毕业设计(论文)-基于单片机实现的浮标自动防碰撞系统控制设计(31页).doc
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1、-毕业设计(论文)-基于单片机实现的浮标自动防碰撞系统控制设计-第 26 页目录 摘要1第一章 绪论11.1 海洋浮标的发展状况11.2 海洋资料浮标的作用和意义11.3 海洋资料浮标的发展趋势31.4 课题研究的主要内容41.5 课题的研究意义51.6 本文的主要内容5第二章 总体方案设计62.1 总体功能分析62.2 浮标驱动方案选择62.3 障碍物检测方案选择82.3.1 壁障传感器的选择82.3.2 超声波测距原理82.3.3 超声波壁障方案92.4 主要器件的选型10第三章 系统硬件设计123.1 单片机最小系统电路设计123.2 电机驱动电路设计133.2.1 实际浮标电机驱动电路
2、设计133.2.2 模型电机驱动电路设计163.2.3 PWM调速原理163.3 超声波传感器电路设计173.3.1 超声波发射电路设计173.3.2 超声波接收电路设计183.4 传感器接口电路设计203.4.1 模拟信号传感器接口203.4.2 数字信号传感器接口213.5 RS-485通信接口电路设计22第四章 系统软件设计244.1电机驱动程序设计244.2 超声波测距取程序设计244.3 数值滤波程序设计264.4 控制算法实现27结束语29参考文献30致谢31摘要海洋资料浮标在研究海洋和大气的相互作用及全球气候变化、预报全球性和地区性海洋灾害、监测海洋污染、校验卫星遥感数据的真实性
3、、以及作为平台用于水声通信和水下定位等方面发挥了重要作用。它由浮体、传感器、数据处理系统、通信系统、电源、系留系统和接收系统组成。传感器所感受的环境信息通过变换之后,用无线电直接向岸站发射,或经过卫星通信系统,把资料信息转发到岸站。随着海洋环境资料浮标的功能越来越先进,投入使用的数量越来越多,浮标被海上过往船舶碰撞的事故时有发生,海洋浮标在海面上的安全问题逐渐引起了人们的关注。本文提出了一种基于单片机的浮标自动防碰撞系统的设计方案,经过实际模型的搭建和相关测试,本系统基本能够实现浮标的防碰撞功能。本系统采用AT89S51单片机作为控制器件,通过检测传感器超声波模块,检测浮标周围环境,在有障碍物
4、靠近浮标的时候,控制浮标上安装的电机和螺旋桨,使浮标快速、准确地逃离障碍物。关键词:海洋资料浮标 防碰撞 超声波壁障 AT89S51单片机第一章 绪论1.1 海洋浮标的发展状况浮标是具有一定形状、尺寸、颜色的漂浮物体,锚泊在指定位置,可用作航道标志(航空与航海)、海洋环境监测、系留船舶、海洋工程、救助与打捞等设施。锚系浮标和潜标是海洋监测网中最普遍采用的搭载平台之一,它们主要用于海洋环境定点监测。作为海洋环境监测的浮标一般装置或载有测量海洋气象、水文、海况、海洋生物等多种功能的仪器。海洋浮标是一种现代新的海洋观测工具,它的多种功能和长期连续探测能力,在海上现场观测手段中具有明显的优势。国外海洋
5、浮标技术的研制始于四十年代末到五十年代初。六十年代,在海洋调查中开始用海洋浮标。七十年代中期,浮标技术趋于成熟,进入实用阶段。近年来,随着电子技术、卫星通讯和微处理技术的发展和应用,海洋浮标技术获得了新的发展。一方面提高了锚泊浮标的测量能力,收集较多的海洋环境参数;另一方面研制了一批新型的专用海洋浮标和漂流浮标,进行范围广泛的海洋调查及专题研究,作为军事部门、气象部门、航海运输、渔业捕捞、港工建设、海水养殖及海上石油开发等,提供了实时、同步、长期连续的海洋环境资料,促进了现代海洋开发产业的发展,受到许多国家的重视。1.2 海洋资料浮标的作用和意义海洋资料浮标在研究海洋和大气的相互作用及全球气候
