某水下潛行器硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)案例分析第一章水下潛行器硬件設(shè)計(jì)1.1元器件選擇元器件的選擇，基于目前所學(xué)知識和查閱各種資料，確定選用AT89c52做主控芯片，其各個引腳在圖23中展示。水下潛行器應(yīng)用到了其中的幾個部分。AT89C52包括40個引腳，其中32個外部雙向I/O口，使程序調(diào)試更加方便靈活。將其通用的微處理器和Flash存儲器組合，尤其是可反復(fù)修改的Flash存儲器可有很多種使用方式，能有效地減少開發(fā)成本。AT89C52有8位通用CPU，128BRMB數(shù)據(jù)存儲器，4KBFlashROM程序存儲器等，還有增加了看門狗定時器WDT，若單片機(jī)因干擾或程序問題，使系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)或跑飛，能直接讓單片機(jī)復(fù)位，程序就得以恢復(fù)正?！?0】。圖3-1AT89c52引腳圖FM116B芯片為專門制定的集成電路，其功能可使用于驅(qū)動小型電機(jī)，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。該芯片采用SOT23-6微型封裝，為對空間需求有限的設(shè)計(jì)找到更加優(yōu)質(zhì)的方案。電路采用H橋結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有功率開關(guān)MOSFET，在此設(shè)計(jì)中，能使芯片控制所帶負(fù)載即螺旋槳和水產(chǎn)生推力，從而達(dá)到前進(jìn)后退等功能。其中主要的是，剎車功能可使負(fù)載電機(jī)緊急制動，而待機(jī)功能所需的電流非常的小，增長待機(jī)時間。在一定范圍之內(nèi)，電路可使設(shè)備長時間穩(wěn)定運(yùn)行。圖3-2引腳圖TX4115芯片的功能是同步整流降壓型穩(wěn)壓器，其引腳和管腳功能介紹如圖24所示。其可操作輸入的電壓范圍最小為8V，最大為30V，在兩者之間皆可使用。芯片需要最少的數(shù)量隨時可用的標(biāo)準(zhǔn)外部組件。其他作用還有可編程電流限制和熱關(guān)機(jī)，目前在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、航天應(yīng)用、醫(yī)療設(shè)備、充電器等多個領(lǐng)域起作用。在此設(shè)計(jì)的潛行器中，運(yùn)用到的功能是拓寬電壓廣度，使電路不僅局限于5V電壓充電。圖3-3TX4115芯片引腳圖圖3-4TX4115芯片引腳圖及管腳功能介紹1.2電路原理圖設(shè)計(jì)水下微型潛行器電路設(shè)計(jì)主要分為兩部分。第一部分是基于主控芯片為AT89c52功能的電路，電路圖以AT89c52各個引腳功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，在上個章節(jié)，已經(jīng)粗略介紹，下面會詳細(xì)分析我所用到的引腳。圖3-5電路PCB圖上圖（圖3-5），為在軟件AD10中繪制的原理圖，其中主控芯片AT89c52所用到的引腳如圖，包括P1口、P2口、P3口、引腳RST、引腳XTAL1和引腳XTAL2。P1口：為通用I/O端口，此項(xiàng)目中用到P1.0和P1.1，使用其輸入口功能，上拉電阻接電源，防止探照燈因電壓過高損壞，并通過P1口為水下探照燈的接通和關(guān)斷提供控制信號。P2口：是一個雙功能口，字節(jié)地址為AH，位地址為AH~A7H。此項(xiàng)目中P2口作為輸出線使用，用到的是P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6。其作用為通過控制開關(guān)，輸出相應(yīng)的高低電位，使芯片F(xiàn)M116B能實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。P3口：由于AT89S51的引腳數(shù)目有限，因此在P3口電路中增加了引腳的第二功能（第二功見圖3-6）。此項(xiàng)目中P3口的P1.0和P1.1使用其引腳的第二功能，作為串行口的輸入和輸出，使其能與水上控制系統(tǒng)通過串口連接來控制水下潛行器動作。其他的P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7使用其引腳的第一功能，傳輸信號，做為通用I/O口。圖3-6P3口第二功能RST、EA、XTAL1、XTAL2等功能在此就不再過多描述，依次在電路中實(shí)現(xiàn)的功能為復(fù)位輸入、外部訪問允許（此設(shè)計(jì)需CPU執(zhí)行內(nèi)部程序，則EA接高電平）、后兩者給單片機(jī)提供節(jié)拍。1.3電機(jī)驅(qū)動電機(jī)分布及說明：水下潛行器尾部安置的兩個螺旋槳分別用兩組電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，使電動機(jī)動力轉(zhuǎn)換為螺旋槳和水產(chǎn)生的推力，由于正反轉(zhuǎn)的區(qū)別，且受到水的反向推力，而在水中產(chǎn)生向后或向前的動力。