second functions引脚号第二功能P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD（串行输出）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通） RST：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/：控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚（）也

32、用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时， ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。：外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。当89S52从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不被激活。/VPP：访问外部

33、程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接地。为执行内部程序指令，应该接VCC。在Flash编程期间，也接收12伏VPP电压。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。2.3 A/D转换器本电路设计A/D转换部分主要核心部分采用高性价比的A/D转换芯片TLC549 ，以下进行详细介绍2.3.1 主要特性 TLC549是德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过I/O CLOCK、DATA 三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17s，

34、TLC548允许的最高转换速率为45500次/s，TLC549为40000次/s。总失调误差最大为±0.5LSB，典型功耗值为6mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，VREF+VREF-1V，可用于较小信号的采样。TLC549引脚图如下图所示：图2.4 TLC549引脚图Fig 2.4 TLC549 pin diagramTLC549的极限参数如下： 电源电压：6.5V；输入电压范围：0.3VVCC 0.3V； 输出电压范围：0.3VVCC0.3V；峰值输入电流(任意一个输入端)：±10mA；总峰值输入电流(所有输入端)：

35、7;30mA；工作温度： 070TLC549I：4085TLC549M：551252.3.2 TLC549工作原理TLC549有片内系统时钟，该时钟与I/O CLOCK是独立工作的，无须特殊的速度或相位匹配。当CS为高时，数据输出(DATA OUT)端处于高阻状态，此时I/O CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片TLC549时，共用I/O CLOCK，以减少多路(片)A/D并用时的I/O控制端口5。一组通常的控制时序为：(1) 将置低。内部电路在测得下降沿后，再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，然后确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到DATA O

36、UT端上。(2) 前四个I/O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位(D6、D5、D4、D3)，片上采样保持电路在第4个I/O CLOCK下降沿开始采样模拟输入。(3) 接下来的3个I/O CLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)个换位。(4) 最后，片上采样保持电路在第8个I/O CLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位。保持功能将持续4个内部时钟周期，然后开始进行32个内部时钟周期的A/D转换。第8个I/O CLOCK后，必须为高，或I/O CLOCK保持低电平，这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。

37、如果为低时I/O CLOCK上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器/控制器将与器件的I/O时序失去同步；若为高时出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。在36个内部系统时钟周期结束之前，实施步骤(1)(4)，可重新启动一次新的A/D转换，与此同时，正在进行的转换终止，此时的输出是前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。若要在特定的时刻采样模拟信号，应使第8个I/O CLOCK时钟的下降沿与该时刻对应，因为芯片虽在第4个I/O CLOCK时钟下降沿开始采样，却在第8个I/O CLOCK的下降沿开始保存。2.4 温度传感器的选型温度对于精密仪器来说是最重要的环境参数。传统的温度

38、的测量，选用热电阻为传感器，然后采用两线制、三线制、四线制等接线方式搭建电桥，根据热电阻在不同温度下的电阻来确定所处位置的温度值。但是由于热电阻随温度变化而引起的变化值较小，例如，常用的铂电阻在零温度下的阻值为100，铜电阻阻值为50，因此在传感器与数据采集电路之间的引线过长会引起较大的测量误差，而系统实际应用中，要求有较长距离的测量。此外，热电偶是温度测量中使用最广泛的传感器之一。其测温原理是把两种不同的导体连接，构成闭合回路，若是两个连接点保持在不同温度时，将产生热电势，即Seebeek效应。其测量温区宽，一般在-1802800的温度范围内均可使用;测量的准确度和灵敏度都较高，尤其在高温范

39、围内，有较高的精度，因此热电偶在一般的测量和控制系统中，常用于中高温区的温度检测。但是这种测温方法需要做冷端补偿。以上两种方法都是根据温度的不同，而产生微弱的电压变化信号，经过信号放大、调理电路后送入A/D转换器，然后做相应的运算得出最后的温度值。但是这些方法的采用虽然传感器廉价，但是需要很多外围电路，总成本并没有降低。而且所要测量温度的位置往往离测试仪器比较远，所以温电阻和热电偶要通过比较长的导线投入到测量点，在信号送入放大和调理电路之前可能已经衰减了一定的程度，所以还需要进行调零校准。此外信号的放大和调理电路中噪声，干扰容易串入检测信号中，造成误差，这样不但提高了对模拟电路设计的要求，同时

40、也降低了检测的可靠性6。所以根据所要监测的温度范围-5080，在本设计中放弃上面的测量方法，而是采用集成温度传感器AD590。集成温度传感器AD590是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源。AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值7。2.4.1 温度传感器主要特性流过器件的电流(A)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数：Ir/T=1，式中，Ir流过器件(AD590)的电流，单位为A；T热力学温度，单位为K；AD590的测温范围为-55+150；AD590的电源电压范围为430V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；输出电阻为