6、变化、预报全球性和地区性海洋灾害、监测海洋污染、校验卫星遥感数据的真实性、以及作为平台用于水声通信和水下定位等方面发挥了重要作用。它由浮体、传感器、数据处理系统、通信系统、电源、系留系统和接收系统组成。传感器所感受的环境信息通过变换之后,用无线电直接向岸站发射,或经过卫星通信系统,把资料信息转发到岸站。这种无人操作的自动观测设备,能在恶劣的海洋环境中连续自动工作,所获得的海洋资料很有价值,而且费用比调查船观测低廉。例如美国于1979年在大西洋布设一个锚泊浮标取代海洋天气站HOTEL船,使政府每年节省约300万美元的经费,并且浮标的建造费仅为调查船的六分之一。海洋资料浮标的浮体有柱形/圆盘形、球
7、形之分,在其发展过程中,以稳坚可靠、经济适用、维修方便、资料准确为选型条件。目前,美国的大型圆盘浮标(直径10-12米)已经停止生产,而重点发展NOMAD船形浮标(长6米),因为这类浮标兼顾各方面有点。海洋资料浮标通常搜集并发送每小时的海洋学和气象学资料,其测量的参数包括:风速、风向、阵风、气温、气压、有效波高、波周期、波谱以及表层水温等。今年来,为了扩大海洋资料浮标的测量能力,提高资料的可靠性,改进和研制了一些新型气象传感器和海洋传感器,使海洋测量达到13层,深度超过2000米。表1-1给出了美国锚泊浮标的测量参数、测量范围和精度以及用途。表1-1 美国锚泊浮标的测量指标及用途测量参数测量频
8、率测量精度测量范围用途气压1小时0.1毫帕900-1050毫帕风暴发展风速1小时1米/秒1-75米/秒污染 风暴潮风向1小时10能量交换气温1小时0.1-40至50渔业,气候监测,飓风预报表层水温1小时0.1-2至50波高1小时0.5米0-20航运,近海钻探拍岸浪,海啸波周期1小时0.5秒2-30秒波向1小时10渔业,反潜战,污染,飓风预报海水温度1小时0.1-2至36海流剖面24小时0.3米/秒0-4米/秒盐度24小时0.10-500米渔业,反潜战表层海流24小时0.3米/秒0-40污染,调查和救援太阳辐射6小时150-4米/秒航运,渔业水质3小时5%气候监测降水量1小时10%污染,渔业湿度
9、1小时0.3毫米/小时航运,气候监测大气垂直温度6小时10%水气/风剖面10%航运从表中看到,浮标测量参数已经达到16项。由于小型、低功耗、高可靠性电子元件的出现使浮标系统的稳定性大大增加,从1973年的海上作业30天增加到了目前的310天,提高了10多倍。表1-2是美国锚泊浮标所用电子设备费减至不足十年前费用的十分之一,浮标壳体工程费减少了25-30%。当今,美国的海洋浮标已经全部采用UHF特高频卫星通讯传递资料,提高了通信质量,信息传递可靠性高达98%。表1-2 美国锚泊浮标海上作业情况财政年度(年)作业浮标在站总天数(天)浮标作业天数占的%故障率仪表舱传感器故障系留故障计划维修倾复197
10、5218276.218.85.0001976352079.512.85.81.901977602377.87.63.85.05.81978679477.07.37.94.03.81979779288.88.76.51.001980854979.513.14.60.72.119811072988.58.70.75.81.319821094091.04.01.23.8019831451996.02.40.60.901.3 海洋资料浮标的发展趋势海洋浮标技术应用于海洋研究和开发虽然仅有二十余年的历史,但其在海洋调查中的作用是不可估量的。因为在海洋浮标具有实时、同步、长期、连续地获取海洋资料的特点,所
11、以海洋浮标广泛应用于海洋调查,将有可能使历史地、定性地研究海洋环境推进到实时地、定量地掌握海洋环境变化规律,一边更准确地进行海洋环境预报,为军事、航海、渔业、港工以及海洋开发服务。综上所述,今后海洋浮标技术发展的趋势为:1 浮标造型趋于小型化随着海洋浮标的应用日益广泛,大、中型浮标在布设、实用、维修等方面的不足越来越明显,因此大型浮目前已经停止生产,加强功耗小、元器件小方面的研究工作,使浮标造型趋于小型化。例如,英国海洋考察公司研制成功的MAREX海洋浮标,圆盘直径仅为2.5米,重1360公斤,采用微处理机,测量9个水文气象数据。该浮标造价,布设方便,用途广泛,维修简单,是一种有竞争力的浮标。
