1、项目编号 201712679003Y江 苏 省 高 等 学 校 大 学 生 创 新 创 业 训 练 计 划 项 目结 题 报 告项目类别： 一般项目 项目名称： 基于单片机的船舶机舱环境监控系统设计 承担部门： 电气与自动化工程学院 项目负责人： 张金龙 陈宇航 指导老师： 葛君山 李冰蟾 职务或职称 ： 副教授 讲师 联系电话： 13605183993 13851868831 电子信箱： 项目起止日期 ： 2017.07-2018.06 江苏海事职业技术学院 教务处制填 表 日 期： 2018 年 5 月 1填 写 说 明一、项目类别填写“一般项目” 、 “指导项目” 、 “校企合作基金项
2、目” 、 “校级项目”等。二、项目名称应以立项通知公布的名称为准，不得随意修改。三、承担部门填申请立项时的二级学院。四、项目负责人填 1-2 人，指导老师填 1-2 人。五、有关外文缩写，须注明完整词序及中文含义。六、本报告需经二级学院研究所或部门审核后签署意见，加盖公章，报教务处备案。七、本报告内页填写为小 4 号字或 5 号字，A4 纸双面打印，左侧 2 钉装订成册。八、本报告格式文本只适用于我院大学生创新创业训练计划项目。九、本报告由项目主持人或项目组成员负责填写，指导老师负责审核。十、本报告填写序号应当整齐划一，自始至终。2一、 项目组成员及相关说明(人员变动、延期结题等方面的说明)：
3、姓名 性别 学号 所在学院、专业 课题组内分工张金龙 男 163920130336 电气与自动化工程学 院、船舶电子专业 课题的开题、组织与设 计、结题陈宇航 男 163920130303 电气与自动化工程学 院、船舶电子专业 课题的开题、组织与设 计、结题李政霖 男 163923130113 电气与自动化工程学院、电气自动化专业 参与课题的调研与实施赵晋安 男 163927130239 电气与自动化工程学 院、建筑智能专业 负责系统的安装与调试周榜元 男 153914130143 电气与自动化工程学 院、船舶电子专业 资料收集、整理工作说明：葛君山、李冰蟾作为项目指导老师全程负责本项目的指导
4、工作。3二、研究工作总结（简要描述：1.研究工作概况；2.已完成研究目标情况；3.已完成研究内容情况；4.研究方法应用情况；5.已解决的一般问题；6.已解决的关键问题；7.取得成果等。 ）1.研究工作概况整体项目研究思路分四个阶段：准备阶段、方案设计阶段，组织实施阶段和结题阶段。（1）准备阶段：通过文献调研船舶机舱的自动化监控系统的研究现状，开展单片机和传感器的调研，初步完成单片机选型和传感器选型。（2）方案设计阶段：查阅标准，确定技术参数，制定船舶机舱的自动化监控系统的控制方案，完成系统总体方案设计。（3）组织实施阶段a 硬件制作子阶段：购买购置单片机、传感器及系统所需其它电子元件，绘制硬件
5、电路原理图、PCB 图，完成元器件的焊接、硬件电路的组装与布线。b 软件程序设计子阶段：设计软件流程图，进行软件程序的编写。c 系统调试与综合性能测试子阶段：完成单片机硬件系统调试和软件系统调试。结合传感器进行程序的综合联调并对程序进行优化，进行系统的综合测试，完成系统的改进与完善。（4）结题阶段：资料整理，进行项目总结，完成项目结题。2.已完成项目目标情况本项目主要研究单片机在机舱环境监控系统中的应用，利用 STM32F103C8T6 单片机设计一套船舶机舱环境监控系统。机舱的重要环境参数有烟雾、温度、湿度、震动、甲烷等，本系统以烟雾、温度和湿度参数监控为例展开设计，选用 AM2322 温湿
