船载卫星天线伺服跟踪控制系统设计【毕业论文】.doc

1、毕业论文 文客久久 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 船载卫星天线伺服跟踪控制系统设计 学 院： 学生姓名： 专 业： 电子信息工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 文客久久 船载卫星天线伺服跟踪控制系统设计 摘要 随着社会的进步和功率电子技术、微电子技术、计算机技术及控制原理的不断提高，卫星通信事业得到了快速的发展，船载卫星通信几经在现实社会中得到了广泛的应用。其机动、灵活的特点得到了广大好评。 船载卫星伺服跟踪系统是指一种移动式卫星接收设备，它综合了通信天线、伺服跟 踪系统、数字电子线路、自动控制、计算机应用软件、精密机械等多方面的先进技术。伺服系统是伴随着电机的应用而

2、发展起来的，最早出现在 20 世纪初。 1934 年第一次提出了伺服机构这个词，随着微型计算机特别是单片机得到了迅速的发展，它们体积小、重量轻、可靠性高等特点，在伺服系统中取代了大量的模拟电路和数字电路，使伺服系统更灵活、通用。 本论文利用单片机的优良控制功能，综合运用现代传感装置设计了船载卫星天线伺服控制系统，实现了快速准确对星。天线控制器具有储存、记忆、换星等功能，可储存记忆十颗卫星位置，并进行了具体的工程实 现。本系统进行了天线系统方案的总体设计、天线系统控制器的硬件和软件的设计、调式等。 关键词： 伺服体统；卫星天线；单片机毕业论文 文客久久 Abstract Along with t

3、he progress of society and the continuous improvement of the power electronic technology, microelectronics technology, computer technology and control principle, the satellite communications business have been developed rapidly so the boat satellite communications is widely used in the realistic soc

4、iety. Its mobility and flexibility has obtained the general high praise. Shipboard satellite servo tracking system is a mobile satellite receiving equipment, which combines a communications antenna, servo tracking system, digital electronic circuits, automatic control, computer application software,

5、 precision machinery, and other aspects of advanced technology. The servo system is accompanied by the click on the application and development, first appeared in the early 20th century. Its the first time to put forward the word of servo mechanism in 1934. With the rapid development of the single c

6、hip micro computer especially SCM. Its characteristics of small size, light weight, high reliability in servo system has replaced a lot of analog and digital circuit, make the ervo system more flexible and general. This thesis was used the fine control function of the microcontroller, the comprehens

7、ive use of modern sensor design the ship satellite antenna servo control system which achieved the fast and accurate way to spot star. The Antenna controller has the function of storage, memory and change magnitude, which can store and memory ten satellite position and the concrete engineering reali

8、zation. This system has the overall design of the antenna system solutions, the antenna system controller hardware and software design, mode, etc. key word: Servo system； Satellite antenna； SCM 毕业论文 文客久久 目录 前言 . 1 第 1 章 总体方案的设计 . 2 1.1 卫星天线的发展前景 .2 1.2 系统实现的功能要求 .2 1.3 方案设计比较 .2 第 2 章 船载卫星天线伺服跟踪控制系统

9、硬件设计 . 4 2.1 I2C 总线 .4 2.1.1 I2C 总线特征 . 4 2.1.2 I2C 总线位传输 . 4 2.2 RS485 总线 .4 2.3 AT89C85 单片机的介绍 .5 2.3.1 AT89C52 的引脚说明 . 6 2.3.2 定时器 . 9 2.3.3 中断和晶振特性 . 9 2.4 系统硬件电路结构 .10 2.4.1 步进电机的原理 . 10 2.4.2 步进电机的电压方程和磁链关系式 . 10 2.4.3 步进电动机的伺服运动控制 . 12 2.5 系统硬件电路结构 .13 第 3 章 船载卫星天线伺服跟踪控制系统软件设计 . 20 3.1 船载卫星天线

10、伺服控制系统的软件功能设计程序 .20 3.2 计时中断程序 .21 3.3 俯仰角和方位角转换显示的程序 .23 3.4 AT24C64 读出数据的程序 .25 总结 . 27 致谢 . 28 参考文献 . 29 毕业论文 文客久久 前言 电子技术是十九世纪末、二十世纪初发展起来的，二十世纪发展最迅速，应用最广泛。到了二十一世纪人面面临的是微电子技术，高科技的广泛应用是社会生产力和经济获得了空前的发展。现在在轨的同步卫星有 200多颗。目前卫星的应用已深入到人类生活的各个领域中，世界各地的电视、图像、语音等各种信息数据都是通过这些卫星传送的。随着计算机技术、卫星通讯 技术、自动控制原理等的大

