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、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)，以及獲取水樣進行檢測以制定相應(yīng)的應(yīng)對方案，并向河流湖泊中投放凈水物質(zhì)。而目前測水深、水溫、取水樣、投放凈水物質(zhì)等多采用人工作業(yè)的方式，不僅費時費力，而且效率低帶有一定的危險性[1]。為改善這種狀況，我們設(shè)計了多功能太陽能探測船。該系統(tǒng)分為上位機控制部分和下位機功能實現(xiàn)部分，上位機和下位機通過ZigBee進行信息傳遞。該設(shè)計可作為水利部門、漁產(chǎn)養(yǎng)殖等需要對河流湖泊進行水文監(jiān)測、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，可到達不易人工作業(yè)的場合，避免了人工作業(yè)的危險性、困難性等問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)以STC89C52單片機作為船體主控制器，上位機通過ZigBee無線模塊與船體實現(xiàn)通信。充電控制電路控制太陽能電池板給鉛蓄電池進行充電，為船提供動力。上位機發(fā)送指令后，其各項功能均為自動化實現(xiàn)，相應(yīng)任務(wù)完成后，數(shù)據(jù)會自動發(fā)回上位機。另外可通過控制視頻云臺進行多角度查看周圍環(huán)境，方便時時檢測和分析水質(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

2.1 主控制器模塊

系統(tǒng)使用STC89C52單片機做為主控制器。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。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選[3]。 該型號單片機可有效滿足我們的設(shè)計要求。

2.2 ZigBee遠(yuǎn)程控制接收模塊

該系統(tǒng)的無線設(shè)備使用的是ZigBee模塊，ZigBee是一種新興的無線網(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，采用 SPI方式與主控制器通信，操作方便，可以實現(xiàn)無線局域網(wǎng)互聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。其特點是低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本[5]。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備，對環(huán)境條件要求小。ZIGBEE模塊在在該系統(tǒng)設(shè)計中起到遠(yuǎn)程傳送上位機發(fā)來的指令給探測船進行各功能實現(xiàn)，并將探測數(shù)據(jù)發(fā)回到上位機進行顯示。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、大功率電機電調(diào)和螺旋槳相組合為該船提供前進動力，使用舵機控制船的行駛方向。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

大功率電機電調(diào)具有功率大，可靠性高等特點。其輸入電壓3.3~5 V，輸出電壓12 V。使用時用單片機給其提供PWM信號，信號頻率為50 Hz，一個周期為20ms。對于電調(diào)來講，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)輸出端可同時驅(qū)動兩個電機。這樣使船速可調(diào)，控制靈敏度高。PWM信號波形如圖4所示。

圖4 PWM信號波形Fig.4 PWM signalwaveform

2.4 水深度溫度測量模塊

本模塊由圓盤、電機、黑白線檢測傳感器、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上，轉(zhuǎn)盤由L298驅(qū)動的直流減速電機帶動其旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤上貼有白色膠布，通過黑白線檢測傳感器可計算轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。當(dāng)重物到達河底時，繩子不受重物拉力，而處于松弛狀態(tài)，通過一個自制的檢測裝置檢測到這一現(xiàn)象，并向單片機發(fā)回一個低電平，單片機獲取信息后，控制電機停止轉(zhuǎn)。通過黑白線檢測傳感器可計算轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，進而有圓盤周長乘以圈數(shù)可得知當(dāng)前水深值。當(dāng)測量結(jié)束收回細(xì)繩，重物到達原位置后，系統(tǒng)可自動停止轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動。此方案具有成本低，誤差小，容易操作的特點。

