【《某水下潜行器硬件设计和软件设计案例分析》4000字（论文）】

某水下潜行器硬件设计和软件设计案例分析第一章水下潜行器硬件设计1.1元器件选择元器件的选择，基于目前所学知识和查阅各种资料，确定选用AT89c52做主控芯片，其各个引脚在图23中展示。水下潜行器应用到了其中的几个部分。AT89C52包括40个引脚，其中32个外部双向I/O口，使程序调试更加方便灵活。将其通用的微处理器和Flash存储器组合，尤其是可反复修改的Flash存储器可有很多种使用方式，能有效地减少开发成本。AT89C52有8位通用CPU，128BRMB数据存储器，4KBFlashROM程序存储器等，还有增加了看门狗定时器WDT，若单片机因干扰或程序问题，使系统进入死循环或跑飞，能直接让单片机复位，程序就得以恢复正常【10】。图3-1AT89c52引脚图FM116B芯片为专门制定的集成电路，其功能可使用于驱动小型电机，控制电机正反转。该芯片采用SOT23-6微型封装，为对空间需求有限的设计找到更加优质的方案。电路采用H桥结构，内部有功率开关MOSFET，在此设计中，能使芯片控制所带负载即螺旋桨和水产生推力，从而达到前进后退等功能。其中主要的是，刹车功能可使负载电机紧急制动，而待机功能所需的电流非常的小，增长待机时间。在一定范围之内，电路可使设备长时间稳定运行。图3-2引脚图TX4115芯片的功能是同步整流降压型稳压器，其引脚和管脚功能介绍如图24所示。其可操作输入的电压范围最小为8V，最大为30V，在两者之间皆可使用。芯片需要最少的数量随时可用的标准外部组件。其他作用还有可编程电流限制和热关机，目前在网络系统、航天应用、医疗设备、充电器等多个领域起作用。在此设计的潜行器中，运用到的功能是拓宽电压广度，使电路不仅局限于5V电压充电。图3-3TX4115芯片引脚图图3-4TX4115芯片引脚图及管脚功能介绍1.2电路原理图设计水下微型潜行器电路设计主要分为两部分。第一部分是基于主控芯片为AT89c52功能的电路，电路图以AT89c52各个引脚功能进行设计，在上个章节，已经粗略介绍，下面会详细分析我所用到的引脚。图3-5电路PCB图上图（图3-5），为在软件AD10中绘制的原理图，其中主控芯片AT89c52所用到的引脚如图，包括P1口、P2口、P3口、引脚RST、引脚XTAL1和引脚XTAL2。P1口：为通用I/O端口，此项目中用到P1.0和P1.1，使用其输入口功能，上拉电阻接电源，防止探照灯因电压过高损坏，并通过P1口为水下探照灯的接通和关断提供控制信号。P2口：是一个双功能口，字节地址为AH，位地址为AH~A7H。此项目中P2口作为输出线使用，用到的是P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6。其作用为通过控制开关，输出相应的高低电位，使芯片FM116B能实现控制电机的正反转。P3口：由于AT89S51的引脚数目有限，因此在P3口电路中增加了引脚的第二功能（第二功见图3-6）。此项目中P3口的P1.0和P1.1使用其引脚的第二功能，作为串行口的输入和输出，使其能与水上控制系统通过串口连接来控制水下潜行器动作。其他的P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7使用其引脚的第一功能，传输信号，做为通用I/O口。图3-6P3口第二功能RST、EA、XTAL1、XTAL2等功能在此就不再过多描述，依次在电路中实现的功能为复位输入、外部访问允许（此设计需CPU执行内部程序，则EA接高电平）、后两者给单片机提供节拍。1.3电机驱动电机分布及说明：水下潜行器尾部安置的两个螺旋桨分别用两组电机进行驱动，使电动机动力转换为螺旋桨和水产生的推力，由于正反转的区别，且受到水的反向推力，而在水中产生向后或向前的动力。