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(签字)：
日期：2012 年 4月
日
20
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 important, 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 air
for the burning of engine and bring away the heat emission from the engine．Engine room ventilation system design is doing for building a special condition，such as the
temperatures, humidity, air speed, the cleanliness of the air and the element percent of air, to insure the amount of air needed by the engine，boiler and incinerator burning，and improve the working environment of the working person in engine room．
The 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 measured 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, photosensitive, 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 running 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 System has a guiding role.
Key words：Cabin, Environment, Microcontroller, Sensor
目 录
1绪 论 ................................................................... 1
1.1课题研究背景 ....................................................... 1 1.2 船舶机舱监测系统发展与现状 ........................................ 1 1.3本次设计的主要工作 ................................................. 3 2 控制系统的方案设计 ...................................................... 4
2.1系统的构成 ......................................................... 4 2.2 单片机AT89S52的介绍 .............................................. 5 2.3 A/D转换器 ........................................................ 8
2.3.1 主要特性 ..................................................... 8 2.3.2 TLC549工作原理 .............................................. 9 2.4 温度传感器的选型 ................................................. 10
2.4.1 温度传感器主要特性 .......................................... 10 2.4.2 AD590的工作原理 ............................................ 11 2.4.3 电路设计 .................................................... 11 2.5湿度传感器的选型 .................................................. 12
2.5.1湿度传感器的选择 ............................................ 12 2.5.2 HIH3610主要特性 ............................................ 13 2.6 光电器件的种类与选择 ............................................. 15
2.6.1光电器件的选择 .............................................. 15 2.6.2光照度采集电路的组成与原理 .................................. 15 2.7气体传感器的选择 .................................................. 16 2.8机舱通风系统的选型 ................................................ 16 3 系统的硬件设计和连接 ................................................... 20
3.1主控模块 .......................................................... 20 3.2显示模块 .......................................................... 20 3.3 A／D转换模块 ..................................................... 21 3.4 温度和湿度采集模块 ............................................... 21 3.5光照度采集电路的设计 .............................................. 21
