船舶柴油機(jī)論文

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1、船舶柴油機(jī)論文 題目 船用柴油機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 目 錄 摘要………………………………………………………………………………1 前言………………………………………………………………………………2 1船舶遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景和要求…………………………………………… 1.1船舶遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景………………………………………………… 1.2船舶遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求…………………………………………… 2船舶柴油機(jī)遙控的系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………………

2、…………3 2.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………3 2.2系統(tǒng)的主要功能設(shè)計(jì)………………………………………………………8 3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)……………………………………………………………12 3.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)介紹………………………………………………………… 3.2上位機(jī)電路設(shè)計(jì)…………………………………………………………14 3.2.1 電源電路設(shè)計(jì)…………………………………………………… 3.2.2 顯示電路設(shè)計(jì)…………………………………………………… 　　3.3下位機(jī)電路設(shè)計(jì)……………………

3、……………………………………15 3.3.1 LED燈顯示電路設(shè)計(jì)……………………………………………… 3.3.2 繼電器狀態(tài)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)…………………………………………… 3.3.3 繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)………………………………………………… 3.3.4 直流電機(jī)橋式驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)………………………………………… 3.3.5 轉(zhuǎn)速脈沖降幅電路設(shè)計(jì)……………………………………………… 4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 4.1 RS-485通信原理與實(shí)現(xiàn)…………………………………………………… 4.1.1 RS-485通信原理……

4、……………………………………………… 4.1.2 RS-485通信的實(shí)現(xiàn)………………………………………………… 4.2系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………………… 4.3遙控功能程序設(shè)計(jì)………………………………………………………… 4.4手動(dòng)功能程序設(shè)計(jì)………………………………………………………… 4.5參數(shù)的測(cè)量與設(shè)備的控制…………………………………………………… 5系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)論……………………………………………………………… 致謝…………………………………………………

5、……………………………41 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………42 42 船用柴油機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要：本柴油機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容是基于核心控制器——atmega16單片機(jī)，圍繞其檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)四大系統(tǒng)進(jìn)行的，其核心技術(shù)涉及到柴油機(jī)各狀態(tài)參數(shù)的檢測(cè)、控制信號(hào)的

6、數(shù)字輸出、EIA-485通信三大問題。本設(shè)計(jì)解決了船舶柴油機(jī)的遙控問題。能檢測(cè)柴油機(jī)的主機(jī)滑油壓力、齒輪箱滑油壓力、主機(jī)轉(zhuǎn)速、主機(jī)冷卻水溫、離合器失能、齒輪箱正車掛排缸壓力、齒輪箱倒車掛排缸壓力等重要參數(shù)，確保了柴油機(jī)的運(yùn)行安全。且設(shè)計(jì)采用的自識(shí)別系統(tǒng)和優(yōu)化技術(shù)，能保證推進(jìn)裝置始終處于最佳工作狀態(tài)，解決了遙控大換向時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的主機(jī)悶車熄火的通病。適用于長(zhǎng)期在長(zhǎng)江、內(nèi)河及沿海湖泊作業(yè)的中、小型船舶。 關(guān)鍵詞： atmega16單片機(jī)；EIA-485通信；船舶柴油機(jī)；遙控 Abstract：This engine

7、 control system design, the main contents is based on the core controller chip around its atmega16 -- and testing system, control system, implement system, alarm system, the system of four core technology involves diesel status parameters testing and control signal digital output, EIA - 485 communic

8、ations three problems. The design of the Marine diesel engine control to solve problems. To detect diesel engine lub oil pressure, and the main gear box lub oil pressure and speed, main engine cooling water host, clutch incapacitation, gear box are hanged line cylinder pressure, car gearbox hang bac

9、k row cylinder pressure and other important parameters, ensure the safety operation of the diesel engine. And the design and optimization technology since recognition system can ensure propulsion system are always the best working state, solved the large remote host stuffy often appear in the car st

10、alled. Applicable in the Yangtze river, the river and long-term assignments in the coastal lakes, small ships. Keywords： Atmega16 microcontroller；EIA – 485 communication；Marine diesel engine；remote 前言 現(xiàn)代電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和普及應(yīng)用，使得自動(dòng)測(cè)控這個(gè)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變化，從而波及各行各業(yè)。在船舶的控制領(lǐng)域，也因而發(fā)生

11、了翻天覆地的變化?，F(xiàn)代船舶幾乎都采用了高度自動(dòng)化的主機(jī)遙控系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是，用微型計(jì)算機(jī)的軟件程序來實(shí)現(xiàn)主機(jī)遙控的各種邏輯和控制回路，系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和遙控系統(tǒng)的操作較為復(fù)雜，而且功能也非常的完善。 此外，船舶的柴油機(jī)是船舶前行的動(dòng)力裝置，如何控制好該動(dòng)力裝置，直接關(guān)系到船舶運(yùn)行的安全和效率。船舶主機(jī)的全自動(dòng)控制業(yè)已成為船舶制造的一個(gè)發(fā)展方向，遙控技術(shù)的發(fā)展即可解決這個(gè)難題。實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)各狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，利用自動(dòng)控制算法對(duì)各參數(shù)進(jìn)行處理，將處理結(jié)果清晰顯示，將故障狀態(tài)實(shí)時(shí)告警，根據(jù)處理結(jié)果對(duì)操作系統(tǒng)發(fā)出控制指令，自動(dòng)控制柴油機(jī)安全可靠運(yùn)行。本設(shè)計(jì)充分考慮了現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的各要素性質(zhì)，相

12、互關(guān)系和規(guī)律，并進(jìn)行一定的抽象，建立的可以描述該系統(tǒng)的邏輯關(guān)系和數(shù)學(xué)關(guān)系的理論模型，然后利用編程技術(shù)將這些模型編成微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠識(shí)別的程序，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求達(dá)到的功能。 國(guó)內(nèi)船舶柴油機(jī)的遙控屬于船舶自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)歷了由輪機(jī)當(dāng)班人員依照駕駛臺(tái)指令操作的本地控制、采用機(jī)艙集控室的集中控制、機(jī)艙無人值班船舶到屬于全自動(dòng)化以節(jié)能為中心的網(wǎng)絡(luò)型發(fā)展的過程。由此，船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，且成立世界主要造船國(guó)家船級(jí)社的通用標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)外的許多同類產(chǎn)品的控制器都采用了PLC作為控制器，致使裝置本身的體積偏大，造價(jià)成本偏高。部分產(chǎn)品的通信采用了TCP/IP協(xié)議，使得網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，可靠性降低，可維護(hù)

