水下行走平台设计(下位机部分)毕业论文(编辑修改稿)

水下行走平台设计(下位机部分)毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

要完成吸水及排水 的工作 因此需要采用齿轮式水泵， 齿轮式 水泵可以通过电机正反转实现正反方向吸排水， 操作简单，缺点是功率较小，耐压力小，而普通柱塞是水泵功率大，耐压力大，但是正反向吸排水较困难，因此 该方式采用的是齿轮式水泵， 实验实物 如图 22 所示。 方案三： 采用 水下平台 左右两侧安装舵板的方式。 通过机翼倾斜的角度，在 水下平台前进过 程中，由于水的反作用力而下潜。 实验实物 如图 23 所示。 图 22 气囊式潜水实物图 图 23舵板式潜水图 方案比较： 方案一中在垂直方向安装涡轮的 方式 需要涡轮的驱动电机具有足够的扭矩以及转速，性能要求较高， 且 水下平台 采用内置 电池供电，在实际的试验中发现内置电池不足以同时为三部涡轮电机提供足够的扭矩来推动 水下平台 下潜，且电机 消耗过大导青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 7 致系统不能正常工作。 方案二中内置气囊通过吸排水改变 水下平台 密度使 水下平台 能够稳定在水下某个位置，效果较理想， 但是 通过试验结果分析气囊式 需要性能较高的 齿轮式 水泵完成吸排水工作， 但是由于吸排水过程导致 水下平台 内气压发生变化， 可能 造成 水下平台 漏水，损坏控制电路，造成系统崩溃。 但在防水工作做好的前提下优先采用该方案。 方案三中采用 水下平台 两侧安装机翼的方式能够改变 水下平台 行进角度 在助推器的推动 下能够完成潜浮的动作 要求。 因此 水下平台 的潜浮模块选择 方案二和 方案三作为主要实施方案。 方案一 :采用内部负重 的方式。 在 水下平台 内部填充配重物体，以改变 水下平台 自身密度，从而达到改变 水下平台 在水中的临界位置。 图 24内部负重方式图 方案二 :采用外部负重方式。 在外 部下侧夹带负重腔，可以随时添加或 除去 配重物体，方便在调试阶段，以及在不同水质不同密度下随时改变自身密度，改变潜浮的初始位置。 图 25外部配重方式图 方案比较： 方案一中采用内部负重的方式，既保持了 水下平台 具有良好的平衡性，又青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 8 减少水中阻力，并且外表较为美观。 但在不同水质环境下，水的浮力不同在改变自身密度方面较为复杂。 方案二采用外部负重的方式，能够随时改变 水下平台 负重 ，从而 较方便的改变 水下平台 的 密度， 以 达到理想漂浮效果。 但外部负重极易造成 水下平台 受到阻力，且易发生缠绕，造成系统崩溃。 所以采用方案一较为合 适。 方案一： 采用 SRWF1 无线串口通讯模块。 进行上位机与下位机的通讯，完成对 水下平台 运动的控制功能的实现，并且将传感器测得数据传送到上位机。 图 26 RWF1无线模块 方案二： 采用 NRF2401 无线模块进行上位机与下位机的通讯工作。 图 27 NRF2401无线模块 方案比较： 方案一中选用 SRWF1 无线串口通讯模块。 鉴于系统 水下平台 在水下运行，信号的传送需要非常稳定以保证系统能够正常 运行， SRWF1 系列无线模块有长达 15cm左右的外置天线，可以通过导线接到 水下平台 外 部减少了水对信号的干扰和屏蔽作用，传输青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 9 距离 最远 可以达到 2020 米，且为串口通信方式，使用简单，使用的 I/O 也相 较少。 而方案二中使用的 NRF2401 无线模块传送距离为 200 米，且须在无遮挡物的状态下， 并 且对NRF2401 的控制需要 8 个 I/O，占用的 I/O 口较多，并且传输距离较短信号较弱，不 符合系统 水下平台 的设计要求。 因此采用方案一。 转向 部分设计 方案一 :水下平台 转向采用船舵的方式。 在 水下平台 下后方安装 12*10 的矩形板 ， 利用矩形板的方向的偏转 ， 产生反方向的作用力 ， 同时配合 水下平台 主涡轮助推器， 推动 水下平台 方向偏转 ， 完成转向的动作。 图 28转向舵机 方案二 :水下平台 转向采用涡轮推动的方式。 在 水下平台 前方左右两侧安装可以正反转的涡轮，通过涡轮转动推动水流，产生反作用力从而推动 水下平台 配合主涡轮助推器完成水下平台 转向。 图 29转向涡轮 方案三 : 水下平台 转向采用水泵正反向吸 排水推动水流的方式。 在 水下平台 内部安装水泵通过吸水以及排水产生的反作用力，配合 水下平台 主涡轮助推器完成转向的动作。 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 10 图 210水泵吸水口及排水口图 方案比较 :上述方案一中船舵的方式较易安装和调试，也可及时观察其 运行过程中 状态 ，方案二中的涡轮推动的方式作用效果明显，动力充足，但是由于 水下平台 是在水下运行，须做好防水方式措施，经过一系列实验该方案中需采用大功率特种防水电机，其成本相对本设计的要求较高，且体积较大。 