多功能太陽(yáng)能探測(cè)船

孫 瓊 ， 李衛(wèi)兵 ，2， 史經(jīng)倫 ， 張 立 ， 苗海委

（1.濱州學(xué)院 物理與電子科學(xué)系，山東 濱州 256600；2.濱州學(xué)院 航空信息技術(shù)研發(fā)中心，山東 濱州 256600）

水利部門(mén)、水養(yǎng)殖業(yè)等行業(yè)中需要了解河流湖泊的深度、溫度等參數(shù)，以及獲取水樣進(jìn)行檢測(cè)以制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案，并向河流湖泊中投放凈水物質(zhì)。而目前測(cè)水深、水溫、取水樣、投放凈水物質(zhì)等多采用人工作業(yè)的方式，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且效率低帶有一定的危險(xiǎn)性[1]。為改善這種狀況，我們?cè)O(shè)計(jì)了多功能太陽(yáng)能探測(cè)船。該系統(tǒng)分為上位機(jī)控制部分和下位機(jī)功能實(shí)現(xiàn)部分，上位機(jī)和下位機(jī)通過(guò)ZigBee進(jìn)行信息傳遞。該設(shè)計(jì)可作為水利部門(mén)、漁產(chǎn)養(yǎng)殖等需要對(duì)河流湖泊進(jìn)行水文監(jiān)測(cè)、水質(zhì)改善等行業(yè)的高效方便工具。系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制，可到達(dá)不易人工作業(yè)的場(chǎng)合，避免了人工作業(yè)的危險(xiǎn)性、困難性等問(wèn)題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為船體主控制器，上位機(jī)通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊與船體實(shí)現(xiàn)通信。充電控制電路控制太陽(yáng)能電池板給鉛蓄電池進(jìn)行充電，為船提供動(dòng)力。上位機(jī)發(fā)送指令后，其各項(xiàng)功能均為自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)任務(wù)完成后，數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)發(fā)回上位機(jī)。另外可通過(guò)控制視頻云臺(tái)進(jìn)行多角度查看周?chē)h(huán)境，方便時(shí)時(shí)檢測(cè)和分析水質(zhì)[2]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖Fig.1 The overall block diagram of the system

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 主控制器模塊

系統(tǒng)使用STC89C52單片機(jī)做為主控制器。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8 K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89X52可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35MHz，6T/12T可選[3]。 該型號(hào)單片機(jī)可有效滿(mǎn)足我們的設(shè)計(jì)要求。

2.2 ZigBee遠(yuǎn)程控制接收模塊

該系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)設(shè)備使用的是ZigBee模塊，ZigBee是一種新興的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[4]。ZigBee模組采用 UZ2400芯片為核心，可以提供硬件的 MAC層和 PHY層驅(qū)動(dòng)，采用 SPI方式與主控制器通信，操作方便，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)互聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。其特點(diǎn)是低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本[5]。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備，對(duì)環(huán)境條件要求小。ZIGBEE模塊在在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起到遠(yuǎn)程傳送上位機(jī)發(fā)來(lái)的指令給探測(cè)船進(jìn)行各功能實(shí)現(xiàn)，并將探測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)回到上位機(jī)進(jìn)行顯示。ZigBee遠(yuǎn)程控制接收模塊電路圖如圖2所示。

圖2 ZigBee遠(yuǎn)程控制接收模塊電路Fig.2 ZigBee remote control receivingmodule circuit

2.3 船行駛控制模塊

使用R775三拓電機(jī)、大功率電機(jī)電調(diào)和螺旋槳相組合為該船提供前進(jìn)動(dòng)力，使用舵機(jī)控制船的行駛方向。船行駛、方向控制示意圖如圖3所示。

