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毕业设计基于单片机实现的浮标自动防碰撞系统控制设计.doc
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毕业设计基于单片机实现的浮标自动防碰撞系统控制设计.doc
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目录
摘要 .........................................................................................................................................1
第一章 绪论 ...........................................................................................................................1
1.1 海洋浮标的发展状况 ..............................................................................................1
1.2 海洋资料浮标的作用和意义 ..................................................................................1
1.3 海洋资料浮标的发展趋势 ......................................................................................3
1.4 课题研究的主要内容 ..............................................................................................4
1.5 课题的研究意义 ......................................................................................................5
1.6 本文的主要内容 ......................................................................................................5
第二章 总体方案设计 ...........................................................................................................6
2.1 总体功能分析 ..........................................................................................................6
2.2 浮标驱动方案选择 ..................................................................................................6
2.3 障碍物检测方案选择 ..............................................................................................8
2.3.1 壁障传感器的选择 .......................................................................................8
2.3.2 超声波测距原理 ...........................................................................................8
2.3.3 超声波壁障方案 ...........................................................................................9
2.4 主要器件的选型 ....................................................................................................10
第三章 系统硬件设计 .........................................................................................................12
3.1 单片机最小系统电路设计 ....................................................................................12
3.2 电机驱动电路设计 ................................................................................................13
3.2.1 实际浮标电机驱动电路设计 .....................................................................13
3.2.2 模型电机驱动电路设计 .............................................................................16
3.2.3 PWM 调速原理............................................................................................16
3.3 超声波传感器电路设计 ........................................................................................17
3.3.1 超声波发射电路设计 .................................................................................17
3.3.2 超声波接收电路设计 .................................................................................18
3.4 传感器接口电路设计 ............................................................................................20
3.4.1 模拟信号传感器接口 .................................................................................20
3.4.2 数字信号传感器接口 .................................................................................21
3.5 RS-485 通信接口电路设计 ....................................................................................22
第四章 系统软件设计 .........................................................................................................24
4.1 电机驱动程序设计 .................................................................................................24
4.2 超声波测距取程序设计 ........................................................................................24
4.3 数值滤波程序设计 ................................................................................................26
4.4 控制算法实现 ........................................................................................................27
结束语 ...................................................................................................................................29
摘要
海洋资料浮标在研究海洋和大气的相互作用及全球气候变化、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、以及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。
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,进行范围广泛的海洋调查及专题研究,作为军
事部门、气象部门、航海运输、渔业捕捞、港工建设、海水养殖及海上石油开发等,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及全球气候变化、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、以及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、波谱以及表层水温等。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、测量范围和精度以及用途。
表1-1 美国锚泊浮标的测量指标及用途
测量参数
测量频率
测量精度
测量范围
用途
气压
1小时
±0.1毫帕
900-1050毫帕
风暴发展
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℃
表层水温
1小时
±0.1℃
-2至50℃
渔业,气候监测,
飓风预报
波高
1小时
±0.5米
0-20
波周期
1小时
±0.5秒
2-30秒
航运,近海钻探拍
岸浪,海啸
波向
1小时
±10°
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
渔业,反潜战,污
染,飓风预报
盐度
24小时
±0.1‰
0-500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
±15
0-4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
大气垂直温度
6小时
±10%
航运,气候监
测
水气/风剖面
±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
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