6、传感器与威格 wg 烟雾传感器实时采集船舶机舱的温度湿度参数与烟雾情况，系统对船舶机舱的环境参数传感器进行采集，上传到数据监控中心进行处理并存入数据库，操作人员可以进行实时监控并查看历史数据，系统集成报警功能，能实现报警阈值的设置，并支持多路报警信号输出，从而实现机舱环境的自动化监控。3.已完成研究内容情况（1）船舶机舱的自动化监控系统的调研分析文献调研，了解船舶机舱的自动化监控系统的研究现状，开展单片机和传感器的调研，完成单片机选型和传感器选型，并购置单片机、传感器及系统所需其它电子元件。（2）基于单片机的船舶机舱环境监控系统方案设计查阅标准，确定技术参数，制定船舶机舱的自动化监控系统的控制
7、方案，完成系统总体方案设计。（3）单片机电气控制电路的设计绘制硬件电路原理图、PCB 图，完成元器件的焊接、硬件电路的组装与布线。（4）软件设计设计软件流程图，进行软件程序的编写。（5）系统联调与性能测试完成单片机硬件系统调试和软件系统调试。结合传感器进行程序的综合联调并对程序进行优化，进行系统的综合测试，完成系统的改进与完善。4.研究方法应用情况4（1）文献研究法查阅单片机设计书籍，在互联网和中国期刊网全文数据库查找、收集，整理有关船舶机舱环境监控系统的文献，分析文献资料，边学习，边研究；（2）比较分析法在相关文献调研的基础上，比较分析各种传感器的性能特征，进行温湿度传感器、烟雾传感器的选型
8、；比较分析各种传单片机的性能特征，进行本监控系统单片机的选型；对各种开发技术进行比较，确定系统设计流程，形成总体设计方案。（3）功能分析法将整个系统划分为电源单元、单片机单元、传感器单元与软件控制单元，对每个功能单元进行设计，然后进行组合，最终实现整体船舶机舱环境监控系统的功能。（4）实验法本课题着重于设计、制作、调试，考核最终产品的指标性能和可靠性，因此实验法研究贯穿始终，通过系统联调，温湿度变化实验，烟雾实验等，测试验证系统功能并完善。5.已解决的一般问题（1）硬件电路的组装与布线；（2）软件程序的编写；6.已解决的关键问题单片机控制系统设计7.取得成果（1）“基于单片机的船舶机舱环境监控
9、系统设计”调研报告 1 份；（2）“基于单片机的船舶机舱环境监控系统设计”系统方案 1 份；（3）“基于单片机的船舶机舱环境监控系统设计”单片机控制电路图 1 套；（4）“基于单片机的船舶机舱环境监控系统设计”软件清单 1 份；（5）“基于单片机的船舶机舱环境监控系统设计”研究报告 1 份；（6） 基于单片机的船舶机舱环境监控系统（实物）一套；（7） 发表论文 1 篇。5三、项目成果简要说明：（注明刊物论著名称、发表时间及卷期号；专利名称、类别、获准专利国别、批准日期、专利申请号或授权专利号；需鉴定的成果名称。以上各项均须注明研究人员排序。可根据需要加页。 ）1、张金龙 陈宇航 论文基于单片机
10、的船舶机舱环境监控系统设计与实现刊物：科技信息 卷期号：2018.（5）2、 调研报告 1 份3、 系统方案一份4、 单片机控制电路图 1 套5、 软件清单 1 份6、 研究报告 1 份7、 实物成果 1 个8、 演示视频 1 个6四、项目创新点与特色本项目以目标产品开发为背景开展实践活动，内容与所学知识紧密相连，是所学知识的综合训练和提高。通过本系统的分析与设计，学习项目研究的一般过程和具体方法，找到专业理论知识与实际工程的差距，通过系统调试与改进，培养独立操作与解决问题的能力，并将所学知识结合到实际应用当中，提高学生的工程实践能力。本项目成果进一步完善可应用于实际船舶机舱环境监控，提高船舶
