基于单片机实现的浮标自动防碰撞系统控制的设计论文2

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1、. . . 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 课题研究的主要容41.5 课题的研究意义51.6 本文的主要容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设计133.2.2 模型电机驱动电路设计163.2.3 PWM调速原理16

2、3.3 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3130 / 32摘要海洋资料浮标在研究海洋和大气的相互作用与全球气候变化、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、以与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

3、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

4、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

5、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，进行围广泛的海洋调查与专题研究，作为军事部门、气象部门、航海运输、渔业捕捞、港工建设、海水养殖与海上石油开发等，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与全球气候变化、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

6、真实性、以与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

7、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、波谱以与表层水温等。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、测量围和精度以与用途。表1-1 美国锚泊浮标的测量指标与用途测量参数测量频率测量精度测量围用途气压1小时0.1毫帕900-1050毫帕风暴发展

8、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

9、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1975218276.218.85.0001976352079.512.85

10、.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

11、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、港工以与海洋开发服务。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。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

12、、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。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

13、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与海况的影响。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 课题研究的主要容本课题的主要研究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以与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

14、握电机驱动设计以与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与演示。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，完成电路原理图和硬件电路图的设计，最后进行软件的编程与其功能的调试。1.5 课题的研究意义

15、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与全球气候变化、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、以与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

16、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与海上风浪的情况,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，使系统与时潜伏避让，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 本文的主要容本文介绍的主要容安排如下：（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理，以与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

17、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容和模糊控制的容。（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

18、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

19、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。本设计主要涉与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一样，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）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

20、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

21、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

22、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

23、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，如图2-5所示。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中

24、传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离S=340t/2 。 障碍物超声波发射器超声波接收器距离S图2-5 超声波测距的原理超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。 超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。2.3.3 超声波壁障

25、方案超声波壁障部分涉与到超声波发射头的驱动和接收头信号的检测，超声波发射头采用单片机产生40kHz的方波，经过功率放大后驱动，驱动波形如图2-6所示。图2-6 超声波发射头的驱动信号波形（频率40kHz）整个超声波壁障模块的电路功能框图如图2-7所示，驱动信号经过功率放大电路后驱动超声波发射头来发射信号，接收头接收到的信号比较微弱，首先需要经过一级阻抗匹配将信号提取出来，再经过滤波和放大，滤除信号中的干扰信号，放大信号幅值，供单片机检测。功率放大阻抗匹配滤波放大接收头发射头驱动信号单片机图2-7 超声波壁障模块的电路功能框图2.4 主要器件的选型本设计采用了价廉的 AT89S51芯片（目前一片

26、价格在5-9元/片左右）。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统与80C51引脚结构，芯片集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。AT89S51芯片有40个引脚，核心部分为MCS-51核。片集成4k Bytes Flash片程序存储器、128 Bytes RAM数据存储器、2个16位可编程定时器/计数器、

27、5个中断优先级、2层中断嵌套中断、6个中断源、32个外部双向I/0端口和两个全双工的串口通信接口UART，工作频率最高可达33MHz，支持在线编程下载，即ISP下载功能，AT89SXX系列单片机实现了ISP下载功能，故而取代了89CXX系列的下载方式，也是因为这样，ATMEL公司已经停止生产89CXX系列的单片机，现在市面上的AT89CXX多是停产前的库存产品。P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行

28、校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给

29、出地址“1”时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能：超声波模块部分的滤波和放大，需要用到运算放大器，本设计采用的运算放大器是LM324。LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点

30、。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位一样。LM324系列由四个独立的，高增益，部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电的电压围经营。从分裂电源的操作也有可能和

31、低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器现在可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如，可直接操作的LM324系列，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的15V电源标准的5V电源电压。第三章 系统硬件设计3.1 单片机最小系统电路设计本设计选用的是Atmel公司的8位单片机AT89S51，该单片机是基于MCS-51核，具有在线编程（ISP）的4k Bytes Flash存储器，256Bytes RAM空间，可外扩存储空间64k Bytes，32个可编程的I/O引脚，集成了异步串口和16位定时器，最高工作时钟频率可