3.5.1光照度采集电路的设计 ........................................ 21 3.5.2光照度采集试验与分析 ........................................ 22 3.6继电器控制电路 .................................................... 23 3.7 TLC549与AT89S52的接口电路设计 ................................... 24 3.8 键盘设计 ......................................................... 24 3.9输出驱动的设计 .................................................... 25 3.10 电源电路的设计 .................................................. 26 3.11 报警电路设 ...................................................... 27 4 系统软件方案的设计 ..................................................... 28
4.1 程序流程图 ....................................................... 28
4.1.1 温湿度主程序流程图 .......................................... 29 4.1.2 报警器流程图 ................................................ 30
4.1.3 A/D转换子程序流程图 ....................................... 30 4.1.4 键盘中断流程图 .............................................. 31 4.2 上位机软件设计 ................................................... 32 结 论 .................................................................... 34 致 谢 .................................................................... 35 参考文献 ................................................................. 36 附录 ..................................................................... 37
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）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
[2]
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，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。
温控单元主控单元湿控单元光控单元通风控制电源执行机构
图2.1 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。
温度传感器串行接口湿度传感器光传感器氧气传感器键盘单片机AT89S52显示模块存储模块控制通风扇的继电器、接触器风扇指示灯
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 system
现场通风扇
2.2 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Flash，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：0Hz～33Hz； (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，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。
T2/P1.0T2 EX/P1.1P1.2P1.3P1.4MOSI/P1.5MISO/P1.6SCK/P1.7RSTRXD/P3.0TXD/P3.1-INT0/P3.2-INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5-WR/P3.6-RD/P3.7XTAL2XTAL1GND12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221VccP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7-EA/VPPALE/-PROG-PESNP2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A8
图2.3 AT89S52芯片的引脚图 Fig 2.3 the AT89S52chip pin diagram
P1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（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 P1.0 P1.1 P1.5 P1.6 P1.7 第二功能 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制） MOSI（在系统编程用） MISO（在系统编程用） SCK（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，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 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 第二功能 RXD（串行输入） TXD（串行输出） INT0（外部中断0） INT1（外部中断1） T0（定时器0外部输入） T1（定时器1外部输入） WR（外部数据存储器写选通） RD（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/PROG：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（PROG）也用作编程输入脉冲。
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。
