智能船控制系统研发[文献综述].doc

1、 - 1 - 本科毕业设计 (论文 )文献综述 电子信息 工程 智能船控制系统研发 摘要： 无线遥 控能实现对被控目标的非接触远程控制，目前在工农业生产、实际生活中得到了广泛的应用，应用无线遥控可以实现远距离操作，方便快捷。因此，无线遥控装置和无线传输系统在工业领域的应用越来越多。本文主要是讲述单片机在无线传输方面的运用，并将其运用于船模无刷电机的控制系统和传感器数据处理系统。里面主要介绍了无线遥控模型的发展现状，单片机及它的特点和电机控制的原理。 关键词： 无线遥控；无刷电机； PWM波 一、 前言 在国际上，无人驾驶近海巡 查装置目前已成为研究热点，该装置体积小 ,灵活性好，无论在民用还是

2、军事方面都有广泛应用。本文介绍的高性能水上无人巡查装置与国内研发的水域探测器不同，其采用先进的无线通信技术，覆盖范围广，工作区域大，具有灵活性好 ,智能化程度高 ,可以有效增大信息获取半径 ,适宜水域行动等特点，可与控制中心交互联动形成完整的监控系统，在现代近岸的侦查 ,监视等应用中具有越来越广泛的用途，对于提高水域技防手段，应对突发事件有着重大的现实意义。 二、 系统的组成部分简介及其相关应用 遥控船系统主要是以 MCU(Micro-controller Unit，微控制器 )作为核心芯片，控制各个模块运行来实现。根据其不同功能，我们将其具体地分为主控芯片模块，无线传输模块，电机驱动模块。本

3、文对智能船控制系统的各个模块实现方法进行综述。 2.1 系统主控芯片的选择 单片机（ Single Chip Microcomputer）是单片机微型计算机的简称，与通用微处理器例如 Inyer 公司的 x86 家族相比，其特点是：他的处理器、 RAM、 ROM 和定时器 /计数器和多种输入 /输出接口都集中在一块超大规模集成芯片内，用于电路空间小、功耗低的场合。随着其技术和体系结构上控制能力的不断 扩展，目前，单片机在国外被称为微控制器(Micro-controller Unit， MCU)。 - 2 - 单片机的有如下特点：集成度高、体积小、可靠性高。控制能力强，为满足工业控制的要求，单片

4、机的指令系统中均有很多的转移指令、逻辑操作以及位处理指令。具有外部的软硬件开发技术。单片机系统扩展和系统配置较典型、规范，易构成规模灵活的应用系统。低功耗，低电压，便于生产便携式产品和嵌入式应用系统。它的灵活性好，性价比高等。 采用 51系列单片机，作为一款通用型的单片机，它相对于专用的电动机芯片和电动机控制电路板而言，熟 悉它的开发人员多，在此基础上进行二次开发的周期相对要短。同时它对外设功能（ ADC、 DAC、可编程增益放大器、 PCA 及内部振荡器等）进行了高度集成。为设计小体积，低功耗，高可靠，高性能的应用系统提供了极大的方便。 PIC单片机及其辅助电路系统采用常规设计，使用四片 7

5、4L244扩展 I/O接口电路。该芯片接收灵敏度高，性能稳定，基本工作过程为，通过对接收到的脉冲进行解码，获取，遥控器发出的键值信息，当接收到无线信号时，输出低电平，否则输出高电平。 小结：不同单片机有不同单片机的优缺点， 51单片机编程简单，容易上 手，适合于实验阶段； PIC单片机可靠性能强，抗干扰性好，适合于产品的设计。 2.2 系统中的无线传输的基本原理 单片机在控制系统中广泛的被运用，这次设计主要用到的是单片机在无线传输方面的运用。要向了解在这一方面的运用，就要先来了解下无线传输的基本原理。下面通过高频信号无线传输来解释这个原理。 高频信号传输主要由发射部分和接收这两个部分组成。如图