32、达33MHz。单片机的最小系统电路包括ISP程序下载接口、电源电路、晶振电路和上电复位电路，下面做详细分析。ISP程序下载接口是一个双排10针的接口座子，与单片机的P1.5（MOSI）、P1.6（MISO）、P1.7（SCK）和复位引脚RESET连接。图3-1 ISP下载接口电源电路如图3-2所示，系统由电池组供电，电池组电压经过LM7805稳压后输出稳定的5V直流电压，本设计选择了一个470F的电解电容和两个0.1F的瓷片电容，电解电容用于储能，抑制电压波动对单片机的影响，瓷片电容可以滤除电源中的高频干扰信号，在设计PCB时，这几个电容要尽量靠近单片机的电源和地引脚。图3-2电源滤波电容本系

33、统的单片机时钟选择12M晶振，如图3-3所示，晶振两端分别接22pF电容到地。图3-3 时钟电路单片机的上电复位电路采用一个10F电容和10k电阻串联，在上电时候，电容和电阻分压，给单片机的复位引脚提供了一个高电平信号，使单片机复位，当电容充电完成后，复位引脚被下拉到地，单片机正常工作。图3-4 上电复位电路单片机最小系统的整体电路详见附录。3.2 电机驱动电路设计直流电机的驱动电路拓扑需要根据电机的功率和运行方式来觉定，实际浮标上电机的功率较大，对驱动电路的设计需要考虑较多问题，例如电机保护电路、驱动隔离电路等方面都是需要考虑的。下面给出了实际浮标上面的大功率电机的驱动电路的一种设计方案和本

34、设计中浮标模型上面实际应用的一种电机驱动设计方案。3.2.1 实际浮标电机驱动电路设计实际大功率电机的驱动主回路如图3-5所示，为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个MOS管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。图3-5 电机驱动电路要使电机运转，必须使对角线上的一对MOS管导通。例如，如图3-6所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流

35、向的电流将驱动电机顺时针转动。当MOS管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图3-6 电机正转示意图图3-7所示为另一对MOS管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当MOS管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。图3-7 电机反转示意图驱动电机时，保证H桥上两个同侧的MOS管不会同时导通非常重要。如果MOS管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个MOS管直接回到负极。此时，电路中除了MOS管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（

36、该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏MOS管。基于上述原因，在实际驱动电路常要用硬件电路方便地控制MOS管的开关。基于这种考虑，MOS管的驱动电路是在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输入，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个MOS管能导通。实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装好的H桥集成电路和H桥的驱动电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流使用非常方便可靠。例如IR2110就是一个可靠的板桥驱动芯片，利用两片IR21

37、10即可驱动一个H桥电路。IR2110是美国国际整流器公司(International Rectifier Company )利用自身独有的高压集成电路与无门锁CMOS技术，于1990年前后开发并投放市场的大功率MOSFET和IGBT专用驱动集成电路，已在电源变换、马达调速等功率驱动领域中获得了广泛的应用。该电路芯片体积小(DIP14封装) ，集成度高，可驱动同一桥臂两个MOS管，响应快，开通和关断时间分别为120ns和94 n s，偏值电压高达 600 V ，驱动能力强，设欠压封锁，而且其成本低，易于调试，并设有外部保护封锁端口。尤其是上管驱动采用外部自举电容上电，使得驱动电源路数目较其他I

38、C 驱动大大减小。对于发射机的4管构成的全桥电路，采用2片IR 2110驱动2个桥臂，仅需要一路10-20V电源，从而大大减小了控制变压器的体积和电源数目，降低了产品成本，提高了系统的可靠性。IR2110芯片组成的MOS管驱动电路中，用到了经典的自举电路，自举电路也叫升压电路，利用自举升压二极管,自举升压电容等电子元件，使电容放电电压和电源电压叠加，从而使电压升高有的电路升高的电压能达到数倍电源电压。3.2.2 模型电机驱动电路设计本设计的浮标模型中，采用小型有刷直流电机，工作电压5V，因为其功率很小，所以电机的驱动电路相对较简单，如图3-8所示。该电路实质上是一个用三极管构成的电源开关电路，