13、性不強(qiáng)。供電電源也較為單一，不能滿足不間斷電控的要求。邏輯運(yùn)算能力也頗低，沒有可靠的自動(dòng)控制算法作保障。 因而本設(shè)計(jì)采用了atmega16單片機(jī)作為控制器，以RS-484通訊方式進(jìn)行控制系統(tǒng)（上位機(jī)和下位機(jī)之間）數(shù)據(jù)和命令的傳遞。藉由系統(tǒng)里檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)四大模塊，實(shí)現(xiàn)了船舶柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)，利用調(diào)速電機(jī)對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和方向進(jìn)行控制，以及人機(jī)交互。達(dá)到了簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高可維護(hù)性、顯示簡(jiǎn)潔，輸入操作簡(jiǎn)單，降低成本的目的。 1 船舶遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景和要求 1.1 船舶遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景 目前，我國(guó)應(yīng)用比較廣泛的船用主機(jī)遙控裝置，如果以控制方式進(jìn)行劃分，大

14、致可分為以下四種方式：機(jī)械式；全氣動(dòng)控制式；氣電混合控制式；全電控制式。其中，機(jī)械式還可分軟軸控制式和鋼絲繩控制式，因其受控制距離的限制，主要用于近距離控制或小型船舶。 全氣動(dòng)控制式遙控裝置的控制原理一般采用氣動(dòng)邏輯元件或氣動(dòng)閥件組成氣動(dòng)發(fā)訊及程序控制回路，然后通過氣動(dòng)三位置氣缸控制齒輪箱換向，通過氣動(dòng)膜片執(zhí)行器控制主機(jī)油門調(diào)速。因?yàn)闅鈩?dòng)元件以氣為動(dòng)力和介質(zhì)而不需要電，以及氣動(dòng)元件的密封性和不會(huì)產(chǎn)生電火花，所以氣動(dòng)遙控裝置即使在失電的情況下仍可以安全駕駛，比較適合易燃防爆（如油船、液化氣船、化學(xué)品船）及環(huán)境條件比較惡劣的船舶使用。全氣動(dòng)遙控裝置具有原理比較簡(jiǎn)單易懂，適應(yīng)各種易燃、易爆等惡劣環(huán)

15、境，維修維護(hù)比較容易等特點(diǎn)。另外，全氣動(dòng)遙控裝置使用范圍廣，執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩大，幾乎所有國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口機(jī)型均可采用。 氣電混合控制式遙控裝置的控制原理是采用氣動(dòng)元件和電器元件結(jié)合起來，組成程序控制系統(tǒng)，然后通過電磁閥進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再通過氣動(dòng)執(zhí)行偶控制齒輪箱轉(zhuǎn)向（如果齒輪箱為電控轉(zhuǎn)向齒輪箱則不需要轉(zhuǎn)換，直接控制）。而主機(jī)調(diào)速則一般直接采用氣動(dòng)控制，不進(jìn)行轉(zhuǎn)換。氣電混合控制式遙控裝置從全氣動(dòng)遙控裝置的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，其性能和控制原理與氣動(dòng)控制原理基本相同，只是將其氣動(dòng)控制轉(zhuǎn)向發(fā)令及自動(dòng)程序部分改為電氣控制，然后再將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為氣信號(hào)通過氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行。 電動(dòng)控制式遙控裝置從發(fā)令到程序采用電子元件和高集成

16、電路，然后采用控制電機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械行程，控制主機(jī)和齒輪箱調(diào)速和轉(zhuǎn)向。電子遙控裝置安裝連接比以上兩種遙控裝置都簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的程序和功能，更適合多個(gè)控制站對(duì)主機(jī)組進(jìn)行控制。當(dāng)然其執(zhí)行力矩沒有以上兩種裝置大，其使用范圍有一定的局限性。電動(dòng)控制式遙控裝置國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)八十年代開始研發(fā)，但其早期的電動(dòng)遙控裝置因安裝比較復(fù)雜，元器件性能比較差，因而性能不是很穩(wěn)定?，F(xiàn)在電動(dòng)遙控裝置多采用先進(jìn)的芯片控制技術(shù)，控制微型電機(jī)作輸出位移，然后通過軟軸和主機(jī)換向及油門把手連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)的控制。電動(dòng)遙控設(shè)計(jì)控制對(duì)象主要為國(guó)外進(jìn)口或引進(jìn)機(jī)型，對(duì)國(guó)內(nèi)部分機(jī)型不太合適，存在油門執(zhí)行推拉力不足的缺點(diǎn)。但是電動(dòng)控制遙控裝置

17、無需氣源，駕駛室與機(jī)艙連接完全采用電纜連接，因而安裝簡(jiǎn)單。但其價(jià)格相對(duì)于國(guó)產(chǎn)全氣動(dòng)遙控與氣電混合控制式遙控來說比較高。 現(xiàn)今，國(guó)內(nèi)外的同類產(chǎn)品都在向著帶有簡(jiǎn)易傳令車鐘裝置，體積小，建議操作，直觀感強(qiáng)的方向發(fā)展。部分產(chǎn)品已經(jīng)做到了只需4X1電纜即可完成整個(gè)系統(tǒng)（報(bào)警箱報(bào)警采集點(diǎn)除外），結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單。其供電電源多希望采用兩路電源自動(dòng)切換措施，一保障供電的可靠性，設(shè)備的可靠性。以求適應(yīng)惡劣環(huán)境、保證線路簡(jiǎn)單、程序極易修改的目的。在初級(jí)邏輯運(yùn)算的基礎(chǔ)上，希望增加數(shù)值運(yùn)算、死循環(huán)調(diào)節(jié)功能，增加模擬量和PID調(diào)節(jié)模塊，提高運(yùn)算的速度。因此本設(shè)計(jì)采用的控制方式為電動(dòng)控制遙控方式。 1.2 船舶遙控系