PSEN：外部程序存储器选通信号（PSEN）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，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。
EA/VPP：访问外部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，EA必须接地。
为执行内部程序指令，EA应该接VCC。 在Flash编程期间，EA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、CS、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17μs，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：
VCCRESET/WPVSS/CSSISCKSO
图2.4 TLC549引脚图 Fig 2.4 TLC549 pin diagram
TLC549的极限参数如下： 电源电压：6.5V；
输入电压范围：0.3V～VCC＋ 0.3V； 输出电压范围：0.3V～VCC＋0.3V； 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)：±30mA； 工作温度： 0℃～70℃ TLC549I：－40℃～85℃
TLC549M：－55℃～125℃
2.3.2 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CS置低。内部电路在测得CS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 OUT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，CS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。如果CS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CS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100Ω，铜电阻阻值为50Ω，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-180℃~2800℃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，同时也降低了检测的可靠性[6]。所以根据所要监测的温度范围-50℃~80℃，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(μA)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μA；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4～30V，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710mΩ；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1μA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 AD590
AD590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1μA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Io=(273+25)=298μA。Vo的值为Io乘上10K，以室温25℃而言，输出值为2.98V(10K×298μA)。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)μA(T为摄氏温度)，因此量测的电压V为(273+T)μA ×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（100K/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。
+12V-OP1+12VV1-5V+12VOP2100K20KOP310K+12V++12VV0-5V100K-20KV2+10K-5V
图2.6 AD590温度传感器使用原理图 Fig 2.6 AD590 temperature sensor schematic
2.5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-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-3610
2.5.2 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：0～100%RH非凝结，宽工作温度范围 –40～85℃；（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。
4.54.0输出电压V3.53.02.52.01.51.00.50.020406080100相对湿度%0.80℃25℃85℃4.073.903.50
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
测量范测量精度 围 / (%RH) / (%RH) 线性电压输出线，性能0～100 +2/-2 4～5.8 200 0.8V～3.9V -40～+85 最好，抗污染能力最强 / V μA 出形式 范围/℃ 电源电压 电源电流 输出范围或输工作温度主要特点
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200μA，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=Vi[0.0062RH0+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200μA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力。
VDDHIH-3160TOMCUADCOUTGND
图2.9单片机与HIH-3160接口
Fig 2.9MCU and the HIH-3160 interface