11、力发展，现在船载卫星跟踪系统可以在运动中实现卫星天线实时跟踪同步地球卫星，实现载体在移动中宽带连续不间断通讯。在现代的工农业、国防、科学技术等领域中，自动控制技术得到了十分广泛的应用。自动控制技术在探索新能源、发展空间技术、改善人们生活等方面都起着日益重要的作用。 MATLAB是集数值计算、符号运算及图形处理等强大功能于一体的科学计算语言。作为强大的科学计算平台，他几乎能够满足所有的计算需求 9。 Simulink是 MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的 集成环境 。所以对于伺服跟踪系统的设计就可以用 MATLAB软件和 Simulink仿真模块进行试验仿真

12、17。 嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，然而，微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道理就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上，从而开创了单片机时代 15。在单片机发展道路上有过两种模式：一是将通过计算机直接芯片化的模式。另一种是完全按嵌入式应用要求设计的，满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等 6。 Intel公司的 MCS-48、 MCS-51就是按照第 2种模式发展起来的单片形态的嵌入式系统。 MCS-51的体系结构已成为单片机嵌入式系统的典型结构体系。现在集成电路的飞速发展，各大

13、芯片厂商提供了很多与其兼容的单片机。比如 Atmel公司的 AT89C系列、 AT89S系列， philips公司的8XC552系统等。这些单片机再用兼容的 MCS-51的结构和指令系统，只是对其功能和内部资源等方面进行了不同的程度的扩展 7-8。 AT89C52有引脚 40个，外部双向输入 /输出（ I/O）端口 32个，同时内涵外中断口 2个， 16位可编程定时计数器 3个，全双工串行通信口 2个，读写口线 2个， AT89C52可以按照常规方法进行编程，但不可以在线编程（ S系统的才支持在线编程）。结合通用的微处理器和 Flash储存器，特别是可反复擦写的 Flash储存器可有效的减少了

14、开发经费。 伺服系统就是用来精确的跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又可以称为随动系统。在很多情况下， 伺服系统专 们 指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统， 它的 作用 就 是使输出的机械位移（或转角） 精确 地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统 在 结构组成 上 和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。 一开始的伺服控制系统最早用于船舶的自动驾驶、指挥仪中等，后来被广泛地运用到了个多领域，如自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等方面。之所以采用伺服系统主要是可以达到几个目的： ： 以小功率指令信号去控制大功率负载 。 在没有机械连接的情况下，由输入轴控

15、制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。 使输出机械位移精确地跟踪电信号 。 毕业论文 文客久久 第 1章 总体方案的设计 1.1 卫星天线的发展前景 随着科学技术的进步，卫星通信事业迅速发展。目前在轨的同步卫星已达 200多颗，每时每刻世界各地的电视 、图像和各种数据信息都通过卫星传递。卫星的应用已深入到社会生活的各个领域，因此人们就要求在移动的船舶上也能收到卫星信号，这就需要一套船载卫星跟踪系统来实现这些要求。随着计算机技术、自动控制原理和卫星通讯技术的不断发展，船载卫星跟踪系统可以在运动中实现卫星天线实时跟踪同步地球卫星，实现载体在移动中宽带连续不间断通讯，因此它有着广泛的应用。船载卫星天

16、线以成本低、体积小、智能化、可靠性高、维护简单等特点广受市场的青睐。船载卫星站为了实现天线小型化，使用 Ku波段通信。 由于国外对船载卫星系统研究成果比国内要先进。如 果引进国外的产品，那么价格会比较昂贵。国内产品虽然有明显的一些不足之处，如工作频段低，运动范围有限，通信业务量少等等，但价格比国外便宜，具有明显的价格优势。所以，对于船载卫星天线伺服跟踪系统的研究 ，不仅仅是对于技术应用领域的推广，更是现在现在化建设的需要。发展前景十分广泛，研究意义重大。 1.2 系统实现的功能要求 系统采用 Atmel 公司的 AT89C52 单片机，运用 RS485 总线规范连接，对步进电动机运转和锁定进行

17、有效的控制， 综合运用现代传感装置设计船载卫星天线伺服控制系统，实现快速准确对星。天线控制器具有 储存、记忆、换星等功能，可储存记忆十颗卫星位置。 1.3 方案设计比较 船载卫星跟踪系统主要有以下几部分组成。如图 1.1 所示。 图 1.1 船载卫星跟踪系统组成 反馈网络是由角度传感器将天线方位角和俯仰角的变化，以及由卫星接收机产生的跟踪信号变为数字信号，并分时送入计算机，经计算机进行运算后，产生不同的控制信号。计算机主要是根据接收的各种命令和系统反馈的各种数据，经过运算处理产生相应的执行电动机角度控制信号，控制天线的方位角和俯仰角。执行部分接收计算机的各种执行信号，并完成对卫星天线的控制。