由于螺旋槳和電機(jī)靜態(tài)連接，則通過電機(jī)帶動，螺旋槳發(fā)生正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，進(jìn)而對潛行器進(jìn)行動作【6】。此設(shè)計(jì)共安裝三個驅(qū)動電機(jī)，且分別對應(yīng)安裝三個螺旋槳。在潛行器尾部有兩個平行且大小相同的螺旋槳，當(dāng)執(zhí)行前進(jìn)或后退任務(wù)時，兩個螺旋槳在控制系統(tǒng)的作用下同時正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)目的；在執(zhí)行左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)任務(wù)時，右轉(zhuǎn)則右側(cè)螺旋槳正轉(zhuǎn)，左側(cè)螺旋槳停轉(zhuǎn)，由于右側(cè)產(chǎn)生推力，則潛行器能向右轉(zhuǎn)動，左側(cè)同理。另外，在潛行器重心處還安裝有一個螺旋槳驅(qū)動，能通過此螺旋槳的正反轉(zhuǎn)來控制潛行器的上浮和下沉。數(shù)據(jù)計(jì)算：為滿足水下潛行的動力需要，需要計(jì)算出電機(jī)的功率，以確定是否能達(dá)到預(yù)期的潛行速度，在螺旋槳選定時，需要確定螺旋槳的直徑D，確定螺旋槳的螺距比，以及螺旋槳的推力系數(shù)Kr；在電機(jī)選定時，需要知道電機(jī)的最大功率，電機(jī)的KV值（輸入電壓增加1伏特，無刷電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值）。確定上述數(shù)值后，代入螺旋槳的推力T的公式：式中為水的密度、轉(zhuǎn)速的平方、螺旋槳的四次方以及螺旋槳推力系數(shù)的乘積，最終得出的螺旋槳推力與電機(jī)能產(chǎn)生的推力相比較，螺旋槳的推力略小于電機(jī)的推力時，說明選擇良好，滿足所需推力要求。1.4殼體設(shè)計(jì)殼體形狀：水下潛行器根據(jù)功能不同，有很多種外形結(jié)構(gòu)，此設(shè)計(jì)對功能要求并不具體，所以只需滿足幾點(diǎn)共性要求即可：結(jié)構(gòu)的流暢性好，承受阻力小；具有良好的創(chuàng)造性，工藝良好，加工容易；作為微型潛行器，靈活性要好；因此設(shè)計(jì)的是微型潛行器，主要考慮外殼結(jié)構(gòu)的流暢性，承受水的阻力小，能使其活動靈活。因此選用潛艇式結(jié)構(gòu)，能符合以上幾點(diǎn)要求。圖3-7水下潛行器前端結(jié)構(gòu)圖殼體密封：由于此設(shè)計(jì)是在水下工作，所以對密封要求較高，密封效果直接影響到設(shè)計(jì)的完成度，一點(diǎn)細(xì)微的縫隙，都會讓水進(jìn)入艙體，使電子器件損壞。由此可見密封對整個設(shè)計(jì)的重要意義。同時，密封也是設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)，尤其是各個部分的銜接處。本文采用的是“接觸密封”，此潛行器一共包含兩個部分，即潛行器前端和后端，前端放置探照燈，后端為電子器件艙，兩艙之間的接口處，由于不需要活動，則為靜態(tài)密封。在兩者之間安裝一個高韌性和高彈性的輔助部件，能夠在水的壓力下擠壓變形，也能阻止水進(jìn)入艙內(nèi)，保證兩艙之間的密封度。一般選用的是橡膠圈或橡皮筋等。為達(dá)到更好的密封效果，還可在銜接處涂一層硅脂或潤滑油，安裝和拆卸也更方便操作。如圖28為詳細(xì)結(jié)構(gòu)。圖3-8密封圈殼體防腐措施：水下潛行器由于多在水下工作，會對潛行器造成一定程度的腐蝕，影響其使用壽命，為減小此現(xiàn)象產(chǎn)生，一般采取以下幾種措施：艙體縫隙銜接處采用膠水處理；若有裸露在外的金屬部分，應(yīng)涂上防生銹油脂；在水下工作后，對外部進(jìn)行淡水沖洗，并放在干燥處晾干；對設(shè)備進(jìn)行定期檢查；1.5懸浮設(shè)計(jì)潛艇密封壓水倉的作用是通過其壓水艙進(jìn)水和排水的方式來控制潛器下潛和上浮。目前我國大部分壓水艙系統(tǒng)都運(yùn)用此原理來調(diào)節(jié)船體的重量排布和進(jìn)水深度，使船體符合作業(yè)時的海洋情況要求,保證船體在航運(yùn)途中的穩(wěn)定和安全。但這種以壓水艙來調(diào)節(jié)的方式不能實(shí)現(xiàn)懸浮在固定位置。目前普遍使用通過改變重力來實(shí)現(xiàn)下潛，減小浮力對潛行器下潛的影響，有兩種體例：一種是增加自身重力，先攜帶足量下潛的重物，在需要上浮時丟棄，如中國的“蛟龍”號等潛行器。另外一種是不攜帶任何重物，利用壓水艙里進(jìn)出海水的量來控制潛行器的重力，如美國新“ALVIN號”等潛行器。它的潛水部分運(yùn)用的是壓載鐵下潛技術(shù)，當(dāng)壓載鐵的重量大于浮力時，使之下降。由于此設(shè)計(jì)對深度要求較低，且潛行器較為微型，我采用的是攜帶較少壓載鐵的方法，使?jié)撔衅髂苓_(dá)到一定深度，然后通過潛行器中部螺旋槳的正反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一定的推力，來調(diào)節(jié)潛行器懸浮的深淺。