18、統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求 目前國(guó)內(nèi)外大型船舶的自動(dòng)化程度都比較高，技術(shù)上基本采用了當(dāng)前最新的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控于控制技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)艙。但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜和其初始投資較高，故在小型船舶上的推廣應(yīng)用還有一定的難度。同時(shí)大多數(shù)主機(jī)遙控裝置使用自行研發(fā)的專業(yè)控制裝置，可靠性差，通用性弱。因而船舶的遙控設(shè)計(jì)要求裝置簡(jiǎn)單，易操作，可靠性強(qiáng)，耗能低，抗干擾能力強(qiáng)，控制精確及系統(tǒng)的可拓展性強(qiáng)。結(jié)合機(jī)艙條件、調(diào)試簡(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)單等因素，我們需要使船舶的遙控在設(shè)計(jì)的時(shí)候滿足下列要求：靈活性好、可調(diào)性高、通訊性強(qiáng)、性價(jià)比高，維護(hù)性好。 過去，電氣工程師必須為每套設(shè)備配置專用的控制裝置，嚴(yán)重的限制了遙控裝置的通用性和拓展能

19、力?，F(xiàn)在采用電氣控制遙控裝置，主控芯片采用高性能單片機(jī)，因而我們只需要根據(jù)不同的環(huán)境編寫不同的控制程序。如此可使得遙控裝置的靈活性得到了大大的提高，在性能拓展方面，我們只需根據(jù)實(shí)際需要添加相應(yīng)的程序即可完成功能的拓展。而一旦出現(xiàn)故障，系統(tǒng)的自檢功能將指出故障的部位，便于維修人員更換模塊，使維修難度和時(shí)間降低到了最低程度。同時(shí)，亦壓縮了備件庫(kù)存。降低了成本。 船舶遙控裝置設(shè)計(jì)的初期，需要做大量的調(diào)試工作，利用單片機(jī)可對(duì)所控制的功能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行模擬調(diào)試，大大增加了系統(tǒng)的調(diào)試性能，縮短了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的時(shí)間和難度，減少了遙控產(chǎn)品的開發(fā)周期。 目前，隨著船舶的大型化，其需要連接的控制設(shè)備的距離也增加了

20、許多。要實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)及各設(shè)備的精確和及時(shí)控制，勢(shì)必對(duì)遙控系統(tǒng)的通信能力提出了很高的要求。利用單片機(jī)做控制器，可靈活的選用成熟的串口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)及時(shí)通訊。如RS-485技術(shù)便可完全滿足現(xiàn)代規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、因素眾多的工程大系統(tǒng)的控制要求。 由于單片機(jī)自身數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷能力相對(duì)都較強(qiáng)，且可與外部電路配合，特別是與集成電路元件配合，可大大降低遙控裝置的成本。此外，應(yīng)用集成元件可降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，結(jié)構(gòu)變的極為簡(jiǎn)單。若在硬件設(shè)計(jì)上采取光電隔離、濾波等技術(shù)，在軟件上利用一系列控制算法、濾波技術(shù)、自診斷等技術(shù)，既可抵消環(huán)境的干擾，又提高了設(shè)備的可靠性。 船舶遙控的主要設(shè)計(jì)依據(jù)是《船

21、用中速柴油機(jī)主機(jī)遙控裝置技術(shù)規(guī)格書》，《內(nèi)河鋼船建造規(guī)范》，《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》，《船舶與海上設(shè)施與電氣電子設(shè)備型式試驗(yàn)指南》。 由上述規(guī)范知：在駕駛室用操縱手柄直接遙控齒輪箱按設(shè)定的程序換向和控制主機(jī)按給定的加速和減速程序調(diào)速。操縱器發(fā)送指令（正車、停車或倒車指令），若齒輪箱處于相反工作狀態(tài)，則齒輪箱等待脫排，延時(shí)0.5秒后開始脫排，同時(shí)接通柴油機(jī)限速閥，延時(shí)5分鐘后脫排完成。接通相應(yīng)換向閥（正車或倒車換向閥），斷開柴油機(jī)限速閥，齒輪箱開始脫排；若齒輪箱正處于脫排狀態(tài)，則直接連通相應(yīng)的換向閥，齒輪箱開始合拍；整個(gè)指令的完成過程時(shí)間不能超過12秒。控制器接收到急停命令，檢測(cè)齒輪箱工作狀

22、態(tài)，若齒輪箱處于合排狀態(tài)，則要求齒輪箱等待脫排，延時(shí)0.5秒后開始脫排，延時(shí)5秒后脫排完成，保持脫排狀態(tài)；若齒輪箱已處于脫排狀態(tài)則保持脫排狀態(tài)。一旦實(shí)施過急脫排控制，只有確認(rèn)主機(jī)狀態(tài)正常后，由機(jī)旁輸入急停指令才可以解除該狀態(tài)。系統(tǒng)由操縱器發(fā)出指令，直到齒輪箱到達(dá)相應(yīng)指令要求的狀態(tài)，整個(gè)相應(yīng)過程應(yīng)不超過12秒，若超過時(shí)間，控制器發(fā)出錯(cuò)向報(bào)警。 2 船舶柴油機(jī)遙控裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)大的組成部分，即上位機(jī)控制部分、下位機(jī)控制部分和RS485通信部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1。 圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 上位機(jī)控制部分和下位機(jī)控制部分都是圍繞以

23、下四個(gè)子系統(tǒng)來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，即檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、電源系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)字量輸入檢測(cè)、模擬量輸入檢測(cè)。模擬量輸入檢測(cè)主要完成電壓的檢測(cè)，數(shù)字量輸入檢測(cè)主要完成對(duì)外圍設(shè)備物理開關(guān)量的檢測(cè)?？刂葡到y(tǒng)由三部分組成，智能芯片自動(dòng)控制器，鍵盤模塊和顯示模塊。智能芯片控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)各數(shù)字量、模擬量的數(shù)字運(yùn)算與邏輯分析，并對(duì)執(zhí)行系統(tǒng)給出明確的指令。鍵盤模塊和顯示模塊可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。下位機(jī)的執(zhí)行系統(tǒng)比較復(fù)雜，可細(xì)分為柴油機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，報(bào)警系統(tǒng)的控制。報(bào)警系統(tǒng)分為燈光報(bào)警和聲音報(bào)警，燈光報(bào)警有兩種狀態(tài)，一是常亮，二是閃爍。由于要保證微型控制器的持續(xù)可靠工作，則必須保證電源