2.6 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400nm~1l00nm，可满足设计要求的波谱范围300nm~1100nm。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 式中，
单位为W/mm;
单位为Im;
是683(Im/W);
为光谱光视效率。
与光谱辐射能通量
有如下关系:
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:
乳白色玻璃片可见度修正滤光片光电元件放大电路
图 2.10 光照度测量电路结构
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个项目:①检测范围和分辨率;②检测精度和重复性:③稳定性和零点漂移;④反应速度;⑤选择性和抗干扰能力;⑥抗中毒能力和寿命;⑦抗环境(温湿度)影响能力;⑧安全性，防爆性能;⑨互换性和检修方便;⑩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
3QnVm/h
式中
n——换气次数，可根据有无集控室在换气次数每小时25～40 次范围内选取； V——机舱容积（m3）。
2）按设备散热量计算
Qm1q1Nm2q2F(m3/h)1.2t11.2t2
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5～8℃。 对于低速柴油机
q1=230～285 kJ/ kw·h；m1＝0.5； 对于高速柴油机
q1=114～170 kJ/kw·h；m1＝0.65； 对于汽轮机
q1=170～230 kJ/ kw·h；m1＝1.0。
m2——锅炉工作场所余热因数，锅炉与工作地区有隔屏时m2＝0.5，无隔屏时m2＝1。 q2——锅炉受热面散热量，火管锅炉q2＝1 090 kJ/h·m2，水管锅炉q2＝840 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8～10℃。 3）按燃烧所需的空气量计算 柴油机燃烧所需的空气量
3QGfvmN m/h 1式中
Gf——连续最大功率时的燃料消耗率（kg/kw·h）； v——每公斤燃料完全燃烧时所需的空气量（ 约12 m3/kg）；
m——过量空气系数，对于大型低速二冲程柴油机m＝3～3.6，对于中速四冲程柴油机m＝1.5～2；
N——柴油机连续最大功率（kw）。 锅炉所需的空气量
Q2Gfvm m3/h
式中
m——过量空气系数m＝1.3；
v——每公斤燃料完全燃烧时所需的空气量（38℃时约12.1 m3/kg）；
α——余量系数， α＝1.15； Gf——燃料消耗量kg/h； 所需通风总量 Q＝Q1＋Q2 m3/h。 4）按主机功率估算
对于具有结合机、炉舱的船舶，通风量约 7.4～8.0 m/kw·h。
2 系统的布置
根据机舱通风量做出系统的布置。先确定风机的台数，每台风机的风管独立布置、自成体系，分别向不同的部位供风。通风管系的布置类型主要有以主管为主、或以支管为主、以及主支管结合的环管通风3 种类型管系，其中第一种类型采用的最多。管系的布置：采用重点局部通风，新鲜空气送至主要的工作场所以及一些高温处所。吹风应避免直接吹到机身，以免产生热应力和其他一些不良影响。
3 风管尺寸的确定和风管阻力的计算 1）确定风速
首先确定主管中的风速，推荐风速6～16 m/s；然后依次确定其后各段主管和各分管中的风速。一般风量每降低10％，风速约降低0.5 m/s。
2）确定管径
根据每段管中的风量和风速查表得所需风管的当量直径，若采用圆管，此当量直径就是管径；若采用矩形管，再查表求得矩形的每边长。 3）阻力计算
进行通风管道的计算时必须确定压力损失。压力损失包括局部阻力损失和摩擦阻力损失，由于船舶通风管道短而且曲折多，所以局部阻力损失比较大，局部阻力损失为 式中
pv22
3
x ——局部阻力系数。
局部阻力系数可以查表求出。摩擦阻力损失可以根据风管的形状并根据风量和直径从图中查出单位长度的摩擦阻力再计算。 4 风机选型
风压和风量确定之后，根据通风机的性能就可以选用适当的风机。通风机的工作点应为管道性能曲线与通风机性能曲线的交点。通风管中总的压力损失即摩擦阻力和局部阻力之和也就是风机需要的全风压（因为出口动压已经包括在出口局部阻力之内），风机的压头应留有10％～15％的余量以补偿被忽略了的阻力损失，以及应付非设计工况。管网系统的阻力取决于流经系统的气体的密度，若实际气体的阻力大于设计阻力，会导致风机达不到设计流量（见图2.11）；若设计阻力大于实际阻力会导致风机排量大于设计值，所需的功率增大，效率下降。风机的配置功率（标准状况空气条件下：标准大气压，20℃，相对湿度50％）为
压头风机特性线设计工况阻力小阻力大管网特性线流量
图2.11 性能曲线及设计流量
Fig 2.11 Performance curves and design flow
NKQH9.8KQH2.66105 (kW)3600102mm
式中
K——电动机容量安全系数； Q——风量，m3/h； H——风机全压，Pa； m——传动机械效率； ——全压效率；
根据风量、风压和功率即可选用通风机型号。
5．电动机的选择
风机电动机选择原则：（1）电动机工作时，其发热应接近其许可温升，但不得超过。（2）电动机必须具有一定的过载能力，以保证在短时过载的情况下能正常运行。（3）电动机应具有被拖动对象所需要的起动转矩，只能大不能小。在选择电机的功率时，应有适当的备用功率。电动机的负载率一般为75％～95％，过大的备用功率会使电动机的运行效率降低，并且提高了投资费用。
6．空气过滤
为了防止在港口装卸货期间有粉尘等进入机舱，应为至少一台风机的供风系统配备过滤装置，以过滤灰尘，并且该装置应便于拆装清洗。一般情况下，风机的进口都有通风栅，通风栅有以下几种类型：固定式线网风栅、可调节式线网风栅、直槽式通风栅、圆型通风栅、横槽式通风栅和带导风片直槽式通风栅，可以根据需要选定。
3 系统的硬件设计和连接
3.1主控模块
采用AT89S52单片机作为系统的控制器。Pl口控制数码管显示温度和湿度值。P2口与TLC549连接．实现湿度模拟电压量转换为数字量便于单片机处理。键盘控制采用PO口．其中PO．O是温度的设置，PO．1是湿度的设置，PO．2／PO．3是分别对温度与湿度的上／下限值进行设置。原理如下图：
VCCR51KΩ *8J187654321VCCJ487654321Y1123456781011121314151617918393837363534333221222324252627283029。12345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7ALE/-PROGPESN12345678J1C110uF818E-PB。。。。R12kΩRXDIXDINI0INI1I0I1-WR-RDRESETX2X1-EA/VPJ3R2C21912MHz200kΩ33uF31C333uFVCC
