基于單片機(jī)的新型海警艦艇電子舵角指示儀

摘要：現(xiàn)有海警艦艇的舵角指示技術(shù)多采用自整角機(jī)舵角指示系統(tǒng)，此類舵角指示裝置不僅體積質(zhì)量大，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，而且指示精準(zhǔn)度也不高。針對(duì)上述不足，提出一種電子舵角指示方法，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的新型舵角指示系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，該電子舵角指示儀方法可靠，舵角指示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、指示精度高、響應(yīng)靈敏，且設(shè)計(jì)的聲光報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警準(zhǔn)確、及時(shí)。在海警艦艇、公務(wù)用船及其他民用船只上有很大的推廣應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：舵角指示儀；海警艦艇；角度傳感器；C8051F020單片機(jī)

0 引言
    隨著我國對(duì)海洋的日益重視，公安海警艦艇部隊(duì)不斷壯大，海警的裝備也有了長足的發(fā)展，千噸級(jí)以上的大艦不斷裝備到海警部隊(duì)，為海警部隊(duì)完成國家所賦予的任務(wù)提供了有力的保證。然而，綜觀海警大艦的來源，除少部分是通過部局與地方政府聯(lián)合建造外，如1001艦，多數(shù)是通過對(duì)海軍退役艦艇的改造而列編的。一個(gè)突出的問題——艦艇裝備的自動(dòng)化程度比較落后，對(duì)海警部隊(duì)完成海上執(zhí)勤執(zhí)法任務(wù)提出了挑戰(zhàn)。而舵角指示裝置是其中較為突出的問題之一。
    眾所周知，現(xiàn)有海警艦艇的舵角指示技術(shù)多采用自整角機(jī)舵角指示系統(tǒng)，此類舵角指示裝置不僅體積質(zhì)量大，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，而且指示精準(zhǔn)度也不高。因此，對(duì)海警艦艇的舵角指示系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化和可靠性改造已是顯得十分迫切。
    本文在分析現(xiàn)有海警艦艇舵角指示系統(tǒng)存在不足的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的電子舵角指示方法，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的新型舵角指示系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)和制造了舵角指示儀樣機(jī)，并進(jìn)行了自動(dòng)化、指示精度和可靠性研究。

1 設(shè)計(jì)思想
    舵角指示器是用來測(cè)量顯示艦艇舵葉轉(zhuǎn)角和方向的儀器，現(xiàn)有海警中型艇多數(shù)還在使用自整角機(jī)舵機(jī)指示系統(tǒng)。此類舵角指示器主要用于精度較低的指示系統(tǒng)，其指示精度、噪音等級(jí)、制造成本以及保養(yǎng)維修要求都存在明顯的不足。首先，自整角機(jī)式舵角顯示系統(tǒng)單元多由單相激磁繞組的小型異步電動(dòng)機(jī)、電纜線和指示儀表盤等構(gòu)成。其系統(tǒng)線路接線較為復(fù)雜，還需要較大電壓供電，因此消耗電能大，故障機(jī)率高；其次，此類舵角指示系統(tǒng)指示精度不高。自整角機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子線圈是采取微行滑環(huán)，存在接觸不良的問題，指示器表針使用電磁機(jī)構(gòu)，容易受到外界磁場(chǎng)的干擾，要經(jīng)常校零，精確度不夠高；再次，就經(jīng)濟(jì)性而言此類舵角指示器成本較高。
    針對(duì)上述不足，提出了一種基于單片機(jī)的新型的電子舵角指示方法，即基于角度傳感器和單片機(jī)的電子舵角指示系統(tǒng)。其基本原理是：通過角度傳感器檢測(cè)舵角的轉(zhuǎn)角信號(hào)，然后在單片機(jī)中進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，按預(yù)先設(shè)計(jì)的程序，經(jīng)計(jì)算后輸出相應(yīng)的信號(hào)，并通過液晶顯示器顯示舵角的所處的位置。實(shí)現(xiàn)了艦艇舵角及顯示的數(shù)字化，具有技術(shù)先進(jìn)、成本低、功耗小、反映速度快、測(cè)量精度高、低噪音、故障率低、壽命長、配套靈活、使用維護(hù)修理方便等優(yōu)點(diǎn)，克服了現(xiàn)有海警艦艇舵角指示器的不足，有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

2 設(shè)計(jì)原理及方案
2．1 設(shè)計(jì)原理
    系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由電源模塊、角度傳感器、單片機(jī)、顯示模塊和報(bào)警模塊等組成。電源模塊向系統(tǒng)提供5 V直流電，并控制系統(tǒng)的通斷；角度傳感器模塊及其指針式角度表采集舵角度信息，并傳輸?shù)紺8051F020單片機(jī)；單片機(jī)模塊將輸出信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，按一定的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，并把結(jié)果傳輸送液晶顯示器顯示出舵角結(jié)果；報(bào)警模塊在舵角超過到極限角度35°時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，保證操舵系統(tǒng)的安全。
2．2 系統(tǒng)框圖
    電子舵角指示系統(tǒng)的框圖如圖1所示，控制程序框圖如圖2所示，聲光報(bào)警模塊電路圖如圖3所示。