11、机舱自动化程度，提高船舶行驶安全性。五、成果荟萃（请就研究目标、研究过程、研究成果、存在的问题及改进措施、研究心得等方面全面总结，3000 字以内）1.研究背景随着现代经济和社会的发展，信息化程度越来越高，智能化的监控系统应用越来越广泛。其中基于单片机的监控系统广泛应用于工业、农业等各个领域。目前我国在船舶自动化控制和机舱报警系统等方面具有较高的自动化水平，在舱内环境监测、火灾预警等方面的自动化程度相对较低。船舶机舱里有许多重要的设备，且布线错综复杂，温度过高，湿度过大等环境参数的变化会直接影响机舱设备的正常运行，甚至导致火灾事故的发生，影响人命财产的安全，实现舱室内环境自动监测、火灾实时预警
12、对改善船舶机舱环境舒适度、提升船舶航行安全性、提高船舶自动化水平具有重要的意义。随着科技的进步，为了提高船舶机舱的自动化水平，相关的组织机构也开展了关于船舶机舱环境自动监控的研究与开发，本项目组在文献研究的基础上汲取优点，设计了一种基于单片机的船舶机舱环境监控系统，机舱的重要环境参数有烟雾、温度、湿度、震动、甲烷等，本系统以烟雾、温度和湿度参数监控展开设计，系统同时集成了报警模块，能实现报警阈值的设置，并支持多路报警信号输出，从而达到加强船舶机舱安全性，提高机舱自动化水平的目的。2.研究目标研究目标为完成基于 STM32F103C8T6 单片机的船舶机舱环境监控系统的设计。（1） 该系统能够实
13、时监测并显示船舶机舱的温度、湿度、烟雾情况。（2） 该系统集成报警模块，可自行设置报警阈值，当采集的环境参数超过设定阈值时，7触发报警。（3） 该系统可拓展传感器数量。（4） 该系统的存储模块能够存储一个月的数据，并可在历史数据中调看，以便进行趋势分析。3.研究过程整体项目研究过程分四个阶段：准备阶段、方案设计阶段，组织实施阶段和结题阶段。（1）准备阶段：通过文献调研船舶机舱环境监控系统的研究现状，开展单片机和传感器的调研，初步完成单片机选型和传感器选型。（2）方案设计阶段：查阅标准，确定技术参数，制定船舶机舱环境监控系统的控制方案，完成系统总体方案设计。（3）组织实施阶段a 硬件制作子阶段：
14、购买购置单片机、传感器及系统所需其它电子元件，绘制硬件电路原理图、PCB 图，完成元器件的焊接、硬件电路的组装与布线。b 软件程序设计子阶段：设计软件流程图，进行软件程序的编写。c 系统调试与综合性能测试子阶段：完成单片机硬件系统调试和软件系统调试。结合传感器进行程序的综合联调并对程序进行优化，进行系统的综合测试，完成系统的改进与完善。（4）结题阶段：资料整理，进行项目总结，完成项目结题。4.研究成果4.1 船舶机舱环境监控系统的方案设计船舶机舱环境监控系统的电路部分主要包括：电源模块、主控芯片模块、存储模块、传感采集模块以及显示模块。图 1 船舶机舱环境监控系统的组成4.2 系统原理图原理图
15、绘制软件为 Altium Designer 16。系统的原理图如图 2 所示，原理图主要包括电源、主控电路、存储电路、传感器采集电路与通信接口电路。单片机显示模块传感采集模块 存贮模块电源模块8图 2 系统原理图设备的主控芯片模块如上图所示，系统选用 STM32f103c8t6 作为主控芯片。本模块主要用于设备驱动以及数字信号的处理，原理图部分包括了晶振电路、复位电路、LED 指示灯电路以及 SWD 下载口电路等。电源模块的原理图如上图所示，电源芯片 LM2596-3.3V 可以将外部输入的直流 9V36V 的电源转换成系统内部工作的直流 3.3V，并且该电源模块带反接保护功能。设备选用一枚
