基于单片机的新型海警舰艇电子舵角指示仪

 摘要：现有海警舰艇的舵角指示技术多采用自整角机舵角指示系统，此类舵角指示装置不仅体积质量大，传动机构复杂，而且指示精准度也不高。针对上述不足，提出一种电子舵角指示方法，设计了基于单片机的新型舵角指示系统。实验研究结果表明，该电子舵角指示仪方法可靠，舵角指示系统结构合理、指示精度高、响应灵敏，且设计的声光报警系统报警准确、及时。在海警舰艇、公务用船及其他民用船只上有很大的推广应用价值。

关键词：舵角指示仪；海警舰艇；角度传感器；C8051F020单片机

0 引言
    随着我国对海洋的日益重视，公安海警舰艇部队不断壮大，海警的装备也有了长足的发展，千吨级以上的大舰不断装备到海警部队，为海警部队完成国家所赋予的任务提供了有力的保证。然而，综观海警大舰的来源，除少部分是通过部局与地方政府联合建造外，如1001舰，多数是通过对海军退役舰艇的改造而列编的。一个突出的问题——舰艇装备的自动化程度比较落后，对海警部队完成海上执勤执法任务提出了挑战。而舵角指示装置是其中较为突出的问题之一。
    众所周知，现有海警舰艇的舵角指示技术多采用自整角机舵角指示系统，此类舵角指示装置不仅体积质量大，传动机构复杂，而且指示精准度也不高。因此，对海警舰艇的舵角指示系统进行自动化和可靠性改造已是显得十分迫切。
    本文在分析现有海警舰艇舵角指示系统存在不足的基础上，提出了一种新型的电子舵角指示方法，设计了基于单片机的新型舵角指示系统，并设计和制造了舵角指示仪样机，并进行了自动化、指示精度和可靠性研究。

1 设计思想
    舵角指示器是用来测量显示舰艇舵叶转角和方向的仪器，现有海警中型艇多数还在使用自整角机舵机指示系统。此类舵角指示器主要用于精度较低的指示系统，其指示精度、噪音等级、制造成本以及保养维修要求都存在明显的不足。首先，自整角机式舵角显示系统单元多由单相激磁绕组的小型异步电动机、电缆线和指示仪表盘等构成。其系统线路接线较为复杂，还需要较大电压供电，因此消耗电能大，故障机率高；其次，此类舵角指示系统指示精度不高。自整角机的定子和转子线圈是采取微行滑环，存在接触不良的问题，指示器表针使用电磁机构，容易受到外界磁场的干扰，要经常校零，精确度不够高；再次，就经济性而言此类舵角指示器成本较高。
    针对上述不足，提出了一种基于单片机的新型的电子舵角指示方法，即基于角度传感器和单片机的电子舵角指示系统。其基本原理是：通过角度传感器检测舵角的转角信号，然后在单片机中进行A／D转换，按预先设计的程序，经计算后输出相应的信号，并通过液晶显示器显示舵角的所处的位置。实现了舰艇舵角及显示的数字化，具有技术先进、成本低、功耗小、反映速度快、测量精度高、低噪音、故障率低、寿命长、配套灵活、使用维护修理方便等优点，克服了现有海警舰艇舵角指示器的不足，有极大的推广应用价值。

2 设计原理及方案
2．1 设计原理
    系统采用模块化设计，由电源模块、角度传感器、单片机、显示模块和报警模块等组成。电源模块向系统提供5 V直流电，并控制系统的通断；角度传感器模块及其指针式角度表采集舵角度信息，并传输到C8051F020单片机；单片机模块将输出信号进行A／D转换，把模拟量转换为数字量，按一定的控制规律进行计算，并把结果传输送液晶显示器显示出舵角结果；报警模块在舵角超过到极限角度35°时，发出声光报警，保证操舵系统的安全。
2．2 系统框图
    电子舵角指示系统的框图如图1所示，控制程序框图如图2所示，声光报警模块电路图如图3所示。