图3.1 AT89S52单片机各引脚功能 Fig 3.1 the AT89S52chip pin function
3.2显示模块
系统采用动态显示方式驱动6个数码管工作，其中4个数码管用来显示温度值，2个用来显示检测到的湿度值。用74LSl38的输入端来选择位码．单片机的P1口控制数
码管的断码。如检测到的温度与湿度发生变化时，数码管即会发生相应的变化，起到实时显示功能。
3.3 A／D转换模块
采用TLC549转换芯片，用于实现模拟量向数字量的转换，由于模拟转换电路的种类很多，选择A／D转换器从速度，精度和价格方面考虑．其内部是8路模拟选通开关。以及相应的通道抵制锁存译码电路，转换时间最长17μs左右，单电源供电。
3.4 温度和湿度采集模块
湿度的检测方法，一般采用湿敏元件检测，分为湿敏电阻和湿敏电容两种情况。基于本次设计，采用了HIH-3610相对湿度传感器它是一种热固聚脂电容式传感器。采集到的湿度信号再配以进行适当的放大，经过A/D转换送至单片机。实现湿度的显示与控制。电路连接图如图3.2所示。其湿度传感器用一个电解电容代替。
+5VP2.3P2.4P2.5+5VVCCRESET/WPVSSTLC549/CSSI18327R15.1KSCKSOR195.1KCHIH-3610VCC
图3.2 湿度检测模块与单片机的连接图
Fig 3.2humidity detection module and MCU connection diagram
3.5光照度采集电路的设计
3.5.1光照度采集电路的设计
由于硅光敏二极管输出的是极其微弱的光电流，大约是2μA左右，因此需要一个放大电路，在保证输出信号线性的条件下，将输出的电流信号转换为对应的电压信号。除去图2.8所示的乳白色玻璃片和可见度修正滤光片外，所设计的光照度检测电路如图3.3所示。这是一个运算放大器构成的电流—电压转换电路。
0.47uF 450K 200K +15V — +3DU050C LF411 -15V VOUT
图3.3光照测量电路
Fig 3.3 Illumination measure circuit
硅光敏二极管输出电流信号经放大电路转换为电压信号输出，放大器输入电阻相对光敏二极管可以视为短路，则放大器的输出电压
V0IiRfri，这种方式可以获得线
性良好的电流一电压变换。电路选用的硅光敏二极管型号为3DU050C，光谱范围为450nm～1150nm，用于可见光、红外光检测，光电流人(l000LX—10V)>=5mA，暗电流
Id(0LX10V)0.1A，击穿电压
VCEO(v)30v，耗散功率Pd(mW)=150mW，封装φ5黑
胶。
3.5.2光照度采集试验与分析
由于实验条件有限，没有可知辐照度的光源作为测量基准，所以选用光照度传感器TSL253作为测量对比。该传感器的光照度一电压值可认为线性关系，所设计的测试电路也参考了其内部的电路连接方法。测试环境为室温，测试光源用可调节普通白炽灯泡，测试的照度为白炽灯泡的辐照度，测试时通过可调白炽灯泡来控制照度的强弱。把光照度检测电路和TSL253传感器置于自制的暗室中，暗室中保证电路工作在一定的温度环境下。直流电源为光照检测电路提供一定的工作电压，传感器的输出接数字万用表，通过调节灯泡的亮度，可以测得光照检测电路和TSL253传感器的输出电压值。反复测量取较为理想的数据，所得的光照度一电压测量值如表3.1和图3.4所示。
表3.1 光照度-电压测量值 Table.3.1 Data of illumination-voltage
辐照度（W/mm） 119.76 179.9 239.52 299.4 359.28 419.16 479.04 563.47 TSL253（mV） 200.3 300.5 400.6 500.4 600.8 700.1 800.6 941 电压值（mV） 180.3 265.5 351.6 440.0 528 608 675 778 辐照度（W/mm） 679.64 785.63 895.21 982.04 1063.4 1173.6 1217.4 1268.3 TSL253（mV） 1135 1312 1495 1640 1776 1960 2033 2118 电压值（mV） 910 1059 1211 1316 1410 1538 1590 1656
2500 2000 1500 mV1000 5000200图3.4光照度—电压曲线
Fig.3.4 Curve of illumination—voltage
从图中可以看出所设计的光照度检测电路输出的电压和传感器TSL253之间存在一定的差值，着主要是光敏二极管的型号与TSL253传感器中的光敏二级管不同，性能存在差距，另外由于实验条件限制，传感器没有装置可见度修正滤光片，在一定程度上造成了照度计光谱可见度与标准相对可见度的测量差。实验中由于在室内使用白炽幻一泡作为光源，发热量较大，也影响了环境温度，与室外相比较导致量的误差。从图中也可看到对本测量电路而言，其光照度一电压曲线线性度和TSL253传感器相比，性度良好，可用来测量相应工作环境中的光照度。
将数据制成表格，存入单片机内存中。
400 600800100012001400W/mm
3.6继电器控制电路
电磁式继电器具有结构简单、工作可靠、坚固耐用、价格便宜等优点．应用极其广泛，它是最为典型和常用的继电器。本电路采用常闭继电器由单片机控制，当温度或湿度异常时，继电器开始工作且开关切断电源，小灯熄灭，从而起到保护系统的作用。其电路如图3.5。
VCCDD1R43240Ω…L13DD1Q11R51kΩPLAY2NPN
图3.5继电器控制电路 Fig 3.5 relay control circuit
3.7 TLC549与AT89S52的接口电路设计
本设计采用TLC549与单片机AT89S52相连实现电信号的转换与采集，TLC549具有转换误差小，与单片机接口简单的特点，连接图如下图3.6所示。
T2/P1.0T2 EX/P1.1P1.2P1.3P1.4MOSI/P1.5MISO/P1.6SCK/P1.7RSTRXD/P3.0TXD/P3.1-INT0/P3.2-INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5-WR/P3.6-RD/P3.7XTAL2XTAL1GND1234567891011121314151617181920VccP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7-EA/VPPALE/-PROG-PESNP2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A8AT89C524039383736353433323130292827262524232221VSS/WPRESETVCCSOSCKSI/CSTLC549