39、单片机通过引脚控制三极管Q的开通和关断，从而控制电机的启动和停止，图中R为限流电阻，因为三极管导通的时候BE极电压只有0.7V左右，如果单片机端口直接接到三极管基极，会烧坏单片机端口驱动电路，图中的二极管D是电机的续流二极管，当单片机控制电机从运转到停止的时候，电机的机械结构不能马上停止运转，由于电机线圈存在很大的电感值，电机的电流不能立即减小到零，所以需要续流二极管D为电机中的电流提供一个回路，来消耗掉这一部分能量，否则可能会击穿三极管，由于没有和单片机隔离，这样产生的电磁干扰甚至可能会影响单片机的工作。图3-8 模型中的电机驱动电路本设计的模型中，三极管选用NPN型的8050三极管，其耐压

40、可达25V，导通电流可达1.5A，这对本设计中的电机已经足够了，因为电机有可能工作在高频通断状态，续流二极管IN5819，1N5819是肖特基二极管，反向耐压40V，额定正向电流1A。3.2.3 PWM调速原理脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电

41、流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候，其原理如图3-9所示。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。图3-9 PWM调制原理示意图电流控制PWM的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号,把实际的电流波形作为反馈信号,通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断,使实际输出随指令信号的改变而改变。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动与至其它能

42、量变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以为为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM与随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，与转矩脉动最小以与其它特定优化目标。3.3 超声波传感器电路设计3.3.1 超声波发射电路设计如图3-10所示，是本设计中的超声波发射电路，由于本设计的模型中选用的是小功率的超声波发射头，所以电路采用一片74HC04非门芯片即

43、可驱动。5个反向器的接法如图所示，为提高输出驱动能力，将反向器A、B并接，反向器C、D并接，40kHz的驱动信号来自单片机，一路直接接到反向器A和B的输入端，另一路经过一级反向后接到反向器C和D的输入端，这样就实现了超声波发射头两端信号的差动。图3-10 超声波发射电路每一颗74HC04芯片含6组一样的反向器，在驱动负载时，每一路可输出电流达到26mA，足以驱动一个小功率的超声波发射器，在实际电路测试中，给电路的发射距离最大可达到4米。3.3.2 超声波接收电路设计相对于超声波发射电路来讲，超声波的接收电路要复杂得多，根据超声波从发射头经过障碍物反射再回到接收头所经过的路程不同，接收头产生的信

44、号强度也不一样，接收电路涉与到对接收信号的放大、滤波和解调制，解调制即检波。图3-11 40kHz的超声波接收带通滤波器图3-11是超声波接收滤波电路，其通频带为30kHz-50kHz，中心频率40kHz，用于将超声波接收头的信号进行滤波，滤除高频和低频干扰信号，信号在经过放大和整形，处理成为标准占空比50%的方波，再送到检波电路，通过检波电路的检测，由单片机来处理检波电路检测的状态。LM567为通用锁相环电路音调译码器，LM567的基本功能概述如下：当LM567的3脚输入幅度25mV、频率在其带宽的信号时，8脚由高电平变成低电平，2脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的2脚输入音频信

45、号，则在5脚输出受2脚输入调制信号调制的调频方波信号。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。其压控振荡器的中心频率是由5、6脚外接的电阻R1和电容元C1件参数觉得，由以下公式计算：2脚外接电容影响着锁相环的信号捕捉带宽Bw，其关系为：该公式表明，f0与C2的值越大，捕捉带宽就越窄，因此可通过改变C2的值来调节捕捉带宽。图3-12 LM567构成的40kHz检波电路如图3-12是有LM567芯片构成的超声波40kHz检波电路，由LM567的带宽Bw与压控振荡器中心频率f0的关系式可知，LM567中锁相环