12、2 浮标通信趋于卫星化浮标通信系统的研制与电子技术的发展息息相关。遥感、遥测、遥控技术的飞速发展,促进了浮标通信技术的革命。卫星通信应用于海洋浮标,扩大了浮标通信的距离,并提高了资料传递的可靠性。目前,美国的海洋浮标全部采用UHF超高频卫星通信,英、法、德等国的浮标通信系统也在向着卫星通信过度。这是浮标通信技术的重要进展。3 专用海洋浮标技术发展迅速随着海洋浮标的实用化,通用浮标还不能满足用户的特殊要求。近几年,一些为特殊目的设计的专用浮标相机问世,如,海洋热能浮标,海流观测浮标,海洋水文气象浮标等,他们用于不同的科学研究目的。可以预计,由于科学研究和海洋开发的需求,专用浮标将会进一步得到发展
13、。随着海洋环境资料浮标的功能越来越先进,许多缺点也暴露了出来。其中海上浮标的隐蔽性和安全性就是一个问题,很容易受到海上过往交通工具和恶劣天气及海况的影响。本文正是基于这样的问题,提出了一种海洋浮标自动避让海上的运动物体的设计方案。1.4 课题研究的主要内容本课题的主要研究内容是设计一个基于单片机的浮标自动防碰撞系统,当有障碍物靠近浮标的时候,能够实现浮标自动逃离障碍物,避免与障碍物的碰撞。该系统应包括壁障传感器、传感器信号处理电路、单片机控制系统、电机驱动电路等硬件部分,能够完成的功能为准确检测浮标周围出现障碍物的方向,可靠地驱动浮标逃离障碍物,防止碰撞事故发生。完成电路原理图和硬件电路图设计
14、以及软件软件编程和硬件的功能调试。通过对单片机编程、熟悉模拟和数字电路、掌握电机驱动设计以及传感与检测技术的学习和掌握,完成控制电路的设计、控制器的编程和浮标实物的制作和调试,设计出一套海洋资料浮标自动防碰撞系统,该系统能够在有障碍物靠近浮标的时候,自动检测到障碍物的方位,并准确做出判断和响应,驱动浮标像远离障碍物的方向运动,达到可靠壁障的效果。能够按期完成论文的撰写和实物的制作及演示。本课题拟采用软硬件相结合组成实际控制系统。主要分为以下几个部分:控制模型设计,电路设计,控制算法分析和程序编写。然后拟采用8051单片机,壁障传感器,电机驱动电路,完成障碍物的检测和浮标的驱动,完成电路原理图和
15、硬件电路图的设计,最后进行软件的编程及其功能的调试。1.5 课题的研究意义海洋观测仪器是海洋观测的工具和手段,作为海上现场观测的传统仪器,海洋浮标在研究海洋和大气的相互作用及全球气候变化、预报全球性和地区性海洋灾害、海洋污染监测、卫星遥感数据真实性校验、以及作为平台用于水声通讯和水下定位等方面发挥了重要作用。但目前国内外大多数浮标都是在海面上漂浮或任其在海上漂流,这样一旦遇到大风大浪,浮标就会丢失或者损坏,不利于数据的采集,而且现在提倡环保,如若浮标丢失或损坏,以至于不能正常收回,就会对海洋造成越来越多的污染,给海洋生态造成越来越多的危害。同时,测量海气交界面参数的搭载平台由于位于海表面上,若
16、长时间锚泊在海表面上,很容易受到海上过往交通工具和恶劣风浪的影响,因此本系统的主要功能是能够根据环境的变化自动避让防碰撞,自动检测海上过往交通工具到自身的距离以及海上风浪的情况,在必要的时候,自动下潜到水下一定深度(例如水下50 m),这样可以保证在不利于系统安全的因素出现时,使系统及时潜伏避让,可有效地保证整套系统的安全性,同时减小设备损坏或丢失给海洋带来的污染。1.6 本文的主要内容本文介绍的主要内容安排如下:(1)第一章 绪论。主要介绍了海洋浮标的发展和应用价值,对其存在的容易碰撞的问题作了探讨,还介绍了国内外海洋资料浮标的发展状况。(2)第二章 总体方案设计。介绍了系统设计方案和工作原
17、理,以及核心器件的选型和系统的参数计算。(3)第三章 系统的硬件设计。对系统各模块的硬件设计进行详细介绍,给出了系统硬件设计的总体框图和各模块的详细电路图。(4)第四章 系统的软件设计。主要介绍了本系统中AT89S51单片机编程的技巧和程序原理流程图;也介绍了单片机数字滤波的相关内容和模糊控制的内容。(5)结束语 阐述了本系统的设计思想,简要描述了本系统的设计特点,并对进一步的研究提出了展望。第二章 总体方案设计2.1 总体功能分析海洋资料浮标担任的主要功能是检测各种海洋参数,通过远程无线电传回岸基,考虑到浮标长期漂浮在远洋水域,已经系统集成度等问题,本设计将浮标的所有功能集成在一起,有一个控