6、 1，发射设备组成框图中，最初的高频等幅震荡信号由振荡器产生的，经过倍频器，输出震荡器频率的整数倍，接着再通过高频功率放大器，对前级送来的高频电压信号进行放大，并获得足够大的高 频功率，提高给输出放大器足够的激励。再接着是高频输出功率放大器，它是发射机的末级，是使信号再次放大并进行调制后，最后输送到天线上进行发射。 - 3 - 图 1 发射设备组成框图 如图 2，接收设备输入端的高频放大器是对接收天线上收到的众多的信号进行选择和放大，选择需要频率的有用信号，滤除其他无用信号。混频器将来自高频放大器的有用信号和来自本地振荡器的信号相混频，得到固定频率的中频信号，经过中频放大器再次放大，最后经过检

7、波器，把中频调幅信号还原成原信号。 图 2 接收设备组成框图 在上述的高频信号无线传输的过程中，其性 能指标主要是有效性和可靠性，其次还应考虑通信系统的安全性和保密性等指标 ，所以可靠性和有效性很重要。随着无线传输技术不断的深入研究，并被在日常生活上得到广泛的应用，无线传输装置的价格会越来越低，硬体体积也越来越小。 无线遥控系统有采用红外作为载波来传输数据，红外遥控模块主要由遥控发射器、红外接收头、接口电路组成， 如图 1所示。红外遥控器用来产生遥控编码脉冲，驱动红外发射管输出红外遥控信号，遥控接收头完成对遥控信号的放大、检波、整形、解调出遥控编码脉冲。系统原理如图 3所示。 图 3 红外遥控

8、系统框架图 无 线遥控系统也可以通过电磁波来实现数据通信，系统设计了一种以 nRF24L01 和低功耗单片机为核心组成的点对点高速无线传输系统。 MCU 通过 SPI 总线方式和 nRF24L01 进行通讯，每次在上电之前读取拨码开关的数值，作为 nRF24L01的地址码，这样可以通过拨码开- 4 - 关来避免多个无线设备放在一起彼此干扰，通讯后，将数据通过 485 传输方式传递到上位机。采集部分通过传感器采集到数据，通过 nRF24L01 将采集到的数据通过无线的方式发送，接收端接收到数据后，从接收到的数据中提取出地址码，和本机上的拨码开关的码进 行比对，来判断是否为需要的数据。如果是一致的

9、，则把数据提取出来，否则丢弃。系统接收端和发送端的连接方式分别如图 4、图 5 所示。 图 4 接收端系统框架图 图 5 发送端系统框架图 小结：通过一些无线遥控的了解，有红外遥控和无线电遥控，一般红外遥控距离近，遥控抗干扰性能弱；电磁波遥控距离远，穿透性能强，适合于中远距离场合的遥控。 2.3 电机控制的介绍 2.3.1 电机介绍 随着技术的发展，各式各样的电动机出现在我们的生活中，从一开始的直流电动机，再- 5 - 到交流电动机，感应电动机，进入 20 世纪，同步电动 机和异步电动机的用量越来越大。 20世纪后，生产厂家、科研院所的广大电机可以工作者为减小电机尺寸，减轻电机质量，提高电机单

10、机容量进行了大量的科技研究工作。如更新电机的绝缘材料，来提高电机的耐热等级；选用更好的导电材料和导磁材料，来增加电机的电磁性能等。电机的种类主要包括直流电动机和交流电动机两种，交流电机又有异步电动机和同步电动机。直流电动机具有良好的起动、制动和调速性能；能快速起、制动，正、反转；能在十分宽广的范围内平滑而经济地调节速度。交流电动机具有结构简单、制造、维护和使用方便、价格低廉、运行可靠、效率 较高的优点。 直流电动机是把电能转换成机械能，带动轴上的生产机械做功。直流电动机的基本工作原理是：加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流方向是交变的，从而使电枢