圖3 船行駛、方向控制示意圖Fig.3 The shipmoving，direction control plan

大功率電機(jī)電調(diào)具有功率大，可靠性高等特點(diǎn)。其輸入電壓3.3~5 V，輸出電壓12 V。使用時(shí)用單片機(jī)給其提供PWM信號(hào)，信號(hào)頻率為50 Hz，一個(gè)周期為20ms。對(duì)于電調(diào)來(lái)講，高電平脈寬為1ms表示停轉(zhuǎn)，增加高電平脈寬可提高其輸出功率，最高為2ms的高電平脈寬。電調(diào)輸出端可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。這樣使船速可調(diào)，控制靈敏度高。PWM信號(hào)波形如圖4所示。

圖4 PWM信號(hào)波形Fig.4 PWM signalwaveform

2.4 水深度溫度測(cè)量模塊

本模塊由圓盤(pán)、電機(jī)、黑白線(xiàn)檢測(cè)傳感器、防水型溫度傳感器構(gòu)成。繩的一端連接重物，另一端纏繞在固定尺寸圓盤(pán)上，轉(zhuǎn)盤(pán)由L298驅(qū)動(dòng)的直流減速電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤(pán)上貼有白色膠布，通過(guò)黑白線(xiàn)檢測(cè)傳感器可計(jì)算轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。當(dāng)重物到達(dá)河底時(shí)，繩子不受重物拉力，而處于松弛狀態(tài)，通過(guò)一個(gè)自制的檢測(cè)裝置檢測(cè)到這一現(xiàn)象，并向單片機(jī)發(fā)回一個(gè)低電平，單片機(jī)獲取信息后，控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)。通過(guò)黑白線(xiàn)檢測(cè)傳感器可計(jì)算轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，進(jìn)而有圓盤(pán)周長(zhǎng)乘以圈數(shù)可得知當(dāng)前水深值。當(dāng)測(cè)量結(jié)束收回細(xì)繩，重物到達(dá)原位置后，系統(tǒng)可自動(dòng)停止轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。此方案具有成本低，誤差小，容易操作的特點(diǎn)。

采用防水型水溫探頭測(cè)量溫度，水溫探頭與水深測(cè)量裝置的重物端連接在一起，當(dāng)返回水深數(shù)據(jù)的同時(shí)可返回水溫?cái)?shù)據(jù)。也可由上位機(jī)發(fā)送指令進(jìn)行特定水深的溫度測(cè)量，所測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)回上位機(jī)進(jìn)行顯示。溫度傳感器DS18B20測(cè)溫范圍-55～+125℃，在-10～+85℃時(shí)精度為±0.5℃，在使用中不需要任何外圍元件，采用獨(dú)特的單線(xiàn)接口方式，DS18B20在與單片機(jī)連接時(shí)僅需要一條口線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與DS18B20的雙向通訊。其使用簡(jiǎn)單，價(jià)格低，精確度高[6-7]。 水深、水溫測(cè)量整體裝置圖如圖5所示。

2.5 水取樣模塊

將細(xì)水管纏繞在轉(zhuǎn)盤(pán)上，小型抽水機(jī)固定在圓盤(pán)上隨轉(zhuǎn)盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，防止水管在旋轉(zhuǎn)時(shí)由于一端固定而打結(jié)。轉(zhuǎn)盤(pán)由直流減速電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)水深時(shí)，單片機(jī)控制繼電器閉合，進(jìn)而控制抽水機(jī)開(kāi)始工作。其中控制水管入水深度原理類(lèi)似于水深、水溫測(cè)量裝置原理。

圖5 水深、水溫測(cè)量整體裝置圖Fig.5 Water depth，water temperaturemeasurement device figure as awhole