由于螺旋桨和电机静态连接，则通过电机带动，螺旋桨发生正转或反转，进而对潜行器进行动作【6】。此设计共安装三个驱动电机，且分别对应安装三个螺旋桨。在潜行器尾部有两个平行且大小相同的螺旋桨，当执行前进或后退任务时，两个螺旋桨在控制系统的作用下同时正转或反转，以实现目的；在执行左转或右转任务时，右转则右侧螺旋桨正转，左侧螺旋桨停转，由于右侧产生推力，则潜行器能向右转动，左侧同理。另外，在潜行器重心处还安装有一个螺旋桨驱动，能通过此螺旋桨的正反转来控制潜行器的上浮和下沉。数据计算：为满足水下潜行的动力需要，需要计算出电机的功率，以确定是否能达到预期的潜行速度，在螺旋桨选定时，需要确定螺旋桨的直径D，确定螺旋桨的螺距比，以及螺旋桨的推力系数Kr；在电机选定时，需要知道电机的最大功率，电机的KV值（输入电压增加1伏特，无刷电机空转转速增加的转速值）。确定上述数值后，代入螺旋桨的推力T的公式：式中为水的密度、转速的平方、螺旋桨的四次方以及螺旋桨推力系数的乘积，最终得出的螺旋桨推力与电机能产生的推力相比较，螺旋桨的推力略小于电机的推力时，说明选择良好，满足所需推力要求。1.4壳体设计壳体形状：水下潜行器根据功能不同，有很多种外形结构，此设计对功能要求并不具体，所以只需满足几点共性要求即可：结构的流畅性好，承受阻力小；具有良好的创造性，工艺良好，加工容易；作为微型潜行器，灵活性要好；因此设计的是微型潜行器，主要考虑外壳结构的流畅性，承受水的阻力小，能使其活动灵活。因此选用潜艇式结构，能符合以上几点要求。图3-7水下潜行器前端结构图壳体密封：由于此设计是在水下工作，所以对密封要求较高，密封效果直接影响到设计的完成度，一点细微的缝隙，都会让水进入舱体，使电子器件损坏。由此可见密封对整个设计的重要意义。同时，密封也是设计的一大难点，尤其是各个部分的衔接处。本文采用的是“接触密封”，此潜行器一共包含两个部分，即潜行器前端和后端，前端放置探照灯，后端为电子器件舱，两舱之间的接口处，由于不需要活动，则为静态密封。在两者之间安装一个高韧性和高弹性的辅助部件，能够在水的压力下挤压变形，也能阻止水进入舱内，保证两舱之间的密封度。一般选用的是橡胶圈或橡皮筋等。为达到更好的密封效果，还可在衔接处涂一层硅脂或润滑油，安装和拆卸也更方便操作。如图28为详细结构。图3-8密封圈壳体防腐措施：水下潜行器由于多在水下工作，会对潜行器造成一定程度的腐蚀，影响其使用寿命，为减小此现象产生，一般采取以下几种措施：舱体缝隙衔接处采用胶水处理；若有裸露在外的金属部分，应涂上防生锈油脂；在水下工作后，对外部进行淡水冲洗，并放在干燥处晾干；对设备进行定期检查；1.5悬浮设计潜艇密封压水仓的作用是通过其压水舱进水和排水的方式来控制潜器下潜和上浮。目前我国大部分压水舱系统都运用此原理来调节船体的重量排布和进水深度，使船体符合作业时的海洋情况要求,保证船体在航运途中的稳定和安全。但这种以压水舱来调节的方式不能实现悬浮在固定位置。目前普遍使用通过改变重力来实现下潜，减小浮力对潜行器下潜的影响，有两种体例：一种是增加自身重力，先携带足量下潜的重物，在需要上浮时丢弃，如中国的“蛟龙”号等潜行器。另外一种是不携带任何重物，利用压水舱里进出海水的量来控制潜行器的重力，如美国新“ALVIN号”等潜行器。它的潜水部分运用的是压载铁下潜技术，当压载铁的重量大于浮力时，使之下降。由于此设计对深度要求较低，且潜行器较为微型，我采用的是携带较少压载铁的方法，使潜行器能达到一定深度，然后通过潜行器中部螺旋桨的正反转，产生一定的推力，来调节潜行器悬浮的深浅。1.6小结本章主要介绍了水下微型潜行器的硬件部分。关于如何选择硬件，为何选择等问题，都做了详细的说明。由于本科专业没有学习机械绘图的相关知识，关于壳体的设计，描述相对较少，设计的不够深入，主要参考了一些已经制作完成的潜行器外壳。在防水密封问题上，提出了解决方案，能达到符合潜行器工作环境的密封程度。