图3.6 TLC549与AT89S52的连接图
Fig 3.6 the TLC549and AT89S52connection diagram
3.8 键盘设计
用了几个简单的按键将它们拼成了一个简易的键盘。为提高CPU的效率，键盘采用中断方式。按键对单片机的接口电路图如图3-7所示。这里的键盘我并没有用专业的键盘。因为如果利用通讯接口连接带有专业键盘的上位机，就显得华而不实。
+5VR224.7KR214.7KR204.7KS3S2S11234567891011121314151617181920T2/P1.0T2 EX/P1.1P1.2P1.3P1.4MOSI/P1.5MISO/P1.6SCK/P1.7RSTRXD/P3.0TXD/P3.1-INT0/P3.2-INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5-WR/P3.6-RD/P3.7XTAL2XTAL1GNDVccP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7-EA/VPPALE/-PROG-PESNP2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A84039383736353433323130292827262524232221AT89C52
图3.7 按键与单片机的接口电路图 Fig 3.7 keys and microcontroller interface circuit
3.9输出驱动的设计
将继电器接到单片机AT89S52的P1.5、P1.6口，开关输出控制加湿或者除湿装置电路，单片机将采集到的温湿度数字量与预设的基准上下限进行运算比较处理后，从P1.5、P1.6口输出驱动电磁继电器，对温湿度装置进行调节，以及电源通断等控制。驱动电路与单片机的连接电路如图3-8所示。当检测的湿度值高于设定的湿度值范围时,单片机AT89C52将使P1.6输出低电平,停止加湿器加湿;同时使P1.5输出高电平,使除湿器进行除湿；当检测的湿度值低于设定的湿度值范围时, 单片机AT89S52将使P1.5 输出低电平,停止除湿器除湿;同时使P1.6输出高电平，使加湿器进行加湿。
P1.5P1.6R3D1RL112加湿装置R2R123U267D2OPTOCOUPLER-NANDU1R42367D4D3RL212除湿装置OPTOCOUPLER-NAND
图3.8 驱动电路与单片机的连接 Fig. 3.8 drive circuit connected with the MCU
3.10 电源电路的设计
采用全桥整流电路将交流电压转化为直流电压,系统硬件电路要求电源额定电压为5 V ,单片机系统要求电源电压的纹波系数尽可能小,基于以上要求,选用固定输出线形稳压集成器LM78H05。该稳压器的输入电压VIN 在7 V～35 V 的范围变化,输出电压可保证为5 V 输出和A/D转换芯片TLC549的电源电压。该稳压器还具有过热保护和过压保护功能,线性稳压结构可使电源纹波系数降低。
6.5VTR1C10.1uFC50.5uFC40.1uFTRAN-2P2SC2220uFVR1S20K550BR17805VIN VOUT5VC70.1uFC30.1uFC60.1uFR11K
图3.9 电源电路的设计 Fig 3.9 power circuit design
3.11 报警电路设
本设计采用峰鸣音报警电路。峰鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过MCS-51的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以用一个晶体三极管驱动。在图中，P3.2接晶体管基极输入端。当P3.2输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫；当P3.2输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。
+5VPB2130UP002AAT89S52P3.23.3KNPN5.6K
图3.10 三极管驱动的峰鸣音报警电路
Fig 3.10 Transistor drive the buzzer tone alarm circuit
4 系统软件方案的设计
机舱环境监测系统主程序的设计应考虑以下问题：（1）各环境参数采样，数字滤波；（2）越限报警和处理；（3）标度转换；（4）数据显示。通常，符合上述功能的温度控制程序由主程序和T0中断服务程序两部分组成。
在该软件系统中，定时器T0为工作方式1，定时周期为125ms，8次定时器中断为1S，由于实际环境温度和湿度变化是连续和平缓的，故这里采用分段定值平缓滤波算法处理每次测得的温度和湿度值，有效防止了突发干扰使测得值波动很大，导致反馈系统关启工作，影响系统的稳定，提高了系统的抗干扰性。
4.1 程序流程图
T0中断保护现场设定1s时间计数是否到1s?Y环境参数数据采样N标度变换是否越限？N显示Y报警程序重装时间常数恢复现场返回
图4.1主程序流程图
Fig 4.1 The main program flow chart
4.1.1 温湿度主程序流程图
温湿度监测电路的构成是非常简单的，但是这往往是以牺牲程序的简洁为代价的，简洁的硬件是靠复杂的软件支撑的。主要原因是单总线的通信协议和它的各种命令的处理、数据的读写，以及相关ROM处理想对于其他总线接口的处理都要复杂得多。
温湿度数据采集程序开始运行时，先设堆栈，保证数据的有序进入，再清除单片机中的缓存以及数据显示等准备工作，按下键盘按键进行温湿度数据采集。单片机系统上电后，进入初始化程序，完成片内各模块的设置、清LCD存储器、端口设定等初始化工作，然后转入主程序，开启中断，循环设置低功耗模式并执行空操作。温湿度采集的主程序流程如图4.2所示。
开始设堆栈清标志清缓存清显示T0初始化串行口初始化CPU开中断扫描键盘温湿度采样显示
图4.2 温湿度主程序流程图
Fig 4.2 flow chart of main program of temperature and humidity
4.1.2 报警器流程图
在船舶机舱环境监测系统中，为了防止各环境参数超出设定值时，由于人的疏忽
或者超出范围较小时不易察觉，影响机舱设备的正常运行以及工作人员的身体健康，因此一定要有报警系统。