方案三中水泵吸水以及抽水产生的反作用力与方案二中 效果 相似， 也 需要较大功率的水泵才能 完成。 因此需采用方案一中的船舵的转向方式较为合适。 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 11 系统总体设计 硬件 电路 设计 系统 水下平台 内部电路由电源模块、单片机最小系统模块、电机驱动模块、 DS18B20温度检测模块、 SRWF1 无线收 发模块等组成。 其中电源模块作为系统内部的动力来源，主要为单片机最小系统及舵机和 SRWF1 无线模块供电，保证系统 水下平台 控制与接收发射部分正常运行。 L298N 则作为执行机构，带动涡轮转动，推动 水下平台 前进。 SRWF1作为串口无线通讯模块用于接收上位机（ PC）通过串口发送的指令，将数据传送给单片机最小系统并进行数据处理后执行相应指令动作。 系统电路总体原理图如图 31 所示： Vin1ON5GND3OUT2F4U1 LM2596Vin680uFC1D1220uFC230mHL1OUT100uFC3EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)1512345(MOSI)6(MISO)7(SCK)8(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG30(TXD)11(RXD)10GND20VCC40U7AT89S51Y26MC1120PC1220P+5123456789JP2Header 9RESETS6R1110K+5C512345678H2H8C312345678H3H812345678H4H812345678H5H812P112P212345678P?Header 8EN A6EN B11IN15IN27IN310IN412OUT12OUT23OUT313OUT414ISEN A1ISEN B15VS4VSS9GND8U?L298NVCCD1 D2 D3 D4D5 D6 D7 D8VCCAA+BB+L2L4L1L310KR110KR2稳压电源STC89C52RC 单片机最小系统L298N 电机驱动模块TXDRXDVCCGND天线*SRWF1VCC12P3天线无线模块DQ2GND1VCC3U6DS1820+5R1010K+5温度DS18B20C1+1C13C2+4C25T1in11T2in10R1out12R2out9V+2V6T1out14T2out7R1in13R2in8VCC16GND15MAX232C6105C5105TXDRXDC7105C8105VCC1234567891110DB2D Connector 9R232_TXR232_RXTXD1DTR2RTS3VDD4RXD5RI_N6GND7NC8DSR_N9DCD_N10CTS_N11SHTD12E_CLK13E_DA14DP(D+)15DM(D)1617GND18NC19VCC20GND21TRI_S22LD_M23NC24GND_A25PLL_TE26OSC127OSC228U4PL2303R2627R2527C4Y112MC920PC1020PC14100uFVCC1D2D+3GND4U8USBC8VCCR272K 图 31系统总体电路设计原理图 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 12 软件 设计 图 32系统总体控制设计图 首先由上位机通过软件发送控制指令，并通过串口无线模块发送，由下位机通过串口无线模块接收到数据指令，下位机 的单片机 接收到指令后进行相应的数据处理，分析 SBUF的数值， 执行相应的动作指令，完成水下行进以及数据采集等动作。 由于水下阻力较大，因此需要采用大功率电池以保证电源有较大电流输出，以保证系统正常运行。 SRWF108无线模块 STC89C52单片机控制系统 L298N电机驱动 转向舵机 大功率电池 上位机（ PC） 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 13 图 33系统总体程序流程图 系统首先在上位机软件控制界面点击对应的 按钮发送相关指令，在接收到上位机发送的数据指令后单片机最小系统会产生串口中断。 在串口中断产生后，将数据缓冲区 SBUF的值赋给临时变量 Temp 将数据存储，数据存储之后继续等待下一次中断产生，同时开始扫描 Temp 的值，判断是什么数据以及对应的指令， 执行相应的动作 ，完成整个系统工作流程。 初始化 判断是否有中断产生 扫描 SBUF 判断键值 是 否 前进指令 后退指令 上浮指令 下潜指令 读取参数 涡轮反 侧翼下 侧翼上 信息 右转指令 左转指令 尾翼右 涡轮 正 尾翼左 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文） 14 系统 各部分 硬件设计 设计 因水中阻力较大，舵机带动转向 舵 板转动受到较大阻力，需要稳定的电压以保证舵机能够正常运行。 因此稳压电源模块采用直流 大功率电池 转换 为 5V 电压。 该 稳压电源模块 采用 LM2596 稳 压芯片经 电源转换为 5V 稳压电源，主要为转向舵机及 CPU 提供稳定电压 ， 以保证系统正常运行。 电路原理图 及实物 如图 41 所示： Vin1。