第二章水下潜行器软件设计2.1电路设计图4-1电路原理图如图为此项目的电路原理图，因其主控芯片为AT89C52，首先应画出其最小系统，再根据程序对应的位置，画出需要连接的元器件或其他芯片引脚。此电路共包括有线通信、cpu单元和电机驱动三个模块，还包括信号传输，将信号传给驱动芯片FM116B，使其驱动直流电机。2.2控制程序编写此设计通过keil编写程序，芯片AT89C52和FM116B相配合，使FM116B能接收到相应的高低电平，从而控制电机正反转，实现螺旋桨的正反转。FM116B的功能为当IN1和IN2都为低电平时，电机处于待机状态；当IN1为高电平、IN2为低电平时，电机处于正转状态；当IN1为低电平、IN2为高电平时，电机处于反转状态；当IN1和IN2均为高电平时，电机处于停止状态。所以要通过主控芯片的开关，控制输出端，给IN1和IN2提供高低电平。水下潜行器共有四个电机，其中三个控制螺旋桨的转动，分别为在潜行器尾部的一号、二号（如图3-2），和在潜行器中部的三号（如图3-3）。在水中实现上浮、下潜、左转、右转、前进和后退六个方向的活动，分别相应提供高低电平，来控制各个螺旋桨动作。图4-2潜行器尾部螺旋桨图4-3潜行器中部螺旋桨以下为编写的程序：#include<reg52.h>#include<math.h>sbitKEY1=P3^2;//定义按键sbitKEY2=P3^3;sbitKEY3=P3^4;sbitKEY4=P3^5;sbitKEY5=P3^6;sbitKEY6=P3^7;sbitKEY_led=P1^3;sbitled1=P1^0;//定义小灯sbitled2=P1^1;sbitIN1_1_2=P2^1;sbitIN1_1_1=P2^2;sbitIN1_2_2=P2^5;sbitIN1_2_1=P2^6;sbitIN1_3_2=P2^3;sbitIN1_3_1=P2^4;voidmain(void){while(1){if(KEY_led==0){led1=0;led2=0;}if(KEY1==0)//前进{IN1_1_2=0;IN1_1_1=1;IN1_2_2=0;IN1_2_1=1;IN1_3_2=0;IN1_3_1=0;}if(KEY2==0)//后退{IN1_1_2=1;IN1_1_1=0;IN1_2_2=1;IN1_2_1=0;IN1_3_2=0;IN1_3_1=0;}if(KEY3==0)//上浮{IN1_1_2=0;IN1_1_1=0;IN1_2_2=0;IN1_2_1=0;IN1_3_2=1;IN1_3_1=0;}if(KEY4==0)//下潜{IN1_1_2=0;IN1_1_1=0;IN1_2_2=0;IN1_2_1=0;IN1_3_2=0;IN1_3_1=1;}if(KEY5==0)//左转{IN1_1_2=0;IN1_1_1=1;IN1_2_2=0;IN1_2_1=0;IN1_3_2=0;IN1_3_1=0;}if(KEY6==0)//右转{IN1_1_2=0;IN1_1_1=0;IN1_2_2=0;IN1_2_1=1;IN1_3_2=0;IN1_3_1=0;}}}2.3本章小结通过对FM116B集成元器件的了解，运用keil编写了相关程序，能实现控制电机的转动。三个电机分别用三个FM116B来连接，通过AT89C52传递高低电平，实现螺旋桨的正反转。根据电路需要的cpu单元、电机驱动和有线通信这三个模块，进行了电路设计。仿真实验与结论5.1控制程序仿真此设计使用proteus7.5进行仿真，由于设计所使用的芯片FM116B不在仿真软件的使用范围内，所以只使用示波器测试信号，体现控制程序能对芯片输入引脚有高低信号的传输。如下图5-1为仿真电路图：图5-1仿真电路图将程序下载到仿真中，得到六个输入信号，分别对应三个芯片FM116B。潜行器为前进状态，即1、2号螺旋桨正转，3号螺旋桨待机。图5-2仿真结果图潜行器为后退状态，即1、2