11、产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。 本系统 采用的电动机为永磁无刷直流电机，具有体积小 ,效率高的优点，置于挂机下端，浸在水中，散热效果好。电机与螺旋桨直接连接以提高效率。挂机外壳主轴处为水密结构，防止水进入电机影响正常工作。挂机外壳为流线型，侧面积较大，船舶停 机滑行时能起到舵的作用。由于双体船中间水流速度大于船两侧，舵效比较明显。根据需要电动挂机可以向上翘起，便于清除螺旋桨上的杂物和更换螺旋桨。 2.3.2 PWM调制波 可以调节电压来实现电机速度的调节，也可以调节电平宽度来实现电机速度的调节。脉宽调制的全称为： Pulse Width Modulator，

12、简称 PWM。由于它的特殊性能，常被用作直流回路中直流电动机调速。利用脉宽调制的方式实现调速的主要好处是电源的能量能够得到充分地利用，电路的效率较高。采用脉宽调制方式 ,，可以使负载在工作时得到满电源电压，这样有利于克服电机内在的线圈电阻，使电机产生更大的力矩。当然，采用脉宽调制方式实现电机调速也有一些缺点，例如电路构成会稍许复杂，而且有可能会产生一些射频干扰，要避免这些问题，就要在设计时考虑负载与控制器尽可能地放在一起，以免它们之间的连线过长，必要时还可以考虑在电源处增加滤波器等方法。 该信号可由 FPGA 器件、模拟电路或单片机产生。采用 FPGA 成本较高 , 用模拟电路来实现则电路较复

13、杂 , 不便于实现多路输出。 相比之下，单片机可以采用时间片分割的方式通过多个 I/O口实现对多个舵机的驱动 , 舵机的控制 时基为 20ms,而用于控制舵机转角的可调脉宽为 0.5 ms-25 ms。由于其工作正脉冲宽度不大于周期的 1/8, 所以为利用软件定时器产生 8路 PWM 波提供了可能性。由于中断响- 6 - 应和执行中断服务程序会占用一定的时间 , 为保证有一定的富余时间，本方法可以产生稳定的 7 路舵机控制用 PWM 波。通过软件对 7 路 PWM 的循环控制 ,实现相当于把每 20ms的 MCU 时间作为一个控制周期 , 而其中的每 25ms作为一个时间片 ,这样就可以分别利

14、用每一个时间片来实现调整各组中需要的 PWM 波的脉冲宽度的工作 ,从而实现了多舵机不 同转角的同步同一周期控制。由于 AVR单片机具有非常高的指令执行速度 ,7 路舵机能在较短的时间内得到响应 , 且独立操作、互不干涉 , 具备了及时性、独占性以及多路性。 三、 总结部分 整个智能船控制系统由主控芯片，无线发射、接受模块，电机驱动模块等组成。在实验或产品设计过程中，一般使用 51系列以及 PIC系列单片机作为系统中央处理器控制整个系统运作，采用红外线以及电磁波作为无线模块中数据无线传输的载波，通过调节驱动系统输入电平带宽来实现对电机速度的调节。本系统的最大特点就是遥控功能的多样性，能无线遥控

15、时间显 示，温度数据，还可以遥控显示图像。本系统还可以作为平台进行更多的功能扩展，比如无线障碍清理， GPS数据测量等，在实际应用中具有一定的借鉴作用和应用价值。 参考文献 1 张为 ,傅惠南 .基于 51 单片机无位置传感器无刷电机的控制 J.计算机技术与应用 ,2006， 4(35） :66 68. 2 方佳韵，钟敏 .高性能水域无人巡查装置电机控制系统的应用设计 J.电机与控制应用，2010， 37（ 5） :46 48， 64. 3 李莎，谭永丽 .基于 NRF24L01 的无线数据传输系统设计 J.湖北第二师范学院学报 ，2011， 28（ 2） . 4 严结 .单片机原理及其接口技

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