3 器件选型
3．1 单片机
    考虑到舵角指示仪的较高拓展性要求，在选择单片机时着重考虑所选单片机的多性能指标。C8051F020／2单片机具有最佳的技术性能和较多的功能，且具有较复杂的反馈环节，因此本系统选用C8051F020／2单片机。
3．2 角度传感器
    为使系统实现0．1°的精度和±60°的测量范围，在舵角指示系统设计中选用了WDS35D4导电塑料角位移传感器，其性能指标高于传统舵角指示传感器的要求。
    该传感器采用硬质铝合金材料制作外壳，采用导电塑料作为电阻材料，电阻值为2 kΩ，独立线性：0．1％贵金属电刷激流装置，不锈钢高速轴承等器件，具有机械寿命长，分辨率高，转动顺滑，动态噪声小的优良性能。
3．3 液晶显示屏
    内置ST7920简、繁体中文字库控制器；玻璃类型：STN黄绿屏或蓝屏；点阵数：128×64；外型尺寸：93．0 mm×70．0 mm；定位尺寸：86．6 mm×63．0 mm；视域尺寸：72．0 mm×40．0 mm；点距离：0．52 mm×0．52 mm；点大小：0．48 mm×0．48 mm；控制器：ST7920；工艺形式：COB独抗干扰能力超强；数据传输：串、并口兼容；背光类型：LED白光或黄光。

4 实验研究与数据分析
4．1 测试所用仪器与工具
    (1)C8051F020单片机最小系统；
    (2)带角度测量尺的舵模型；
    (3)D-50AGD开关电源；
    (4)PC机1台，台式万用表，在线仿真下载工具。
    电子舵角指示仪实验样机如图4所示。

4．2 测试方法
    严格按照船艇舵角度指示器对舵方法测试，先将舵角指示器的指针指向“0”刻度，观察舵机室的实际舵角是否在正舵位置。然后再慢慢将舵轮往左(右)转到满舵，检查舵轮座上的舵角指示器与船尾杆上的指示刻度是否一致。接着用同样的方法向右(左)满舵进行一次，再快速转舵一次，然后操舵人员听令，分别连续地作左(右)5°，15°，25°，满舵操舵和回舵。最后进行从左满舵到右满舵、回舵的试验，以判断追随机构、工作系统和舵角指示器的可靠性、准确性、运转速度及平稳性。
4．3 测试数据和分析
    C8051F020／1／2／3单片机所有模式和数字外设均可由用户固件使能／禁止和配置。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式(不占用片内资源)、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模式和数字外设都可全功能运行。
    经过反复的测试，用万用表测得3组角度传感器的输出电压对应的角度值，3组数据取平均值，最后得出1组数据，并根据数学上的线性回归曲线原理，运用软件计算出本系统的线性回归曲线。如图5所示。

    使用线性计算方法，得到线性回归方程：
    y=0．013 9x+0．924 9
    综合实验数据表明，该电子舵角系统达到了以下技术指标：
    (1)电源电压：AC 220 V／50 Hz或DC 5 V；
    (2)指示精度：0．1°；
    (3)噪声等级：小于55 dB；
    (4)接口形式：插座式；
    (5)测量范围；±60°；
    (6)精确度：0．002 85；
    (7)抗摇摆和倾斜范围：横摇：±22．5°；纵摇：±10°；横倾：±22．5°；纵倾：±10°；
    (8)显示灵敏度：小于等于0．1 s；
    (9)偏舵极限角：大于等于±35°时发出声光报警。
    单片机芯片有很多预留的功能，以便在其他领域拓展方面留有发展的余地。
    完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I／O引脚(C8051F020／2)高速，流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25 MIPS)高速，还包括A／D和D／A转换，可以进一步设计向船艇自动导航系统发展。且其具有高灵活性和扩展性，在军用伺服系统、天线系统、雷达测量系统、火炮控制系统和机床控制系统等都可以应用。有待于今后进一步挖掘更多的功能，拓展到其他领域的应用。

5 结语
    通过对现有海警舰艇舵角指示系统的分析，运用电子技术和单片机技术，提出了一种新型的电子舵角指示方式，运用该方法设计了一种实用的电子舵角指示仪，最后，制作了实验样机并进行了实验。实验结果表明，本电子舵角指示方法可行，设计的电子舵角指示仪克服了现有舵角指示仪的不足，在公安海警舰艇建造和现有舰艇的改造中具有极大的推广应用价值。
    在实验中还发现，本系统在传感器的防护方面还需进一步研究和设计，整机的封闭还需做进一步的改进，同时系统稳定性及其他性能还需在使用过程中做进一步的考证。