41、710m；精度高，AD590在-55+150范围内，非线性误差仅为±0.3。2.4.2 AD590的工作原理AD590温度感测器是一种已经IC化的温度感测器，它会将温度转换为电流。其规格如下：温度每增加1，它会增加1A输出电流。可量测范围-55至150。供应电压范围+4V至30V。温度传感器AD590的外观图如图2.2所示： 图2.5 温度传感器AD590的外观图Fig 2.5 Appearance of the temperature sensor AD590AD590的输出电流是以绝对温度零度(-273)为基准，每增加1，它会增加1A输出电流，因此在室温25时，其输出电流Io=(

42、273+25)=298A。Vo的值为Io乘上10K，以室温25而言，输出值为2.98V(10K×298A)。量测Vo时，不可分出任何电流，否则量测值会不准。2.4.3 电路设计AD590的输出电流I=(273+T)A(T为摄氏温度)，因此量测的电压V为(273+T)A ×10K=(2.73+T/100)V。为了将电压量测出来又需使输出电流I不分流出来，我们使用电压追随器其输出电压V2等于输入电压V。由于一般电源供应较多零件之后，电源是带噪声的，因此我们使用齐纳二极管作为稳压零件，再利用可变电阻分压，其输出电压V1需调整至2.73V。接下来我们使用差动放大器其输出Vo为（10

43、0K/10K）×（V2-V1）=T/10，如果现在为摄氏28，输出电压为2.8V，输出电压接A/D转换器，那么A/D转换输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系。AD590温度传感器使用原理如图2.3。图2.6 AD590温度传感器使用原理图Fig 2.6 AD590 temperature sensor schematic2.5湿度传感器的选型2.5.1湿度传感器的选择湿度传感器是非密封性的，为保护测量的准确度和稳定性，应尽量避免在酸性、碱性及含有机溶剂的气氛中使用。也避免在粉尘较大的环境中使用。为正确反映欲测空间的湿度，还应避免将传感器安放在离墙壁太近或空气不流通的死角处。如果被测

44、的房间太大，就应放置多个传感器。有的湿度传感器对供电电源要求比较高，否则将影响测量精度.或者传感器之间相互干扰，甚至无法工作。使用时应提供合适的、符合精度要求的供电电源。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性8。本设计中采用相对湿度传感器HIH-3610。HIH

45、-3610是美国Honey well公司生产的相对湿度传感器，该传感器采用热固聚酯电容式传感头，同时在内部集成了信号处理功能电路，因此该传感器可完成将相对湿度值变换成电容值，再将电容值转换成线性电压输出的任务，同时该传感器还具有精度高、响应快、高稳定性、低温漂、抗化学腐蚀性能强及互换性好等优点。 图 2.7 湿度传感器HIH-3610外观图 Fig 2.7 Humidity Sensor Appearance of the HIH-36102.5.2 HIH3610主要特性（1）热固性聚合物电容传感器，带集成信号处理电路；（2）3针可焊塑封；（3）宽量程：0100%RH非凝结，宽工作温度范围

46、4085；（4）高精度：±2%RH，极好的线形输出；（5）5VDC恒压供电，0.8-3.9VDC放大线形电压输出；（6）低功耗设计 200µA驱动电流；（7）激光修正互换性；（8）快速响应 5秒 慢流动的空气中；（9）稳定性好,低温飘,抗化学腐蚀性能。图2.8 HIH-3610电压与湿度特性曲线Fig 2.8 the HIH-3 610 voltage curve with the humidity表2.3 HIH-3610主要技术指标Table 2.3 the HIH-3 610 major technical indicators测量范围/ (%RH)测量精度/ (%R

47、H)电源电压/ V电源电流A输出范围或输出形式工作温度范围/主要特点0100+2/-245.82000.8V3.9V-40+85线性电压输出线，性能最好，抗污染能力最强由输出电压与相对湿度关系曲线可得出如下结论：（1）HIH-3610在供电电压为5V时，其消耗电流仅为200A，故HIH-3610湿度传感器对电源没有功率方面的要求，为低功耗产品的设计提供更好的解决方案。（2）HIH-3610输出电压为：Vo=Vi0.0062RH0+0.16 （公式1）即输出电压Vo不仅正比于温度测量值，且与电源电压值Vi有关，若Vi固定为5V，则其值仅由相对温度值决定。（3）HIH-3610测量的湿度值还与环境

48、温度有关，故应进行温度补偿，补偿公式为：RH=RH0/(1.0546-0.00216T) （公式2）式中：T为环境摄氏温度值。利用HIH-3610的线性电压输出可直接输入到控制器或其他装置。一般仅需取出200A电流，HIH-3610系列测湿传感器就能理想地用于低引出、电池供电系统。HIH-3610系列测湿传感器作为一个低成本、可软焊的单个直插式组建（SIP）提供仪表测量质量的相对湿度（RH）传感性能。RH传感器可用在二引线间有间距的配量中，它是一个热固塑料型电容传感元件，其芯片内具有信号处理功能。传感元件的多层结构对应用环境的不利因素，诸如潮湿、灰尘、污垢、油类和环境中常见的化学品具有最佳的抗