24、的持續(xù)、穩(wěn)定、可靠、安全的工作，因而本系統(tǒng)的電源系統(tǒng)很好的解決了這個(gè)問題。RS485通信系統(tǒng)完成上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、命令傳遞兩個(gè)主要的功能。 2.2系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì) 本遙控系統(tǒng)有的主要功能包含手動(dòng)控制，遙控控制，緊急停車和越控，它們完成了船舶柴油機(jī)遙控裝置的主要功能，柴油機(jī)遙控的后備保護(hù)（車鐘遙控裝置）不在本設(shè)計(jì)的考慮范圍之列。 手動(dòng)控制需要在上位機(jī)和下位機(jī)同時(shí)切換到手動(dòng)操作，且經(jīng)確認(rèn)一致后操作才有效。該功能包含四個(gè)操作：分別為完車、備車、停車和消音操作。完車、備車、停車操作在單方面發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)聲音報(bào)警和燈光閃爍報(bào)警，在上位機(jī)和下位機(jī)的操作取得一致時(shí)，聲音報(bào)警解除，燈光

25、閃爍報(bào)警改為常亮提示。當(dāng)進(jìn)行消音操作后，聲音報(bào)警也可單方面解除，燈光閃爍報(bào)警也變?yōu)槌Ａ撂崾尽? 遙控控制，當(dāng)上位機(jī)手柄動(dòng)作時(shí)，上位機(jī)控制芯片檢測(cè)手柄的動(dòng)作狀態(tài)，做出順車、停車、倒車的判斷，把命令發(fā)送到下位機(jī)，下位機(jī)根據(jù)收到的命令控調(diào)速直流電機(jī)和順車、倒車電磁閥動(dòng)作。下位機(jī)檢測(cè)調(diào)速直流電機(jī)的動(dòng)作狀態(tài)和順車、倒車電磁繼電器的狀態(tài)，判斷順車、倒車動(dòng)作是否準(zhǔn)確，并判斷是否有錯(cuò)向發(fā)生。下位機(jī)還將對(duì)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)轉(zhuǎn)速作出是否會(huì)發(fā)生共振、是否超速，若檢測(cè)的轉(zhuǎn)速可能引起共振，下位機(jī)將向上位機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)速禁區(qū)的報(bào)警信號(hào)。若檢測(cè)的轉(zhuǎn)速超出預(yù)置的轉(zhuǎn)速，將自動(dòng)調(diào)用減速控制程序以保證柴油機(jī)在正常的轉(zhuǎn)速區(qū)間工作

26、。當(dāng)系統(tǒng)處于遙控控制狀態(tài)時(shí)，下位機(jī)將自動(dòng)檢測(cè)外部設(shè)備的工作狀態(tài)，如主機(jī)水溫、主機(jī)油壓、齒輪箱油溫，齒輪箱油壓、離合器壓力。上述的報(bào)警動(dòng)作將在故障排除或者有消音操作時(shí)解除。下位機(jī)對(duì)檢測(cè)到得這些參數(shù)進(jìn)行智能分析，若上述參數(shù)異常，下位機(jī)將作聲音報(bào)警和燈光閃爍報(bào)警，并實(shí)時(shí)將上述故障點(diǎn)通過MAX485發(fā)送到上位機(jī)，由上位機(jī)控制進(jìn)行聲音報(bào)警和燈光閃爍報(bào)警。 越控控制功能主要是針對(duì)輕微故障和緊急情況而設(shè)置的操作。在遙控控制正常工作時(shí)，一旦發(fā)生輕微的外圍設(shè)備故障或遙控程序故障時(shí)，進(jìn)行越控操作能夠使柴油機(jī)的工作狀態(tài)恢復(fù)正常，屏蔽掉對(duì)外圍設(shè)備故障狀態(tài)的處理。該操作只能在上位機(jī)進(jìn)行，下位機(jī)無此操作。在進(jìn)行越控操作

27、時(shí)，上位機(jī)將進(jìn)行聲音報(bào)警和燈光閃爍報(bào)警，整個(gè)報(bào)警過程可由動(dòng)作完成或消音操作解除。這是系統(tǒng)的一種自我修復(fù)能力的體現(xiàn)。這從很大程度上加強(qiáng)了整個(gè)遙控裝置的可靠性，同時(shí)也對(duì)緊急事件的處理能力有了極大的提高。 緊急停車功能主要是為了應(yīng)對(duì)緊急情況。當(dāng)船舶柴油機(jī)主機(jī)需要立即停車時(shí)，由遙控裝置控制柴油機(jī)按一定得操作規(guī)范智能停車。不論是上位機(jī)還是下位機(jī)，都可單方面的進(jìn)行緊急停車的操作，無須驗(yàn)證上位機(jī)和下位機(jī)的該操作是否同步有效。但在進(jìn)行該操作時(shí)，會(huì)發(fā)出聲音報(bào)警和燈光閃爍報(bào)警信號(hào)，且報(bào)警信號(hào)須傳送到另一方的控制芯片，作出相應(yīng)的報(bào)警動(dòng)作。該報(bào)警信號(hào)在停車操作完成或有消音操作時(shí)解除。由于緊急停車操作在手動(dòng)控制和遙控

28、控制時(shí)都有效，無須切換到后備保護(hù)（車鐘操作控制），很大程度上保證了船舶運(yùn)行的安全性。 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 3.1硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 整個(gè)遙控系統(tǒng)由上位機(jī)控制部分、通信模塊和下位機(jī)控制部分組成，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。 圖3.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 上位機(jī)控制部分由A/D采樣模塊、顯示模塊、按鍵模塊、報(bào)警模塊組成。下位機(jī)控制部分由A/D采樣模塊、轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊、顯示模塊、按鍵模塊、報(bào)警模塊、繼電器工作狀態(tài)檢測(cè)模塊、電機(jī)調(diào)速模塊組成。按鍵輸入模塊、報(bào)警模塊比較簡(jiǎn)單，將不做詳細(xì)介紹。顯示模塊含LED燈顯示電路、數(shù)碼管顯示電路。報(bào)警模塊指蜂鳴器的報(bào)警電路。A/D采樣模塊是指對(duì)電壓的檢測(cè)電