2.6 太陽(yáng)能電池板充電模塊電路

該太陽(yáng)能充電模塊電路，標(biāo)稱(chēng)功率20 W，峰值電壓17.28 V，峰值電流1.16 A，最大開(kāi)路電壓 21.24 V，短路電流1.31 A的太陽(yáng)能電池板為蓄電池進(jìn)行充電。太陽(yáng)能電池板輸出端電壓經(jīng)過(guò)充電控制電路后，可有效為蓄電池進(jìn)行充電并對(duì)其進(jìn)行充電保護(hù)。充電控制電路最高充電電壓14.4 V，浮充充電電壓1.6 V，欠壓返回電壓12.4 V，欠壓保護(hù)電壓10.8 V。該充電電路具有防止蓄電池過(guò)度充電、過(guò)度放電、防反接保護(hù)等功能。太陽(yáng)能充電控制電路如圖6所示。

圖6 太陽(yáng)能充電控制電路Fig.6 Solar charge control circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序功能描述

上位機(jī)發(fā)送相關(guān)指令經(jīng)無(wú)線(xiàn)傳輸，單片機(jī)接收后執(zhí)行相關(guān)指令，并返回必要的數(shù)據(jù)。在船行駛過(guò)程中關(guān)閉其他各項(xiàng)探測(cè)功能。根據(jù)收到的指令船可實(shí)現(xiàn)加速、減速、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直行。船到達(dá)要求位置停止后可進(jìn)行其他各項(xiàng)探測(cè)功能，并關(guān)閉船行駛控制程序。根據(jù)上位機(jī)發(fā)來(lái)的指令，該探測(cè)船可控制太陽(yáng)能電池板充電開(kāi)關(guān)；實(shí)現(xiàn)水深檢測(cè)并實(shí)時(shí)發(fā)回上位機(jī)進(jìn)行顯示；特地水深水溫檢測(cè)并發(fā)回上位機(jī)顯示；不同水深水取樣，當(dāng)儲(chǔ)水倉(cāng)滿(mǎn)時(shí)自動(dòng)關(guān)閉抽水機(jī)，并將出水管轉(zhuǎn)入下一個(gè)儲(chǔ)水倉(cāng)；實(shí)現(xiàn)用抽水機(jī)投放液態(tài)物質(zhì)，當(dāng)物質(zhì)投放完畢，自動(dòng)關(guān)閉抽水機(jī)；全方位測(cè)距和視頻拍攝等功能。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.7 The flow chart of program design

3.2 系統(tǒng)上位機(jī)

系統(tǒng)PC機(jī)端上位機(jī)軟件，使用LabVIEW編寫(xiě)。LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。入門(mén)快操作簡(jiǎn)單，界面效果好。我們?cè)谑褂肔ABVIEW進(jìn)行上位機(jī)軟件編寫(xiě)時(shí)，將各指令發(fā)送以圖形按鈕形式顯示，也可手動(dòng)輸入指令進(jìn)行發(fā)送，從而使指令發(fā)送操作簡(jiǎn)單易掌握。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后以溫度計(jì)、水深計(jì)、折線(xiàn)圖等圖形化工具顯示各參數(shù)，使數(shù)據(jù)接收界面形象直觀，便于記錄分析。多功能太陽(yáng)能探測(cè)船上位機(jī)界面如圖8所示。

4 結(jié) 論

圖8 多功能太陽(yáng)能探測(cè)船上位機(jī)Fig.8 The uppermonitor ofmultifunction solar detection boat

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用太陽(yáng)能作為其能量來(lái)源，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。各部分功能采用遠(yuǎn)程人工控制，避免了人工操作的危險(xiǎn)性，減少了工作量，提高了工作效率。并且該設(shè)備體積較小，便于搭載，方便較遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能較全面，可實(shí)現(xiàn)水深測(cè)量、不同水位水溫測(cè)量、水取樣、消毒殺菌物質(zhì)的傾倒、全方位測(cè)距和視頻拍攝，因此可用于河流湖泊水體綜合指標(biāo)的獲得，提高了其利用價(jià)值并擴(kuò)大了其利用場(chǎng)合。系統(tǒng)具有控制方便、性能可靠、成本低等特點(diǎn)，加上經(jīng)過(guò)優(yōu)化的程序，使其有較高的智能化水平。

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