徐海成，潘兴隆，贺 国



船用柴油机隔振气囊压力自动监测系统设计

徐海成1，潘兴隆2，贺 国2

（1．海装装备采购中心，北京 100040；2．海军工程大学动力工程学院，武汉430033）

针对某型船用柴油机气囊隔振装置气压检测过程中只能依靠人工检测，现场操作难度大，无法做到及时、准确测量等问题，以单片机为核心设计了一套气囊压力自动监测系统，可以实时、准确的检测各个气囊的压力，并自动控制气囊压力在正常范围内。

船用柴油机 气囊隔振 单片机 压力检测

0 引言

柴油机是应用最广泛的船舶动力装置原动机，与蒸汽轮机、燃气轮机、热气机等其它原动机相比，其最大的缺点是柴油机作为往复式机械设备，其振动和噪声比较大，这不仅对船舶的居住性产生较大影响，而且对船上其它设备和管路的正常工作、性能发挥和使用寿命也会产生不利影响。因此，采用柴油机作为主动力装置的现代船舶一般都采取了一定的减振降噪措施或安装有专门的减振降噪设备，其中，气囊隔振器就是一种可以有效降低柴油机振动噪声传播的设备[1,2]。

某型船采用两台柴油机作为主动力装置原动机，为减小柴油机振动噪声的传播，降低对其它设备和人员造成的不利影响，每台柴油机都安装有专门的气囊隔振装置，每个气囊隔振装置是由多个气囊组成的一个气囊阵列，其布置示意图如图1所示。隔振气囊安装于柴油机与下层甲板之间，这样柴油机的振动噪声就能被气囊吸收，切断其传播路径，使其尽量不继续向外传递到机舱其它设备和空间。

为了确保气囊隔振的效果，每个气囊的气压都需要保持在一定压力范围内。在工作过程中，如果气压降低到规定气压范围的下限值，就需要及时对气囊进行充气，当充气气压达到规定气压范围的上限值后停止充气，以免影响气囊隔振的效果和使用寿命。

1 气囊压力测量方法

对于气囊隔振器来说，气囊气压是一个重要参数。由于某型柴油机机舱条件限制，无法直接测量每个气囊内的压力值，因此，在柴油机的前部、中部和后部分别设置了三对间接人工测量点，每对测量点分上、下两个测点。如图1所示，上测量点布置在柴油机机身上，下测量点布置在舱底甲板上。如果气囊阵列中各个气囊的压力均在正常范围内，那么每对测量点的上、下测量点之间的距离也应在一定范围内。当气囊阵列中某一侧气囊的压力下降时，对应位置的上、下测量点之间的距离将变小，因此，通过测量各个测量点之间的距离，就可以间接得到气囊阵列中各气囊的压力变化情况。一旦发现某一对测量点之间距离超出了正常范围，就需要及时对气囊进行充气，现场气囊充气口如图2所示。

在日常使用过程中，要求操作人员定期对各个测量点的高度进行检测，而由于柴油机机舱空间狭小，而且测量点又在柴油机机身和舱底甲板之间，现场测量难度较大，每次测量都费时费力，操作人员也不愿下机舱测量。因此，气囊气压下降后，通常并不能及时发现并充气；另外，通过人工测量存在人为误差，而且各测量点之间的距离并不能完全反映气囊阵列中所有气囊的压力变化情况，在对气囊充气过程中需要对哪些气囊进行充气以及充气量的多少，也需要操作人员根据测量的距离并结合自己的经验来判断，存在一定的管理盲区和操作盲目性。为了提高隔振气囊气压的测量精度，并确保其在规定气压范围内，从而提高气囊隔振装置的总体效能，本文设计了一套基于单片机的气囊压力自动监测系统。

2 气囊压力自动监测系统设计

2.1总体方案

某型柴油机隔振气囊压力自动监测系统以单片机为控制核心，包括各气囊气压的实时自动检测、气压不足时自动充气和压力显示三个功能模块组成，系统总体方案如图3所示。

以单片机为核心的气囊压力自动监测系统通过循环扫描的方式，自动检测各个气囊的压力。

在图2所示的气囊充气口加装三通接头，三通接头一端接压力变送器，用于实时测量气囊压力，并将压力值在显示屏上进行实时显示；三通接头另一端通过一个电磁阀接高压气瓶或空压机，电磁阀的通断由单片机控制。初始状态下，电磁阀处于关闭状态，当检测到气囊气压下降至正常范围下限值时，通过单片机控制电磁阀打开，向对应的气囊充气；当充气气压达到正常范围的上限值时，关闭电磁阀，停止向气囊充气。

2.2 关键技术分析

气囊压力自动监测系统的关键是实时获取各气囊的压力，并据此通过电磁阀控制向气囊充气的时机和充气量。

1） 压力采集模块

压力采集模块的核心是A/D转换，本文研究过程中选择ADC0808作为压力采集模块的A/D转换器，ADC0808是8通道的8位逐次逼近型A/D转换器，可直接对压力变送器输出的0～5V电压信号进行A/D转换。其内部结构如图4所示。

如图4所示，气囊压力采集模块的A/D转换过程如下：

首先，与各气囊相连的压力变送器将气囊压力信号转换为0～5V的电压信号后，送入模拟量输入端口IN0～IN7。

然后，由模拟通道地址译码选择信号ADDA、ADDB、ADDC的状态确定某一时刻选通开始A/D转换的具体通道，其中ADDA为低位，ADDC为高位。例如，如果ADDC、ADDB、ADDA的值为000时，IN0端口被选通，与IN0端口相连的压力变送器的电压值送入比较器开始A/D转换；当ADDC、ADDB、ADDA为001时，IN1端口被选通，与IN1端口相连的压力变送器的电压值送入比较器开始A/D转换。