29、路。按鍵輸入模塊是指按鍵的檢測(cè)電路。轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊是指柴油機(jī)的檢測(cè)電路。繼電器檢測(cè)模塊是指各繼電器開關(guān)量的輸入檢測(cè)電路。 3.2上位機(jī)電路設(shè)計(jì) 3.2.1 電源電路設(shè)計(jì) 電源電路設(shè)計(jì)包括電源自動(dòng)切換設(shè)計(jì)、降壓穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)和失電檢測(cè)設(shè)計(jì)。由于本系統(tǒng)屬于電動(dòng)式遙控控制裝置，因此必須保證電源的可靠性、只需性，可靠性，否則，一旦出現(xiàn)電源故障，整個(gè)控制裝置將不能工作，勢(shì)必對(duì)船舶的正常運(yùn)行造成極大的危害。為此，在上位機(jī)和下位機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，都對(duì)電源電路做了專門的設(shè)計(jì)，既有供電的自動(dòng)切換，也有降壓穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)，還有失電的檢測(cè)。可實(shí)現(xiàn)交流電源發(fā)生故障時(shí)，后備電源（蓄電池電源）自動(dòng)切換。工作原理為：當(dāng)交

30、流電源出現(xiàn)故障時(shí)，24V蓄電池將自動(dòng)投入電路，向系統(tǒng)提供穩(wěn)定的24V電源。圖中的整流二極管可以使蓄電池電源的電流流向控制系統(tǒng)。穩(wěn)壓二極管可以防止交流電源過來的電流破壞蓄電池。 圖3.2.1降壓穩(wěn)壓電路所示 降壓穩(wěn)壓電路如圖3.2.1所示。其功能為將24V電壓降到穩(wěn)定的5V電壓。由于系統(tǒng)中的集成芯片的工作電壓都是5V，故要對(duì)24V電壓進(jìn)行降壓穩(wěn)壓處理。圖中穩(wěn)壓芯片采用LM2575，LM2575系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的1A集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)部集成了一個(gè)固定的振蕩器，只須極少外圍器件便可構(gòu)成一種高效的穩(wěn)壓電路，可大大減小散熱片的體積，而在大多數(shù)情況下不需散熱片；內(nèi)部

31、有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等；芯片可提供外部控制引腳。是傳統(tǒng)三端式穩(wěn)壓集成電路的理想替代產(chǎn)品。最大輸出電流為1A，最大輸入電壓63V。輸出電壓：3.3V、5V、12V、ADJ(可調(diào)),震蕩頻率54KHz,最大穩(wěn)壓誤差4%；轉(zhuǎn)換效率75%～88%（不同的電壓輸出效率不同）。 失電檢測(cè)電路如圖3.2.3所示。其功能是檢測(cè)外部電源的工作狀態(tài)，當(dāng)外部電源不故障時(shí)，將故障信號(hào)通過單片機(jī)報(bào)警。圖中電源代表交流電源輸入，OFF輸出到單片機(jī)的PB5。當(dāng)交流電源供電正常，三極管關(guān)斷，單片機(jī)的PB5腳檢測(cè)到低電平。當(dāng)交流電源故障，三極管開通，OFF輸出高電平，單片機(jī)即可檢測(cè)到高電平，判斷為失電，

32、然后報(bào)警。 圖3.2.3失電檢測(cè)電路 3.2.2 數(shù)碼管顯示電路 本設(shè)計(jì)的顯示功能由兩部分完成，一是數(shù)碼管顯示，二是LED燈顯示。數(shù)碼管顯示主要用來顯示轉(zhuǎn)速，LED燈則是用來顯示各操作的狀態(tài)和外圍設(shè)備的狀態(tài)。LED的顯示分為閃爍和常亮兩種，用來進(jìn)行燈光報(bào)警。 圖3.2.4數(shù)碼管顯示電路 數(shù)碼管的顯示電路如圖3.2.4所示。數(shù)碼管主要用來顯示轉(zhuǎn)速。數(shù)碼管采用共陽(yáng)7段數(shù)碼管，顯示驅(qū)動(dòng)芯片采用74LS164。單片機(jī)采用Timer2定時(shí)器定時(shí)20mS，將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再管，直到下一次顯示數(shù)據(jù)需要更新時(shí)，即下一個(gè)20mS定時(shí)到，再傳送一次新數(shù)據(jù)，該顯示方式顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占

33、用很少的CPU時(shí)間。若采用動(dòng)態(tài)顯示，則需要CPU時(shí)刻對(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的CPU時(shí)間多。圖中還采用了一個(gè)NPN三極管，利用PWM控制數(shù)碼管顯示的亮度，四級(jí)調(diào)節(jié)。改變PWM信號(hào)的占空比，即改變了電壓的有效值，因而可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管顯示亮度的調(diào)節(jié)。圖中的DATA端口用于單片機(jī)向移位寄存器送數(shù)據(jù)，SCK端口用于單片機(jī)為移位寄存器移位提供時(shí)鐘信號(hào)。該顯示的驅(qū)動(dòng)程序如下： void display(uchar *str) { uchar i,j,tmp; for(i=0;i<4;i++) { tmp=led_7[*str++];

34、 for(j=0;j<8;j++) { SCK=0; DAT=tmp&0x01; SCK=1; tmp>>=1; } } } Led_7[]數(shù)組中存放數(shù)碼管顯示需要的段碼，0到9十個(gè)數(shù)字的段碼為{0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09}。tr[]數(shù)組用于存放需要顯示的數(shù)據(jù)，該顯示數(shù)據(jù)根據(jù)轉(zhuǎn)速檢測(cè)的結(jié)果計(jì)算得出。上面驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行時(shí)每次送8位數(shù)據(jù)，連續(xù)送4次，即可實(shí)現(xiàn)四位