46、的扑捉带宽Bw与频率f0有关，而频率f0又和外部RC元件值有关。因此可以通过改变外部RC元件的值来改变中心频率f0，相应地就改变了捕捉带宽Bw。在实际应用中，通常总是将电容C的值固定，通过改变电阻R的值来改变捕捉带宽，从而完成对不同频率通道的译码工作。在改变电阻的方法中，有采用电位器调节电阻值得方法，也有采用波段开关将不同电阻值的电阻分别接入的方法，在本电路中因为输入频率为40kHz固定，所以采用了固定电阻值。本设计中解调的超声波频率为40kHz，取R11=20k，C12=2.2pF，有以下计算公式可以验证解调频率：3.4 传感器接口电路设计本设计中，考虑到浮标的主要功能是进行海洋资料的采集，

47、设计到很多传感器数据的读写和转换，为简化电路设计，本设计将这一类传感器也集成到了防碰撞系统中，在本设计的模型中没有将这一部分电路的实物做出来，主要包括输出模拟量的传感器接口和输出数字量的传感器接口，下面分别介绍。3.4.1 模拟信号传感器接口对于输出模拟量的传感器，因为海洋资料浮标对传感器的采集周期较长，最快也是1小时采集一次，所以普通的AD转换芯片已经足够了，本设计采用的是经典的模数转换芯片ADC0809。ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A

48、/D转换。是目前国应用最广泛的8位通用A/D芯片。对ADC0809的操作过程主要是，首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。ADC0809芯片与AT89S51单片机的接口电路如图3-13所示，模拟通道选择信号A、B、C分别经过地址锁存器74HC373后，接单片

49、机的低三位地址线，即P0.0、P0.1和P0.2，而地址锁存允许信号ALE有P2.0控制，所以8路模拟通道的地址为0xFEF8-0xFEFF，通道地址选择以单片机的写信号WR作为选通信号。从图中可以看到，把ALE信号与START信号连接在一起了，这样连接使得在信号的前沿写入通道地址，紧接着在其后沿就启动了转换。这样的接口电路设计使得AD的启动只需要一条MOVX指令就可以了，在此之前要将P2.0清零并将低三位与所选择的通道所对应的地址送入数据指针DPTR中。AD转换的参考电压接5V，如图中所示，转换结束标志EOC接单片机的P1.0，通过查询来判断AD是否转换完成，也可以接到单片机的外部中断口，通

50、过中断方式来读取AD转换的结果。图3-13 ADC0809接口电路3.4.2 数字信号传感器接口对于开关量的传感器信号，其读取相对较简单，本设计中给出了一种用光耦隔离的开关量检测电路，电路图如图3-14所示。为了提高传感器信号的驱动能力，这里采用了三极管Q4将传感器信号放大，来控制光耦发光二极管的开通和关断，510的R22为光耦限流电阻，光耦输出端的三极管集电极经过10k电阻上拉到电源，集电极作为输出到单片机端口，发射机接地。当传感器输出高电平的时候，控制三极管Q4导通，发光二级管发光，使光耦输出极的三极管导通，单片机端口检测到低电平；当传感器输出低电平的时候，控制三极管Q4关断，发光二级管不

51、发光，使光耦输出极的三极管关闭，单片机端口检测到高电平。这种设计方式能够很好地通过光电隔离，减少外部电路对单片机系统的干扰，提高了系统运行的可靠性，但是也有其缺点，因为光耦的隔离需要外加一路电源，否则就没有意义，这样在电源的设计成本和难度就会加大。图3-14 数字信号传感器接口电路3.5 RS-485通信接口电路设计为方便以后对系统的扩展，本系统预留了外部通信接口，采用的是RS-485通信接口。其电路图如图3-15所示。给电路采用了光耦隔离方式来驱动MAX485芯片，在这里采用隔离是很有必要的。这里采用光耦型号是6N137，光耦6N137是一款高速光电隔离器件，该器件的响应速度可达10Mbps