3 器件選型
3．1 單片機(jī)
    考慮到舵角指示儀的較高拓展性要求，在選擇單片機(jī)時(shí)著重考慮所選單片機(jī)的多性能指標(biāo)。C8051F020／2單片機(jī)具有最佳的技術(shù)性能和較多的功能，且具有較復(fù)雜的反饋環(huán)節(jié)，因此本系統(tǒng)選用C8051F020／2單片機(jī)。
3．2 角度傳感器
    為使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)0．1°的精度和±60°的測(cè)量范圍，在舵角指示系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用了WDS35D4導(dǎo)電塑料角位移傳感器，其性能指標(biāo)高于傳統(tǒng)舵角指示傳感器的要求。
    該傳感器采用硬質(zhì)鋁合金材料制作外殼，采用導(dǎo)電塑料作為電阻材料，電阻值為2 kΩ，獨(dú)立線性：0．1％貴金屬電刷激流裝置，不銹鋼高速軸承等器件，具有機(jī)械壽命長，分辨率高，轉(zhuǎn)動(dòng)順滑，動(dòng)態(tài)噪聲小的優(yōu)良性能。
3．3 液晶顯示屏
    內(nèi)置ST7920簡、繁體中文字庫控制器；玻璃類型：STN黃綠屏或藍(lán)屏；點(diǎn)陣數(shù)：128×64；外型尺寸：93．0 mm×70．0 mm；定位尺寸：86．6 mm×63．0 mm；視域尺寸：72．0 mm×40．0 mm；點(diǎn)距離：0．52 mm×0．52 mm；點(diǎn)大?。?．48 mm×0．48 mm；控制器：ST7920；工藝形式：COB獨(dú)抗干擾能力超強(qiáng)；數(shù)據(jù)傳輸：串、并口兼容；背光類型：LED白光或黃光。

4 實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)據(jù)分析
4．1 測(cè)試所用儀器與工具
    (1)C8051F020單片機(jī)最小系統(tǒng)；
    (2)帶角度測(cè)量尺的舵模型；
    (3)D-50AGD開關(guān)電源；
    (4)PC機(jī)1臺(tái)，臺(tái)式萬用表，在線仿真下載工具。
    電子舵角指示儀實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖4所示。

4．2 測(cè)試方法
    嚴(yán)格按照船艇舵角度指示器對(duì)舵方法測(cè)試，先將舵角指示器的指針指向“0”刻度，觀察舵機(jī)室的實(shí)際舵角是否在正舵位置。然后再慢慢將舵輪往左(右)轉(zhuǎn)到滿舵，檢查舵輪座上的舵角指示器與船尾桿上的指示刻度是否一致。接著用同樣的方法向右(左)滿舵進(jìn)行一次，再快速轉(zhuǎn)舵一次，然后操舵人員聽令，分別連續(xù)地作左(右)5°，15°，25°，滿舵操舵和回舵。最后進(jìn)行從左滿舵到右滿舵、回舵的試驗(yàn)，以判斷追隨機(jī)構(gòu)、工作系統(tǒng)和舵角指示器的可靠性、準(zhǔn)確性、運(yùn)轉(zhuǎn)速度及平穩(wěn)性。
4．3 測(cè)試數(shù)據(jù)和分析
    C8051F020／1／2／3單片機(jī)所有模式和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能／禁止和配置。FLASH存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件。片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模式和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。
    經(jīng)過反復(fù)的測(cè)試，用萬用表測(cè)得3組角度傳感器的輸出電壓對(duì)應(yīng)的角度值，3組數(shù)據(jù)取平均值，最后得出1組數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)學(xué)上的線性回歸曲線原理，運(yùn)用軟件計(jì)算出本系統(tǒng)的線性回歸曲線。如圖5所示。

    使用線性計(jì)算方法，得到線性回歸方程：
    y=0．013 9x+0．924 9
    綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該電子舵角系統(tǒng)達(dá)到了以下技術(shù)指標(biāo)：
    (1)電源電壓：AC 220 V／50 Hz或DC 5 V；
    (2)指示精度：0．1°；
    (3)噪聲等級(jí)：小于55 dB；
    (4)接口形式：插座式；
    (5)測(cè)量范圍；±60°；
    (6)精確度：0．002 85；
    (7)抗搖擺和傾斜范圍：橫搖：±22．5°；縱搖：±10°；橫傾：±22．5°；縱傾：±10°；
    (8)顯示靈敏度：小于等于0．1 s；
    (9)偏舵極限角：大于等于±35°時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。
    單片機(jī)芯片有很多預(yù)留的功能，以便在其他領(lǐng)域拓展方面留有發(fā)展的余地。
    完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，具有64個(gè)數(shù)字I／O引腳(C8051F020／2)高速，流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達(dá)25 MIPS)高速，還包括A／D和D／A轉(zhuǎn)換，可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)向船艇自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展。且其具有高靈活性和擴(kuò)展性，在軍用伺服系統(tǒng)、天線系統(tǒng)、雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)、火炮控制系統(tǒng)和機(jī)床控制系統(tǒng)等都可以應(yīng)用。有待于今后進(jìn)一步挖掘更多的功能，拓展到其他領(lǐng)域的應(yīng)用。

5 結(jié)語
    通過對(duì)現(xiàn)有海警艦艇舵角指示系統(tǒng)的分析，運(yùn)用電子技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)，提出了一種新型的電子舵角指示方式，運(yùn)用該方法設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的電子舵角指示儀，最后，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本電子舵角指示方法可行，設(shè)計(jì)的電子舵角指示儀克服了現(xiàn)有舵角指示儀的不足，在公安海警艦艇建造和現(xiàn)有艦艇的改造中具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。
    在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)在傳感器的防護(hù)方面還需進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)，整機(jī)的封閉還需做進(jìn)一步的改進(jìn)，同時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性及其他性能還需在使用過程中做進(jìn)一步的考證。