第三，经转换后的数字量送入数据输出端D7～D0，其中，D7为最高位，D0为最低位，D7～D0为三态可控输出，因此可直接与单片机I/O端口相连接。

第四，单片机读取数据输出端D7～D0的值，并将其换算为对应的气囊压力值，输出至显示屏进行显示。

通过单片机控制模拟通道地址译码选择信号ADDA、ADDB、ADDC的状态，就可以根据需要依次读取各个气囊的压力值，并进行转换和显示。

2）开关量输出模块

开关量输出模块用于控制电磁阀的状态，当检测到某一气囊压力下降至正常范围的下限值时，单片机控制对应的电磁阀接通，向气囊充气；当充气气压达到正常范围的上限值时，关闭电磁阀，停止向气囊充气。为了避免单片机电路和电磁阀电路之间的相互干扰，开关量输出模块采用了光电隔离技术。另外，由于单片机采用的是5V电源，而电磁阀是由12 V电源供电，由于光电耦合器的输入与输出端不需要“共地”，可使两部分电路的电源相互独立，消除电位不同造成的影响[3,4]。单片机控制电磁阀的电路原理如图5所示。

如图5所示，光耦的输入回路通过DO端与单片机的I/O输出端相连，当单片机输出低电平时，光耦导通；当单片机输出高电平时，光耦截止。光耦的输出回路为光电三极管，三极管的导通和截至特性可作为开关使用，当光耦导通时，电磁阀接通，向气囊充气；当光耦截止时，电磁阀断开，停止向气囊充气。其中，Q1为PNP三极管，用来驱动电磁阀，D1为续流二极管，用来吸收电磁阀断开时产生的瞬时反向电动势。

2.3实验验证

根据上述方案，以三个气囊组成的系统为例，利用Protues电路仿真软件，结合Keil编程软件[5,6]，对设计的某型柴油机隔振气囊压力监测系统的功能进行实验验证，系统实验原理图如图6所示。

图6中，RV1～RV3分别模拟三个气囊的压力，其模拟量值分别接入ADC0808的IN0～IN2通道。对于IN0～IN2三个通道而言，只用ADDA和ADDB两位地址译码信号即可， 所有将ADDA和ADDB分别接单片机的P2.4口和P2.5口，而将ADDC直接接地。地址锁存允许信号ALE由单片机P2.6口控制。假设某一时刻单片机P2.4口和P2.5口均输出低电平，则通道IN0被选通，对应的模拟量值通过IN0通道进入ADC0808中进行A/D转换，转换完成的结果输出至OUT1～OUT8端口，当单片机需要读取转换完成的数据时，通过P2.7口控制ADC0808的允许输出信号端OE，ADC0808的输出三态门被打开，转换结果通过数据总线被读入单片机的P1.0～P1.7口；经过单片机处理后，转换为气囊气压值，通过P0.0～P0.7口输出，在数码管中进行显示。

需要读取其它气囊的气压值时，只需通过单片机的P2.4口和P2.5口改变ADDA和ADDB的值，即可选通需要的通道，对应的气囊气压值就被送入A/D转换器进行转换。通过循环扫描各个通道，即可实时监测各气囊的气压值，一旦发现某一气囊气压值过低，则通过P2口控制电磁阀接通，向气囊充气。

3 结语

气囊隔振是降低柴油机振动噪声的一种有效途径，气囊压力是气囊隔振器的一项重要参数。针对某型船用柴油机隔振气囊压力参数无法自动检测，仅依靠人工检测不仅现场操作难度大，而且无法及时准确获取气囊压力变化情况并及时充气等问题，设计了一套气囊压力自动监测系统，可以实时自动检测各个气囊压力，并据此自动控制高压气向气囊充气，确保气囊压力维持在正常范围。

[1] 束立红，胡宗成，吕志强. 国外舰船隔振器研究进展[J]. 舰船科学技术，2006，28（3）：109-112.

[2] 顾太平，何琳，黄炼，一种气囊承载特性分析方法[J]，海军工程大学学报，2011, 23（3）：49-52.

[3] 潘兴隆，贺国，高世伦. 光电耦合技术在电路故障诊断中的应用[J]. 船海工程，2008，37（4）：19-22.

[4] 谢子青. 光电隔离抗干扰技术及应用[J]. 现代电子技术，2003,（13）：33-37.

[5] 钟珊，尹斌.基于Protues的温度测控系统仿真研究[J]. 电子设计工程，2012,19（24）：123-129.

[6] 廖振俭，张凤登，石秋婵. Protues仿真设计基于单片机AT89C52的多通道数据实时采集显示[J]. 微计算机信息，2010,26（12）：89-91.

Design of Pressure Parameter Automatic Monitoring System of Air Suspension for Marine Diesel Engine

Xu Haicheng1, Pan Xinglong2, He Guo2

(1. Procurement Center of Navy Equipment Department, Beijing 100040, China;2. College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The air pressure test of air spring on a certain marine diesel engine depends on manual detection, and thus the field operation is difficult and the result can’t be obtained timely and accurately. To deal with the problem, an automatic air pressure detection system is designed on the basis of single chip microcomputer. By using the proposed automatic detection system, the pressure parameter of each air spring can be obtained timely and accurately, and the air pressure remains in normal range.

marine diesel engine; air suspension; single chip microcomputer; pressure detection

TP274

A

1003-4862（2016）03-0037-04

2016-01-09

徐海成（1983-），男，工程师。研究方向：机电系统设计、装备管理。