采用防水型水溫探頭測量溫度，水溫探頭與水深測量裝置的重物端連接在一起，當(dāng)返回水深數(shù)據(jù)的同時可返回水溫數(shù)據(jù)。也可由上位機發(fā)送指令進行特定水深的溫度測量，所測數(shù)據(jù)發(fā)回上位機進行顯示。溫度傳感器DS18B20測溫范圍-55～+125℃，在-10～+85℃時精度為±0.5℃，在使用中不需要任何外圍元件，采用獨特的單線接口方式，DS18B20在與單片機連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)單片機與DS18B20的雙向通訊。其使用簡單，價格低，精確度高[6-7]。 水深、水溫測量整體裝置圖如圖5所示。

2.5 水取樣模塊

將細(xì)水管纏繞在轉(zhuǎn)盤上，小型抽水機固定在圓盤上隨轉(zhuǎn)盤一起轉(zhuǎn)動，防止水管在旋轉(zhuǎn)時由于一端固定而打結(jié)。轉(zhuǎn)盤由直流減速電機帶動其旋轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)竭_預(yù)設(shè)水深時，單片機控制繼電器閉合，進而控制抽水機開始工作。其中控制水管入水深度原理類似于水深、水溫測量裝置原理。

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

2.6 太陽能電池板充電模塊電路

該太陽能充電模塊電路，標(biāo)稱功率20 W，峰值電壓17.28 V，峰值電流1.16 A，最大開路電壓 21.24 V，短路電流1.31 A的太陽能電池板為蓄電池進行充電。太陽能電池板輸出端電壓經(jīng)過充電控制電路后，可有效為蓄電池進行充電并對其進行充電保護。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，欠壓保護電壓10.8 V。該充電電路具有防止蓄電池過度充電、過度放電、防反接保護等功能。太陽能充電控制電路如圖6所示。

圖6 太陽能充電控制電路Fig.6 Solar charge control circuit

3 軟件設(shè)計

3.1 主程序功能描述

上位機發(fā)送相關(guān)指令經(jīng)無線傳輸，單片機接收后執(zhí)行相關(guān)指令，并返回必要的數(shù)據(jù)。在船行駛過程中關(guān)閉其他各項探測功能。根據(jù)收到的指令船可實現(xiàn)加速、減速、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直行。船到達要求位置停止后可進行其他各項探測功能，并關(guān)閉船行駛控制程序。根據(jù)上位機發(fā)來的指令，該探測船可控制太陽能電池板充電開關(guān)；實現(xiàn)水深檢測并實時發(fā)回上位機進行顯示；特地水深水溫檢測并發(fā)回上位機顯示；不同水深水取樣，當(dāng)儲水倉滿時自動關(guān)閉抽水機，并將出水管轉(zhuǎn)入下一個儲水倉；實現(xiàn)用抽水機投放液態(tài)物質(zhì)，當(dāng)物質(zhì)投放完畢，自動關(guān)閉抽水機；全方位測距和視頻拍攝等功能。程序設(shè)計流程圖如圖7所示。

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

3.2 系統(tǒng)上位機

系統(tǒng)PC機端上位機軟件，使用LabVIEW編寫。LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。入門快操作簡單，界面效果好。我們在使用LABVIEW進行上位機軟件編寫時，將各指令發(fā)送以圖形按鈕形式顯示，也可手動輸入指令進行發(fā)送，從而使指令發(fā)送操作簡單易掌握。上位機接收數(shù)據(jù)后以溫度計、水深計、折線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。多功能太陽能探測船上位機界面如圖8所示。

4 結(jié) 論

圖8 多功能太陽能探測船上位機Fig.8 The uppermonitor ofmultifunction solar detection boat

本系統(tǒng)設(shè)計采用太陽能作為其能量來源，實現(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)距離運輸。設(shè)計實現(xiàn)功能較全面，可實現(xiàn)水深測量、不同水位水溫測量、水取樣、消毒殺菌物質(zhì)的傾倒、全方位測距和視頻拍攝，因此可用于河流湖泊水體綜合指標(biāo)的獲得，提高了其利用價值并擴大了其利用場合。系統(tǒng)具有控制方便、性能可靠、成本低等特點，加上經(jīng)過優(yōu)化的程序，使其有較高的智能化水平。

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