16、AT24C02 存储芯片作为设备工作参数的存储介质，该芯片为 IIC通信接口，主要存储设备的工作模式、设备地址以及通信参数等信息。采集器与外部的通信物理接口为 RS485 通信，通过本接口，采集器可以将数字量的环境信息按照需求发送出去。传感采集模块主要包括：温湿度采集模块以及烟雾采集模块。温湿度采集模块采用AM2322，烟雾采集模块选用威格 wg。4.3 PCB 设计图 PCB 的设计软件为 Altium Designer 16，PCB 设计图如下：图 3 PCB 设计图4.4 系统流程图9开始外设初始化读取设备运行参数启动定时器读取数据时间N读取传感器数据Y图 4 主系统流程图系统的主要工作
17、流程如上图所示，分为初始化工作以及传感器采集工作。初始化任务主要包括外设初始化以及参数数据初始化，任务循环主要包括读取传感器数据。4.5 设备实物设备图片如下图所示：图 5 设备实物图10系统供电：AC220V 或 DC12V，最大功耗 30W。系统特点如下：（1）实时的信息显示：该系统能够实时的显示各个传感器的信息参数：船舶机舱的温度、湿度和烟雾。 （2）报警功能：当采集器检测到的数据超出监控中心的报警阈值时，信息管理系统有报警提示并记录，报警阈值可以根据实际情况自行调整。（3）数据信息管理：用户通过数据信息管理平台可以随时的监控机舱环境参数，并可以查看历史数据等相关信息。（4）权限管理：为
18、了保证系统的安全性，整个系统只有由输入密码授权的人员能够进入。整套系统的数据传输均进行过加密，保障了数据传输的安全性。（5）传感器数量可拓展。系统界面如下：图 6 系统界面图5.存在的问题及改进措施经过一年的紧张研究与开发，基本完成了预期的任务，满足船舶机舱环境监测系统的基本功能需求。该系统能实时监测船舶机舱的温度、湿度和烟雾情况，并集成报警功能。但在功能实现上，还有待完善。（1）环境参数监测较少，只选取了几个典型的环境参数进行系统设计，船舶机舱的重要环境参数有烟雾、温度、湿度、震动、甲烷等，后续产品开发应当添加传感器，让系统更加完善。（2）本项目仅完成了船舶机舱环境参数的监测，没有设计控制器
19、、通风风扇以及遮阳帘布等设备，去解决有烟雾、温度过高、湿度过大等问题，后续控制功能有待进一步开发与完善。6.研究心得（1）在参与过程中，我们自主实施项目的每一个环节，解决碰到的每一个问题和难点，这极大的锻炼和提高了我们的自学能力、分析和解决实际问题的能力，我们走向工作岗位奠定良好的基础。（2）通过本次训练项目，我们深深地意识到，理论应用于实践需要一个过程，理论和实践的重要性。课堂上所学知识呈现的知识的一个方面，在于实际操作紧密结合的过程中，需要我们在所学知识基础上，多动手，查阅相关资料。（3）在此次研究过程中，经过团队的相互配合成功克服了不少困难，让我们学会了团结协作、求同存异、取长补短的团队精神，这些都是在书本上学不到的。（4）大大提高了我们的动手能力，熟能生巧。体会了项目的实施过程，为我们以后解决了更大更复杂的问题增强了信心。（5）既要脚踏实地，一步一个脚印，又要看到世上无难事，只怕有心人。在以后的学习、工作中多联想、多观察、多做实验，凡事多问几个为什么，培养自己的创新技能。11六、项目负责人所在部门或技术研究所意见：签 名： 公 章：年 月 日七、鉴定组专家成员：分工 姓 名 性别 职称 签 名组 长成 员成 员专家评审、鉴定意见：鉴定组组长签字：年 月 日12八、教务处意见：1、准予结题2、暂缓结题3、不予结题（盖 章）年 月 日