18、本系统可以用单片机来控制，也可以完全用 MATLAB 软件中 Simulink 进行仿真。 计算 机 电动机 反馈网络 伺服控制器 转动机构 接收天线 毕业论文 文客久久 MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 来解算问题要比用 C， FORTRAN 等语言完成相同的事情简捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等软件的优点，使 MATLAB 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对 C， FORTRAN， C+， JAVA 的支持。可以直接调用 ,用户也可以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB 函数库中方便

19、自己以后调用 14 。 Simulink 是MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统 17 。 Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于 Simulink。 毕业论文 文客久久 第 2章 船载卫星天线伺服跟踪控制系统硬件设计 2.1 I2C 总线 I2C 总线是由 PHILIPS 公司开发

20、 的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它具有接口线少，控制方式简单， 器件封装形式小，通信速率较高等优点 ，是同步通信的一种特殊形式。 2.1.1 I2C 总线特征 1、 只要求两条总线线路：一条串行数据线 SDA，一条串行时钟线 SCL； 2、 每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机 /从机关系软件设定地址，主机可以作为主机发送器或主机接收器； 3、 它是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时初始化，数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止 数据被破坏； 4、 串行的 8 位双向数据传输位速率在标准模式下可达 1

21、00kbit/s，快速模式下可达 400kbit/s，高速模式下可达 3.4Mbit/s； 5、 连接到相同总线的 IC 数量只受到总线的最大电容 400pF 限制。 2.1.2 I2C 总线位传输 连接 I2C 总线的器件有不同种类的工艺，如 CMOS、 NMOS。逻辑 0 和逻辑 1 的电平不是固定的，所以它由电源的相关电平决定，每传输一个数据位就产生一个时钟脉冲。在传输数据的时候， SDA 线必须在时钟的高电平周期保持稳定， SDA 的高或低电平状态只有在 SCL 线的时钟信号是低电平时才能改变。 I2C 总线上传递的每一帧数据均为一个字节。发送数据前应先启动信号（ S），启动后要求每传

22、送一个字节后，对方回应一个应答位。发送时先发送数据的高位，并依次发送 8 个字节的位数据，第九个时钟脉冲则对应于应答位（ A）。发送完毕，要给出总线的停止信号（ P）。 I2C 总线数据传输和应答如图 2.1 所以。 图 2.1 I2C 总线数据传输和应答 2.2 RS 485 总线 RS 485 总线采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制工模干扰的能力。总线收发器具有高灵敏，能检测低至 200mv 的电压。故传输信号能在前面千米以外得到恢复。 RS-485 支持毕业论文 文客久久 半双工或全双工模式。网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构不支持环形或星形网络，最好采用一条总线将各个节点串接起来。

23、从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。 RS 485 因硬件设计简单、控制方便、成本低等优点，在现在的许多工程中广泛应用。不过 RS 485 总线也存在许多缺点，如自适应、自保护功能脆弱、通信效率低等等。因此提高 RS 485 总线的运行可靠性十分重要。 2.3 AT89C85 单片机的介绍 单片机是一种集成电路芯片，是再用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器 /计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 51 单片机是对 Intel

24、 8031 指令系统的单 片机的统称。后来随着 Flash 技术的发展， 8031 单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的 8 位单片机之一 6。 AT89C52 单片机是 Atmel 公司开发的 AT89C 系列其中一个。它是一种低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系列可编程 Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU和在系统可编程 Flash，使得 AT89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超高效的解决方案。 AT89C52 具有 8K 字节 Flash， 256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线， 3 个 16 位定时器 /计数器，一

25、个 2 级中断结 构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外， AT89C52 可降至 0HZ 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 如图 2.2 所示，为 AT89C52 的硬件结构图。 CPU 是由运算器和控制器所构成的。运算器主要用来对操作数进行算术、逻辑运算和位操作的。控制器是单片机的指挥控制部件，主要任务的识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而 保证单片机各部分能自动而协调地工作

26、。它的程序存储器为 8K 字节可重擦写 Flash 闪速存储器， 闪烁存储器允许在线+5V 电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。 图 2.2 AT89C52 的硬件结构图 CPU 串行通讯口 RAM 输入输出接口 计数器 定时器 时钟 FLASH 毕业论文 文客久久 2.3.1 AT89C52 的引脚说明 AT89C52 的主要性能参数有：（ 1） 8K 字节可重擦写 Flash 闪速存储器；（ 2） 1000 次可擦写周期；（ 3）全静态操作： 0Hz-24MHz；（ 4）三级加密程序存储器；（ 5） 256 8 字节内部 RAM；（ 6） 32 个可编程 I/O 口线；（ 7） 3 个 16 位定时 /计数器；（ 8） 8 个中断源；（ 9）可编程串行UART 通道；（ 10）低功耗空闲和掉电模式。 如图 2.3 所示，为 AT89C52 外部引脚图。图 2.4所示，为 AT89C52 的内部结构图。 图 2.3 AT89C52 外部 引脚图