35、轉(zhuǎn)速的顯示。 LED燈（即報(bào)警燈、指示燈）的顯示電路如圖3.2.5所示。LED燈主要用來顯示特命令的操作以及檢測(cè)各繼電器的狀態(tài)。顯示驅(qū)動(dòng)芯片采用MM74C373,該芯片是并入并出芯片，芯片的D1~D8引腳分別連接到單片機(jī)的PC口的PC0~PC7。每片顯示驅(qū)動(dòng)芯片采用MM74C373有一個(gè)使能端LE，當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，芯片被選中，芯片才能有效工作。使用結(jié)束，需要對(duì)LE清0，關(guān)閉驅(qū)動(dòng)芯片，以防干擾。該顯示芯片可以直接操作到位，即對(duì)每個(gè)燈實(shí)現(xiàn)直接的控制。所有的LED燈的電源端都是接的NPN型三極管2N3906。三極管的基極電壓由單片機(jī)的PWM信號(hào)提供，單片機(jī)可通過改變占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈發(fā)光亮度

36、的調(diào)節(jié)。 圖3.2.5 LED燈顯示電路 3.3下位機(jī)電路設(shè)計(jì) 下位機(jī)的轉(zhuǎn)速顯示與上位機(jī)的轉(zhuǎn)速顯示電路相同，只是少了一個(gè)調(diào)節(jié)光亮強(qiáng)度的功能，即少了三極管部分。下位機(jī)的電源電路與上位機(jī)也是一致的，下位機(jī)僅僅少了一個(gè)失電檢測(cè)的功能部分。 3.3.1 LED燈顯示電路 下位機(jī)的LED顯示電路與上位機(jī)不同，采用的顯示驅(qū)動(dòng)芯片為74LS595。其電路原理圖如圖3.3.1所示。 圖3.3.1下位機(jī)LED顯示驅(qū)動(dòng)電路 該電路也被用來顯示特命令的操作以及檢測(cè)各繼電器的狀態(tài)。74ls595的數(shù)據(jù)端：QA~QH：八位并行輸出端，可以直接控制數(shù)碼管

37、的8個(gè)段，在該顯示電路中，由每一位去控制各個(gè)LED燈。QH’：級(jí)聯(lián)輸出端。用來連接下一個(gè)74LS595的數(shù)據(jù)輸入端SI。SI：串行數(shù)據(jù)輸入端。74LS595的控制端說明：(10腳)：低電平時(shí)將移位寄存器的數(shù)據(jù)清零。本電路中直接與VCC相連。SRCLK(11腳)：上升沿時(shí)數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)移位。QAQBQC…QH；下降沿移位寄存器數(shù)據(jù)不變。（脈沖寬度：5V時(shí)，大于20納秒。）RCLK(12腳)上升沿時(shí)移位寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器，下降沿存儲(chǔ)寄存器數(shù)據(jù)不變。先給RCLK低電平，當(dāng)移位結(jié)束后，在RCK端產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，更新數(shù)據(jù)。(13腳)：高電平時(shí)禁止輸出（高阻態(tài)）。電路中直接與地相連。7416

38、4和74595功能相仿，都是8位串行輸入轉(zhuǎn)并行輸出移位寄存器。74164的驅(qū)動(dòng)電流(25mA)比74595(35mA)的要小,14腳封裝，體積也小一些。74164和74595功能相仿，都是8位串行輸入轉(zhuǎn)并行輸出移位寄存器。74164的驅(qū)動(dòng)電流(25mA)比74595(35mA)的要小,14腳封裝，體積也小一些。74595的主要優(yōu)點(diǎn)是具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器，在移位的過程中，輸出端的數(shù)據(jù)可以保持不變。這在串行速度慢的場(chǎng)合很有用處，數(shù)碼管沒有閃爍感。與164只有數(shù)據(jù)清零端相比，595還多有輸出端時(shí)能/禁止控制端，可以使輸出為高阻態(tài)。 該顯示電路的驅(qū)動(dòng)程序如下：str[ ]={0x00,0

39、XFE,0XFD,0XFB,0XF7,0XEF,0XDF,0XBF,0X7F,0xff,0xbe}用于存放需要顯示的LED燈段位碼。 void led_display(uchar *str) { uchar i=0,j=0; for(i=0;i<2;i++) { OutByte=*str++; //再輸出段碼 for(j=0;j<8;j++) { SLclk=0; Bout=Bit_Out; OutByte

40、>>=1; SLclk=1; //位同步脈沖輸出 } Sclk=0; Sclk=1; //一個(gè)鎖存脈沖輸出 } } 3.3.2繼電器狀態(tài)檢測(cè)電路 繼電器狀態(tài)檢測(cè)電路主要用來檢測(cè)柴油機(jī)的主機(jī)滑油壓力、齒輪箱滑油壓力、主機(jī)轉(zhuǎn)速、主機(jī)冷卻水溫、離合器失能、齒輪箱正車掛排缸壓力、齒輪箱倒車掛排缸壓力等重要參數(shù)和遙控/手動(dòng)、緊急停車按鍵狀態(tài)。檢測(cè)電路電路如圖3.3.2所示。 由于系統(tǒng)需要測(cè)量的外部邏輯數(shù)據(jù)（開關(guān)量）比較多，而單片機(jī)的32個(gè)I/O口不夠

41、用，必須進(jìn)行端口的擴(kuò)展，以測(cè)量外部的開關(guān)信號(hào)。圖中的RP2為2K的排阻，起限流作用。D30~D36為穩(wěn)壓二極管，防止外部設(shè)備的電壓對(duì)芯片造成破壞。74LS165是并行輸入，串行輸出移位寄存器。其引腳A、B、C、D、E、F、G、H為并行輸入端。QH為串行輸出端。CLOCK：時(shí)鐘輸入端。CLOCK INH：時(shí)鐘禁止端。當(dāng)時(shí)鐘禁止端為低電平時(shí)，允許時(shí)鐘輸入，本電路直接與地相連。S/L：移位與置位控制端。：擴(kuò)展多個(gè)74LS165首尾連接端。本電路沒有用到此功能，故不作考慮。 圖3.3.2 單片機(jī)端口擴(kuò)展電路 該擴(kuò)展電路的驅(qū)動(dòng)程序如下：程序返回值read_temp用于存放單片機(jī)讀到的外部開關(guān)