52、，工作温度为工业级的-40至+85，工作电压为4.5-5.5V。速度较快，功耗较低，适合数字电路的光电隔离，是抗干扰设计的较好选择。这种光隔离能够有效抑制MAX485部分对单片机系统的影响，保证单片机部分的正常工作。二极管P6KE12A是浪涌电压抑制器，其击穿电压为11.4-12.6V，最大峰值脉冲电流为36.9A，可以有效抑制RS-485电缆带来的破坏性干扰电压，保护MAX485芯片。根据MAX485芯片的资料，在单片机拉低485EN使能端时，MAX485接收使能，单片机可以接收到上位机的数据，但是不能发信息到上位机；当单片机将485EN端置一时，单片机可以向上位机发送信息，但是不能接收到上

53、位机发送的信息。图3-15 RS-485通信接口电路RS-485标准是电子工业协会（EIA）于1983年制订并发布，该标准弥补了RS-232通信距离短、速率低等缺点，但它只规定了平衡发送器和接收器的电特性，没有规定接插件、传输电缆和应用层通信协议，应用层协议可以根据应用灵活制订。表3-1 RS-485通信标准性能参数指标参数传输模式差分电缆长度为15m传输速度10Mbps电缆长度为1200m传输速度90kbps最大差动输出6V最小差动输出1.5V接收器灵敏度0.2V发送器负载60最大发送器数量32最大接收器数量32信号在通信电缆中是以差分方式传输的，具有很好的抗共模干扰能力，以DATA+和DA

54、TA-两根传输线的电压差来表示逻辑信号，两线的电压差为+（26）V表示逻辑“1” ，两线电压差-26）V表示逻辑“0” 。第四章 系统软件设计系统的软件设计主要包括三个方面，电机驱动程序设计、传感器信息读取程序设计和算法实现。4.1电机驱动程序设计本设计中，不需要对驱动电机进行很精确的调速控制，所以电机的驱动程序相对较简单，在本设计中采用了定时器中断方式来产生PWM信号，用于驱动电机，程序中预先设定了3个速度对应的定时器计数初值，在需要调速的时候加载对应的定时器值即可实现简单调速。其程序流程图如图4-1所示，每次进入定时器中断后加载一次计数器初值，并在两个状态中切换，状态1表示此时驱动引脚上面

55、输出的是高电平，而状态0表示此时驱动引脚上输出的是低电平。进入中断加载计数初值状态1？设置为状态0设置为状态1PWM输出高PWM输出低退出中断NY图4-1 电机驱动程序流程图4.2 超声波测距取程序设计超声波测距需要测量超声波从发射到接收的时间差，本设计用了单片机的定时器来计时，发送超声波触发信号后，即打开计数器开始计时，当接收到超声波检波电路送到单片机的中断后即停止计时，读取的计数器的计数值来计算超声波传感器测量的距离。超声波测距的程序流程图如图4-2所示，有图可以看到，超声波测距程序主要分为3个模块，分别是启动超声波发射程序、定时器中断服务程序和外部中断服务程序。开始发送8个40kHZ方波

56、打开定时器打开中断结束进入外部中断关闭定时器关闭全局中断读定时器值跳出外部中断定时器超时？关闭定时器进入定时器中断全局进位+1跳出外部中断NY（a） （b） （c）图4-2 超声波测距流程图启动超声波发射程序如图4-2（a），在初始化各个全局数据后，清零计数器初值等，单片机产生8个40kHz方波信号，该信号经过反向器组成的功率放大电路后，驱动超声波发射头发射信号，然后打开定时器开始计时，并打开外部中断和定时器中断，即完成超声波的发射。当计数器溢出后会触发单片机的定时器溢出中断，超声波接收电路接收到返回的超声波后，经过40kHZ的超声波解调电路会产生一个下降沿来触发单片机的外部中断。当进入单片机