49、力。 图2.9单片机与HIH-3160接口Fig 2.9MCU and the HIH-3160 interface2.6 光电器件的种类与选择2.6.1光电器件的选择光电式传感器的物理基础是光电效应，即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。光电效应通常分为两大类，即外光电效应和内光电效应。在光照度测量中，常用的光电器件是光电池和光敏二级管。光电池作为光电器件需要保持温度恒定，以保证测量精度。光敏二极管的温度变化对暗电流影响很大，对光电流影响很小，较适合于光照度的测量。通过对两者的结构与工作原理及四个特性的比较可知，光电池的漏电流、结电容较大，并联电阻较小。用光电池探测辐射时，有

50、噪声大、动态范围和线性区小、响应慢等缺点。同时，光电池的疲劳现象直接影响其响应度的稳定性。另外，这两种器件的光谱特性也不同，光敏二极管的光谱特性与光谱光视效率更接近。硅光敏二极管在光照特性上、温度特性上、频率特性上等，都更适合于智能温室控制光照度传感器的测量。从光谱特性上可以看出，硅光敏二极管的光谱响应范围是400nm1l00nm，可满足设计要求的波谱范围300nm1100nm。选择硅光敏二极管作为光照度传感器的光电转换元件。根据工作环境、测量精度、线性度、互换性、灵敏度、相应速度、稳定性、功耗、体积大小以及易于与MCU接口等，本监测仪选用集成光照度传感器TSL253。2.6.2光照度采集电路

51、的组成与原理（1）.关于光照度的说明根据国际照明委员会制定的标准，光通量与光谱辐射能通量有如下关系: 式中，单位为W/mm; 单位为Im; 是683(Im/W); 为光谱光视效率。所谓照度，是每单位面积中入射的光通量，照度单位采用lm/mm，但这种单位跟光发射强度(从单位面积发射的光量)的单位相同。为了避免混淆，一般以Ix作单位。（2）.采集电路的组成与原理与温度、湿度采集电路组成相比，光照采集电路的组成较为复杂。其测光原理是利用光敏器件的光电转换原理设计的。其光谱灵敏度的特性在可见光区与十分接近，而对紫外光和红外光则无响应。设计的光照度采集电路的组成如图2.10所示:图 2.10 光照度测量

52、电路结构Fig2.10 Structure of illumination measure circuit滤光片的前面加一块乳白色玻璃片，为的是使滤光片接收的是漫射光，这样光敏二极管的响应就与入射光的方向无关了，这就是余弦修正。2.7气体传感器的选择气体传感器种类繁多。按所用气敏材料及其特性不同，可分为光学式、热学式，质量式，电化学式等，其中电化学式气体传感器根据其原理可分为:电位型，电导型，电流型。电流型传感器以其既能满足一般检测所需要的灵敏度和准确性，又有体积小，操作简单，携带方便，可用于现场监测且价格低廉等优点，在目前己有的各类气体检测方法中占有重要的地位。该类传感器可检测气体浓度范围之

53、宽(由ppb级直至百分浓度)，应用范围之广是任何一种气体传感器所难以比拟的。电流型气体传感器有许多种，用于检测不同气体，其主要应用领域有:安全检测，环境监测，以及其它特殊用途。本课题中，气体传感器用于室内空气中有毒有害气体氨气、苯、甲醛的检测。气体传感器是将空气中氨气、苯、甲醛气体的浓度转化为相应电信号的元件。传感器产生的电信号在传送、放大过程中常受各种恶劣环境和各种干扰的影响，特别是固定式仪器的传感器，长期连续运转，又有防爆和供电容量的限制，因此对气体传感器的要求非常严格。可见，传感器是气体检测报警仪的基础和核心的部件，它的优劣决定了有害气体检测报警仪的质量和功能指标。一般考察传感器有以下几

54、个项目:检测范围和分辨率;检测精度和重复性:稳定性和零点漂移;反应速度;选择性和抗干扰能力;抗中毒能力和寿命;抗环境(温湿度)影响能力;安全性，防爆性能;互换性和检修方便;体积小，重量轻、电流小、节电性好。在实际的测试中，因为本课题中不涉计到高温、易燃性气体的测量，所以选用热线型半导体气敏传感器MR511。2.8机舱通风系统的选型1 机舱通风量的确定方法 1）按换气次数计算 通风量 式中 n换气次数，可根据有无集控室在换气次数每小时2540 次范围内选取； V机舱容积（m3）。2）按设备散热量计算式中 m1主机工作场所余热计算因数； q1主机每单位功率每小时散热量，kJ/ kw·h； N主机功率（kw）； t1工作场所与舱外空气的温度差，可取58。 对于低速柴油机 q1=230285 kJ/ kw·h；m10.5； 对于高速柴油机 q1=114170 kJ/kw·h；m10.65； 对于汽轮机 q1=170230 kJ/ kw·h；m11.0。 m2锅炉工作场所余热因数，锅炉与工作地区有隔屏时m20.5，无隔屏时m21。 q2锅炉受热面散热量，火管锅炉q21 090 kJ/h·m2，水管锅炉q2840 kJ/h·m2。 F锅炉受热面积（m2）。t2工作场所与舱外空气的温度差，可取810。3）