报警系统与单片机连接，当单片机P3.2口输出高电平“1”时，启动报警系统。各环境参数在正常范围时，P3.2口输出低电平，报警停止。报警器流程图如图4.3所示。
报警置位报警标志报警持续计数器置初值启动报警返回图4.3 报警器流程图 Fig 4.3flow chart of alarm
4.1.3 A/D转换子程序流程图
采用TLC549转换芯片，用于实现模拟量向数字量的转换。当有电流、电压等模拟
信号量进入时，A/D转换开始。TLC549转换芯片CS引脚置高电平，CLK引脚置低电平，移位计数器R0设初值为0，TLC549进行A/D转换。
开始CS置高，CLK置低，移位计数器R0为0CS置低选中TLC5491.4us后CLK置高读DOUT、CLK置低R0加1,8位读完？YCS置高转换值存入缓冲区N子程序返回
图4.4 A/D转换子程序程图
Fig 4.4 A / D conversion process diagram
4.1.4 键盘中断流程图
为提高CPU的效率，键盘采用中断方式。当信号输出进入稳态之后,系统就会等待
键盘产生中断。一旦有键按下,经过去抖动确认之后,单片机就会读入键盘的键值，然后转各键处理子程序。
入栈保护键盘扫描读键值N有键按下？Y调延时20ms子程序N有键闭合？Y转各键处理子程序恢复现场返回
图4.5 键盘中断流程图 Fig 4.5keyboard interrupt flowchart
4.2 上位机软件设计
系统界面当中用到了Picture box、Text box、Timer等几个控件。首先，将这些控件一一拖入窗体当中，摆放好其位置。接着在图片控件中加载一个背景图片，选中图片控件，其属性当中有个“Picture”，选择图片的目录，再点击打开，图片被成功加载。日期的显示是利用Timer和Label控件实现的，Timer的特点是每隔一定的时间间隔产生一次Timer事件，将其Internal属性设置为1000，即1秒。
实时显示界面是上位机对下位机的实时监测，对下位机上传的数据进行界面数据实时显示。界面上的六个按钮分别为参数设置的确定键、下位机初始化、采集、停止、历史数据及退出键，如图4.6所示。点击采集键，上位机会发送命令字，使下位机开始采集数据并送至上位机，进行实时数据显示，如图4.7所示。在参数设置框内，可以对下位机初始化、对采样频率进行设置、设置警报值。为了能与下位机实现通信，此界面需添加MSComm控件。还需要添加DATA控件与数据库进行绑定，再利用Text Box控件与DATA控件进行绑定，这样将温度数据送给Text Box后，温度数据就会被存入数据库中。
图4.6 初始界面 Fig 4.6 the initial interface
图4.7实时数据显示界面 Fig 4.7 Real-time data display interface
结 论
本次专业毕业设计：基于AT89S52单片机的船舶机舱环境监测系统的设计，已经基本完成。通过这次毕业设计，我掌握了一些实践性质的设计的基本步骤：首先，明确设计任务，并且要对市场上温湿度控制器要有初步了解，还要知道前人做了哪些工作，本设计方案的可利用程度等等。其次，要对整个设计系统做深入的方案论证、计算并且结合现有实际条件，确立自己的设计方案，进而，就是对自己确立的方案进行硬件实现，包括所用原器件选型，以及控制部分整个单片机系统的硬件选型与设计。接着我们就进入到软件编程设计了，要画出各部分的大体流程图，弄清楚各个部分实现的功能，最后对整个系统进行软件编程实现。到此为止，这个系统的设计基本上已经完成了，最后就是要经过生产实践的检验，确定我们的设计是否符合实际要求，具有可利用价值。
本系统采用的单片机控制，实现对船舶机舱环境的智能控制，单片机可完成舱内的数据采集、传送预处理和控制任务。用单片机汇编语言编程，采用模块化的结构设计，提高了可靠性和可扩展性。把单片机控制理论与技术应用在监控中，能够实现智能化的控制要求。整个设计过程同时也是一个很好的学习机会，例如运用Proteus绘图，经过这次设计后自己在这方面有很大地进步，画图的熟练度有了明显的提高； 在查找资料方面，认识到：图书资料、网络资料和期刊等都很有价值，以后做设计的时候要注意查找完整的资料，不要只偏重一个方面。当然整个设计过程学到的知识和经验远远比运用Protel、学会查找多方资料多得多，这些对于自己以后的学习和工作将受益匪浅。但必须认识到的是，在设计中也存在着不足之处，例如单片机控制系统在可靠性方面相对于可编程控制器（PLC）控制系统略为欠缺，并且自己深入实践不够，所做的系统也不是很完善。但是我想通过以后的学习和努力一定会有所提高，能够做出更好的设计。所设计系统不仅适用于舱内环境的控制，对软件进行一定的扩展后也可用于大型的实验室、医疗室、储藏保鲜、组织培养等生物环境和粮库等环境的控制，具有较强的通用性和适应性。
虽然到现在为止，有些东西我还是不懂和不理解，但我学会了面对问题，自己尽量解决，先分析，然后解决，一条道通不过然后尝试着其它的方法，最终把问题克服掉。最重要的是锻炼了和同学的协作完成任务，提高了合作能力。我感觉这是这次设计过程中收获最大的，这将是我未来的工作中 用之不尽宝贵的经验。感谢那些帮助过我的同学，感谢他们在自己做毕业设计的情况下还帮我找资料并对我的设计提出宝贵的意见。
总体来说，经过这次课程设计，我受益良多，也得到了很多经验。我明白了只有自己真正接触尝试了，才知道自己的真实水平。也使我看清了自己的知识水平与各种综合能力，找出了自己的不足和差距。我将明确自己在今后要奋斗的目标与方向，勇往直前。
致 谢
在本次毕业设计的过程中，我在众位老师、同学的支持和帮助下，完成了我的毕业设计和论文。首先向我的导师刘文江老师表示最真诚的谢意！在这几个月的时间里，刘老师给了我无私的关怀和帮助，帮助我顺利地完成硬件的设计和论文的定稿，并替我解决难题，给了我莫大的帮助与鼓励，他以其渊博的学识、严谨的态度和高尚的师德向我们展示了为人师表的风范。
老师的鼓励和帮助以及同学的协助都是我永远铭记在心的，我将会继续努力学习。
参考文献
[1]. 杨玉满. 基于GIS的港口信息管理系统的研究[D].2008，大连海事大学 [2]. 尚新宇. 智能化船舶机舱监测报警系统的研究[D].2001，大连海事大学 [3]. 王忠民．微型计算机原理．西安电子科技大学出版社．2008 [4]. 李朝青．单片机原理及接口技术．北京航空航天大学出版社．2009 [5].（美）弗洛伊德 著，余璆改编．数字电子技术．电子工业出版社．2006.6 [6]. 李建民．单片机在温度控制系统中的应用.江汉大学学报．1996
[7]. 沈德金，陈粤初．MCS-51系列单片机接口电路与应用程序实例．北京航空航天大学出版社．1990
[8]. 刘笃仁，韩保君．传感器原理及应用技术．机械工业出版社．2003 [9]．胡汉才．单片机原理及接口技术．清华大学出版社．1996.