18、制器来完成所有部分的控制,主要功能模块分为环境参数检测传感器接口、通信接口模块、壁障传感器模块、驱动模块、微控制器和供电系统,如图2-1所示。壁障传感器信号调理电路微控制器电机驱动动力装置环境参数测量接口通信接口其他电路电源系统图2-1 浮标控制电路总体框图由壁障传感器模块和驱动模块组成了浮标的防碰撞系统,壁障传感器检测浮标周围环境,驱动模块驱动浮标在水面运动,当有障碍物靠近浮标的时候,控制器经过分析计算,正确控制浮标往远离障碍物的方向运动,达到逃离障碍物的目的。环境参数检测模块和通信接口两个部分配合工作完成浮标检测海洋资料的功能,控制器定时读取传感器的数据,并通过通信接口发送出去。在实际浮标
19、设计中,浮标的驱动电机功率较大,需要专门的供电电路,而控制部分和传感器部分对电压稳定度要求较高,所以整个浮标系统需要一个供电系统,为整个浮标正常工作提供能量。本设计主要涉及到浮标的防碰撞系统,由于条件限制,不可能用实际的浮标作为实验平台,所以再设计过程中建立了等比例的浮标实验模型,在浮标模型上对防碰撞的方案进行了验证。2.2 浮标驱动方案选择由于浮标的形状和功能各不相同,可以根据不同的浮标形状来选择合适的驱动方案。对于船型浮标来说,传统的一个螺旋桨加舵叶的驱动结构(如图2-2所示),即可控制浮标的运动和转向,但是这种结构转向不灵敏,需要较大的平面空间来转向,适用于大型浮标的控制。图2-3(a)
20、中是采用四个螺旋桨来推动浮标的运动,螺旋桨旋转式,浮体的受力分析如图2-3(b)所示,可以通过控制相邻两个螺旋桨的转速来控制浮标向平面上任意方向运动,即通过两个相邻的组合来到大平面的没一点。该方案中,用的电机个数较多,电机只有一个选择方向,如果用直流电机来做驱动的话,没有将直流电机的有点充分利用出来,但是该方案中对模型的控制方法较简单,算法实现容易。图2-4(a)是采用明轮作为驱动装置的浮标驱动方案,通过控制左右两个明轮的正反转和不同的转速组合,也可以驱动浮标在平面内任意方向运动,其受力示意图如图2-4(b)所示。该方案中,需要控制电机的正反转来改变浮标的运动方向(与陆地上的两轮驱动车的驱动方
21、案类似)。明轮推进器与螺旋桨相比,具有结构笨重、效率低等缺点,不适合于大型浮标的驱动,在小型浮标驱动中可以合理应用。螺旋桨舵叶浮体图2-2 船型浮标的驱动装置示意图浮体螺旋桨F1F2F3F4(a)(b)图2-3采用螺旋桨的浮标驱动装置示意图浮体明轮F1F3F2F4(a)(b)图2-4 采用明轮的浮标驱动装置示意图考虑到浮标在水中实验的平衡性和调试方便,本设计中模型的驱动采用图2-3(a)中的方案,用四个电机驱动四个螺旋桨,来推动浮标的运动。2.3 障碍物检测方案选择2.3.1 壁障传感器的选择壁障传感器是防碰撞系统中的关键部分,常用的壁障传感器有超声波壁障模块、红外壁障模块、激光测距壁障模块和
22、雷达测距壁障模块等,他们都是利用波的反射技术来实现的,通过测量波从发射到接收到反射信号的时间差,根据波的传输速度来计算障碍物的距离。短距离测距壁障用得较多的是超声波壁障模块和红外壁障模块,这两种壁障方案都可以作为浮标的壁障方案。超声波是频率高于20k赫兹的声波,它方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,在水中传播距离远,可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超
23、声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收器了。本设计选用超声波测距传感器模块作为障碍物检测的功能模块。2.3.2 超声波测距原理在超声波测距的应用中,广泛采用时间差法测距
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- 毕业设计 论文 基于 单片机 实现 浮标 自动 碰撞 系统 控制 设计 31
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