42、信號(hào)。 uchar read_data(void) { uchar i; DATA= 0; // 鎖存八位數(shù)據(jù) DATA= 1; for(i=0;i<8;i++) { read_temp<<=1; // 左移一位 RCLK=0; if(DATAIN==1) read_temp|=0x01; RCLK=1; } return read_temp; } 3.3.3 繼電器驅(qū)動(dòng)電路 繼電器驅(qū)動(dòng)電路主要用來驅(qū)動(dòng)電磁繼電器

43、控制柴油機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，以及直流調(diào)速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流的放大。其驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3.3.3所示。 圖3.3.3 2803驅(qū)動(dòng)電路原理圖 由于單片機(jī)的I/O口的驅(qū)動(dòng)電流比較小,只有20mA,不能直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和電磁繼電器,故需要做一個(gè)專門的驅(qū)動(dòng)電路,以放大單片機(jī)I/O口的輸出電流,達(dá)到能夠驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管和電磁繼電器的目的。設(shè)計(jì)中采用的驅(qū)動(dòng)芯片為ULN2803，使得輸出電流大于200mA。圖中的限流電阻RP1采用5K的排阻。IN8~IN1分別連接到單片機(jī)PC口的PC0~PC7。 ULN2803它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是達(dá)林頓管陣列，在芯片內(nèi)部做了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管。內(nèi)部的輸入輸出是一個(gè)反相器，

44、實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)三極管，當(dāng)輸入高電平時(shí)，輸出是低電平；當(dāng)輸入低電平時(shí)，輸出高電平。 如圖3.3.4為電磁繼電器的驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)OUT5~OUT8輸入低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的電磁繼電器吸合，其輸出（C7、C9、C14、C16）即可接通到24V的直流電源上，為電磁閥和報(bào)警器提供電源。OUT5~OUT8受單片機(jī)控制，其電流鏡ULN2803放大之后，電平與單片機(jī)的輸出相反。 圖3.3.4電磁繼電器的連接圖 3.3.4 直流電機(jī)橋式驅(qū)動(dòng)電路 直流電機(jī)橋式驅(qū)動(dòng)電路主要是控制直流調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)向，以實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)加速和減速的控制。驅(qū)動(dòng)電路電路圖如圖3.3.5所示： 圖3.3.5直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

45、 柴油機(jī)的調(diào)速是通過直流電機(jī)的位移量改變的。因此直流電機(jī)的功率較大，其工作電流大，電壓也較大，為24V。為了保護(hù)系統(tǒng)電路和加強(qiáng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性和可靠性，利用橋式電路又做了一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)圖中OUT1為低電平，OUT4為高電平時(shí)，三極管Q1開通，和三極管Q4閉合時(shí)，電機(jī)電源滿足工作條件，可正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的加速；同時(shí)必須使得OUT2為高電平，OUT3為低電平，三極管Q2關(guān)閉，三極管Q3開通，以減小漏電流對(duì)電機(jī)運(yùn)行控制的干擾，及提高電機(jī)供電的可靠性。同理，要使電機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的減速操作，只需要進(jìn)行相反的操作即可。若要停止電機(jī)則需要使Q1、Q2同時(shí)關(guān)斷。 3.3.5 轉(zhuǎn)速脈沖降幅電路

46、 轉(zhuǎn)速脈沖降幅電路的功能是將傳感器24V的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成5V的脈沖信號(hào)，以及對(duì)脈沖信號(hào)整波，使脈沖上升沿和下降沿更陡。該降幅電路原理圖如圖3.3.6所示。 圖3.3.6轉(zhuǎn)速脈沖降幅電路原理圖 柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)電磁傳感器檢測(cè)、變換之后，輸出的是0V和24V的TTL信號(hào)，而單片機(jī)的允許電壓最大只有5V，因此需要對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖進(jìn)行降幅處理，使其轉(zhuǎn)化為0V和5V的TTL信號(hào)。該降幅電路圖采用了比較器工作的原理，當(dāng)輸入電壓大于比較器設(shè)定的參考電壓時(shí)，比較器輸出高電平5V，當(dāng)輸入電壓低于設(shè)定的參考電壓時(shí)，比較器輸出0V，這樣即實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖的幅值變換，還對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖可以起到整波的效果。原理圖中的比較器

47、選用的是LM339。6號(hào)輸入端起到了門限電壓的作用，經(jīng)兩個(gè)電阻分壓之后，門限電壓約為2.5V，7號(hào)輸入端輸入轉(zhuǎn)速脈沖，圖中D21限流二極管防止了輸入轉(zhuǎn)速脈沖對(duì)門限電壓的干擾。 4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 RS-485通信 4.1.1 RS-485通信原理 串行通訊標(biāo)準(zhǔn)RS-485，是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制訂并發(fā)布的。標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。 　　RS-485通信的數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對(duì)雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B。通常情況下，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A、B之間的正電平在+2

48、~+6V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在-2V~6V，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號(hào)地C，在RS-485中還有一個(gè)“使能”端?！笆鼓堋倍耸怯糜诳刂瓢l(fā)送驅(qū)動(dòng)器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)“使能”端起作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。 RS-485標(biāo)準(zhǔn)，具有多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線

49、收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測(cè)低至200mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。 RS-485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。RS-485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線。應(yīng)用RS-485 可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器。RS-485的共模輸出電壓在-7V至+12V之間。RS-485的最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mbps。平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100Kbps速率以下，才可能使用規(guī)定最長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長(zhǎng)雙絞線最大傳輸

50、速率僅為1Mbps。 4.1.2 MAX485的結(jié)構(gòu)和性能 MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS－485芯片。采用單一電源+5V工作，額定電流為300μA，采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS－485電平的功能。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡(jiǎn)單,內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)/RE為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即