[10]．孙建军，吴太虎. 基于电力线通信技术的远程温湿度数据采集. 2004 [11]．赵修良. 于LabVIEW 的多路温湿度测量系统 湖南科技学院学报 . 2009 [12]. 何利民． MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2001
[13]. 李杏春，徐平，李华，赵嘉蔚编． 8098单片机原理及实用接口技术[M]．北京航空航天大学出版社，1996
[14]. 李华，孙晓民，李红青． MCS- 51系列单片机实用接口技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1993
[15]. 周润景，张丽娜．基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真．北京航空航天大学出版社，2006
附录
程序清单
1 温度采集初始化程序
ORG 0300H;
ADCON: MOV DPTR, #0F0FFH;
MOV A, #00H; HERE: JNB P2.1RE; MOVX A, @DPTR; MOV 20H, A; RET ；
2 湿度采集初始化程序
ORG 0301H
ADCON: MOV DPTR, #0F0FFH; MOV A, #00H;
MOVX @DPTR, A; HERE: JNB P2.2E; MOVX A, @DPTR; MOV 20H, A; RET ；
3 显示电路程序 程序： ORG 0700H; DIS:
MOV R5, #04;
MOV R0, #30H; MOV DPTR, #TAB; LOOP: MOV A, @R0; MOVC A, @A+DPTR; MOV SBUF, A; WAIT: JNB T1, WAIT; CLR T1;
MOVX @DPTR, A;
INC R0; DJNZ R5, LOOP; RET;
TAB:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH；
4 A/D转换程序 MAIN：MOV R0, #0A0H MOV R2, #08H SETB IT1 SETB IT2
MOV DPTR, #7FF8H MOVX @DPTR, A HERE: SJMP HERE
5 控制交流蜂鸣器发声程序
Main.sm ；控制交流蜂鸣器发出固定频率的声音；定义I/O BUZZER BIT P1.2 ；复位入口 ORG 0000H
LJMP main ；定义中断T0中断入口 ORG 000BH
LJMP T0INTSVC ;函数：T0INSVC() Void T0INTSVC() interrupt1 T0INTSVC: CLR TR0 MOV TH0, #0FDH MOV TL0, #0C0H SETB TR0 CPL BUZZER
RETI ;主程序main() Main:
ANL TOMD, #0F0H ORL TOMD, 01H MOV TH0, #0FDH MOV TL0, #0C0H SETB ET0
SETB EA SETB TR0
SJMPS $ END
Private Sub Command1_Click () Dim a As String Dim b As String b = Text1.Text
a = \"select*from 温度监测1 where 日期='\" & b & \"'\" Data1.RecordSource = a Data1.Refresh End Sub
Private Sub Command2_Click () Picture1.Scale (0, 100)-(500, 0) Picture2.Scale (0, 100)-(500, 0) Dim c, d As Integer Dim x () As String c = 0 d = 2
If Text2.Text = \"1\" Then ；第1路 For i = 0 to UBound(x) y = C Int (Val (tex3.Text)) Data1.Recordset.Move Next z = C Int (Val (Text3.Text)) Picture1.DrawWidth = 3
Picture1.Line (c, y)-(d, z), vbRed Picture2.FillStyle = 0 Picture2.FillColor = vbBlue
Picture2.Line (c, y)-(d, 0), vbBlue, B c = c + 2 d = d + 2 z = y Next END IF
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