1.6小結(jié)本章主要介紹了水下微型潛行器的硬件部分。關(guān)于如何選擇硬件，為何選擇等問題，都做了詳細(xì)的說明。由于本科專業(yè)沒有學(xué)習(xí)機(jī)械繪圖的相關(guān)知識，關(guān)于殼體的設(shè)計(jì)，描述相對較少，設(shè)計(jì)的不夠深入，主要參考了一些已經(jīng)制作完成的潛行器外殼。在防水密封問題上，提出了解決方案，能達(dá)到符合潛行器工作環(huán)境的密封程度。第二章水下潛行器軟件設(shè)計(jì)2.1電路設(shè)計(jì)圖4-1電路原理圖如圖為此項(xiàng)目的電路原理圖，因其主控芯片為AT89C52，首先應(yīng)畫出其最小系統(tǒng)，再根據(jù)程序?qū)?yīng)的位置，畫出需要連接的元器件或其他芯片引腳。此電路共包括有線通信、cpu單元和電機(jī)驅(qū)動三個模塊，還包括信號傳輸，將信號傳給驅(qū)動芯片F(xiàn)M116B，使其驅(qū)動直流電機(jī)。2.2控制程序編寫此設(shè)計(jì)通過keil編寫程序，芯片AT89C52和FM116B相配合，使FM116B能接收到相應(yīng)的高低電平，從而控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)螺旋槳的正反轉(zhuǎn)。FM116B的功能為當(dāng)IN1和IN2都為低電平時，電機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)IN1為高電平、IN2為低電平時，電機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)；當(dāng)IN1為低電平、IN2為高電平時，電機(jī)處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)；當(dāng)IN1和IN2均為高電平時，電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。所以要通過主控芯片的開關(guān)，控制輸出端，給IN1和IN2提供高低電平。水下潛行器共有四個電機(jī)，其中三個控制螺旋槳的轉(zhuǎn)動，分別為在潛行器尾部的一號、二號（如圖3-2），和在潛行器中部的三號（如圖3-3）。在水中實(shí)現(xiàn)上浮、下潛、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)和后退六個方向的活動，分別相應(yīng)提供高低電平，來控制各個螺旋槳動作。圖4-2潛行器尾部螺旋槳圖4-3潛行器中部螺旋槳以下為編寫的程序：#include<reg52.h>#include<math.h>sbitKEY1=P3^2;//定義按鍵sbitKEY2=P3^3;sbitKEY3=P3^4;sbitKEY4=P3^5;sbitKEY5=P3^6;sbitKEY6=P3^7;sbitKEY_led=P1^3;sbitled1=P1^0;//定義小燈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)//前進(jìn){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{(lán)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)//下潛{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)//左轉(zhuǎn){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)//右轉(zhuǎn){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本章小結(jié)通過對FM116B集成元器件的了解，運(yùn)用keil編寫了相關(guān)程序，能實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。三個電機(jī)分別用三個FM116B來連接，通過AT89C52傳遞高低電平，實(shí)現(xiàn)螺旋槳的正反轉(zhuǎn)。根據(jù)電路需要的cpu單元、電機(jī)驅(qū)動和有線通信這三個模塊，進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)。仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)論5.1控制程序仿真此設(shè)計(jì)使用proteus7.5進(jìn)行仿真，由于設(shè)計(jì)所使用的芯片F(xiàn)M116B不在仿真軟件的使用范圍內(nèi)，所以只使用示波器測試信號，體現(xiàn)控制程序能對芯片輸入引腳有高低信號的傳輸。如下圖5-1為仿真電路圖：圖5-1仿真電路圖將程序下載到仿真中，得到六個輸入信號，分別對應(yīng)三個芯片F(xiàn)M116B。潛行器為前進(jìn)狀態(tài)，即1、2號螺旋槳正轉(zhuǎn)，3號螺旋槳待機(jī)。圖5-2仿真結(jié)果圖潛行器為后退狀態(tài)，即1、2