57、的定时器溢出中断后，全局计数进位累加一次，因为当超时波测量距离较远时，定时器一圈计数完成后超时波的返回信号还没有到达，这就需要一个全局的进位位，来记录定时器中断的次数，在计算超声波时间时，每次中断算256个计数时钟周期。当设定的测量极限时间任然没有超声波信号返回，则关闭定时器，本次测量失败，这是程序稳定运行必须的条件，因为没有障碍物在超声波的测量距离时，是没有返回信号到超声波接收端，无法进入外部中断服务程序，所以需要判断超声波测量是否超时。超声波接收电路接收到返回的超声波后，经过40kHZ的超声波解调电路会产生一个下降沿来触发单片机的外部中断，单片机进入外部中断服务程序。进入该程序代表在超声波

58、的测距围有障碍物，该程序中，先关闭全局中断和定时器，然后读取定时器的值，测量距离的计算由专门的程序来完成。4.3 数值滤波程序设计考虑到传感器的错误检测和环境的干扰，需要对传感器采集的距离数据进行数值滤波，然后作为控制电机的依据。在程序设计时，定义了一个4行12列的二维数组，用于存放4个通道的最新传感器检测数据。在需要程序的主循环中，对相应通道数组的12个数据进行数字滤波，将得到的结果作为控制电机的依据。数字滤波算法程序如下所示，将12个数据中的最大值、此最大值、最小值和此最小值去掉，然后对剩下8个数据求平均值即可。平均值滤波算法对系统受到的噪声干扰具有很好的滤除作用。该算法的优点在于不需要对

59、12个数据进行排序，并且程序只循环12次，即每个数据读取一次，就完成了两个最大值和两个最小值的筛选，对8个剩余数据求平均值也是精心设计过的，因为AT89S51单片机部没有除法单元，执行除法运算实质是进行复杂的移位运算，在这里对8个数据求平均，直接将数据向右移动3位即可。temp_maxH = 0;temp_maxL = 0;temp_minH = 0xffff;temp_minL = 0xffff;for(i=0;itemp_maxH ) temp_maxL = temp_maxH;temp_maxH = Tempipi;else if( Tempipi temp_maxL )temp_max

60、L = Tempipi;else if( Tempipi temp_minL )temp_minH = temp_minL;temp_minL = Tempipi;else if( Tempipi = 3;/除以8，求平均值4.4 控制算法实现系统壁障主要采用模糊控制算法来实现，其工作过程遵循着反馈控制和人工智能控制相结合的原理。下面进一步说明。给定距离控制算法电机与障碍物的距离超声波传感器图4-3 控制算法框图模糊控制系统是一种具有反馈的闭环自动控制系统，适用于被控过程没有数学模型或很难建立精确数学模型的工业过程，它是解决不确定系统控制的一种有效途径。模糊控制系统有较强的鲁棒性与抗干扰能力，

61、在控制过程中能大大减弱参数变化对控制效果的影响，非常适合于非线性、时变与滞后系统的控制。模糊控制的基本原理可由图4-3表示。随着单片机技术的发展，单片机性能在不断提高，可以完成复杂的控制。在模糊控制中专家的经验知识是一系列含有语言变量的条件语句和规则，而模糊集合理论又能十分恰当地表达具有模糊性的语言变量和条件语句。将单片机与模糊集合理论相结合，用模糊集合理论对语言变量模糊化，再用模糊推理对系统的输入状态进行处理，产生相应的控制策略，以实现对那些难以建立数学模型的系统进行有效控制。本系统中，来自传感器的信号是超声波传感器的距离信号本系统设计了一个单输入单输出的模糊控制器，如图4-4所示。本系统输入变量选为障碍物(船舶等)到浮标的距离S与其一阶导数S。输出变量选为电机的开关信号U。距离S的模糊子状态为S(0)（没有障碍物）、S(1)（有障碍物进入报警距离)。距离变化率反映了现场状态的距离偏差的变化方向。输入变量S，S的隶属函数采用最常用的三角形，输出的隶属函数可用单点的隶属度函数。将距离控制器的输出状态分为2个状态子集，具体对应如下：U(1)（全电压输出驱动），U(0)（零电压输出驱动）。d/dtd/dt模糊控制器S图4-4 模糊控制器结构图当距离偏差为S(1)时，距离和设定的安全距离相差最大，为使距离减到最小，尽快消除偏差，无论