51、可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端,當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡(jiǎn)單。只需要一個(gè)信號(hào)控制MAX485的接收和發(fā)送即可。同時(shí)將A和B端之間加匹配電阻，一般可選100Ω的電阻。 4.1.3 RS-485通信的實(shí)現(xiàn) MAX485在實(shí)現(xiàn)RS-485通信時(shí)采用如圖4.1所示的電路連接。 圖4.1 MAX485的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)RS-485通信連接圖 圖4.1是單片機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的RS-485通信連接，MAX485與單片機(jī)的連接關(guān)系為：MAX485的1號(hào)腳(RO)接單片機(jī)的14號(hào)腳RXD,單片機(jī)接收MAX485傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。M

52、AX485的4號(hào)腳(DI)接單片機(jī)的15號(hào)腳(TXD)，單片機(jī)向MAX485傳送數(shù)據(jù)，當(dāng)TXD上的低電平強(qiáng)制輸出A為低電平，而輸出B為高電平。同理，TXD上的高電平強(qiáng)制輸出A為高電平，而輸出B為低電平。MAX485的2號(hào)腳()和3號(hào)腳(DE)接單片機(jī)的16號(hào)腳(PD2)，當(dāng)PD2為低電平時(shí)，RO有效，驅(qū)動(dòng)器輸出為高阻狀態(tài)，器件被用作線接收器；當(dāng)PD2為高電平時(shí)，RO為高阻狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)器輸出A與B有效，器件被用作線驅(qū)動(dòng)器。Rt為100Ω的匹配電阻(也稱終接電阻)，接在傳輸線的兩端，增大吸收，減少信號(hào)回波反射。 RS-485的通信實(shí)現(xiàn)用到了單片機(jī)的串口USART。上位機(jī)采用定時(shí)發(fā)送，每5mS鐘發(fā)送

53、一次數(shù)據(jù)，接收采用usart中斷接收。下位機(jī)不主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，接收采用usart中斷接收，在每次接收完后，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)提取處理，處理完成后立即向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。 上位機(jī)通信數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度定義為12個(gè)字節(jié)。往下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀包括：下位機(jī)的LED顯示數(shù)據(jù)s_led[0],s_led[1]；下位機(jī)要接收的AD值s_ad_dat[0],s_ad_dat[1]；手動(dòng)/遙控命令s_shoudong默認(rèn)為0，代表遙控狀態(tài)；按鍵值s_key_value默認(rèn)為，代表無按鍵操作，1，2，3，4分別代表完、備、停車和緊急停車命令。接收的下位機(jī)的數(shù)據(jù)幀包括：下位機(jī)測(cè)的的轉(zhuǎn)速led_su[0],led_su[1],l

54、ed_su[2],led_su[3]；下位機(jī)傳上來的LED顯示數(shù)據(jù)r_led[0],r_led[1],r_led[2]；手動(dòng)/遙控命令shoudong默認(rèn)為，代表遙控狀態(tài)；下位機(jī)的按鍵值r_key_valuve,初始為代表無按鍵操作，1，2，3，4分別代表完、備、停車和緊急停車命令；遙控是順、倒、停車的閃爍控制shanshuo_flag=0,默認(rèn)常亮。 下位機(jī)通信數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度定義為12個(gè)字節(jié)。往上位機(jī)位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀包括：下位機(jī)測(cè)的的轉(zhuǎn)速led_su[0],led_su[1],led_su[2],led_su[3]；上位機(jī)的LED需要顯示的數(shù)據(jù) s_led[0],s_led[1],s_led

55、[2]；手動(dòng)/遙控命令s_shoudong默認(rèn)為，代表遙控狀態(tài)；下位機(jī)的按鍵值s_key_valuve,初始為代表無按鍵操作，1，2，3，4分別代表完、備、停車和緊急停車命令；遙控是順、倒、停車的閃爍控制shanshuo_flag=0,默認(rèn)常亮。接收的上位機(jī)數(shù)據(jù)幀包括：上位機(jī)測(cè)得得AD值ad_dat[0],ad_dat[1]；手動(dòng)/遙控命令r_shoudong默認(rèn)為0，代表遙控狀態(tài)；按鍵值r_key_value默認(rèn)為，代表無按鍵操作，1，2，3，4分別代表完、備、停車和緊急停車命令。 開始標(biāo)志位同一定義為“@”，結(jié)束標(biāo)志位同一定義為“$”。Rx為已接收字節(jié)數(shù)，uartStart為開始接受標(biāo)志

56、，初始化為0，finish為接受結(jié)束標(biāo)志，初始化為0。通信速率為9600bps,波特率寄存器的初始化可以由系統(tǒng)軟件得到。 正常異步模式的計(jì)算公式： 通信的校驗(yàn)方式采用和校驗(yàn)，即對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，將兩個(gè)和值進(jìn)行比較，若二者一致，則可認(rèn)為通信數(shù)據(jù)正常，否則拋棄不正常數(shù)據(jù)。下位機(jī)的通信函數(shù)包含上位機(jī)通信函數(shù)的所有功能，故只給出下位機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)、中斷接收函數(shù)、接受數(shù)據(jù)處理函數(shù)分別如下所示： void send_485() { uchar i; E485=1; //485發(fā)送使能 UCSRB=0x08;

57、 output[0]=0x40; //"@" output[1]=led_su[0];//向上位機(jī)發(fā)送數(shù)碼管轉(zhuǎn)速顯示數(shù)據(jù)，此位對(duì)應(yīng)最高位 output[2]=led_su[1];//向上位機(jī)發(fā)送數(shù)碼管轉(zhuǎn)速顯示數(shù)據(jù)，此位對(duì)應(yīng)第二位 output[3]=led_su[2];//向上位機(jī)發(fā)送數(shù)碼管轉(zhuǎn)速顯示數(shù)據(jù)，此位對(duì)應(yīng)第三位 output[4]=led_su[3];//向上位機(jī)發(fā)送數(shù)碼管轉(zhuǎn)速顯示數(shù)據(jù)，此位對(duì)應(yīng)最低位 output[5]=s_led[0]; output[6]=s_led[1]; output[7]=s_le

58、d[2]; output[8]=s_shoudong; output[9]=s_key_value; output[10]=shanshuo_flag; output[11]=0x24; //"$" for(i=0;i<12;i++) { UDR=output[i]; while(!(UCSRA&0x40)); delay_ms(1); } UCSRB=0x90; delay_ms(1); E485=0; //

59、485接收使能 } interrupt [USART_RXC] void usart_rx_isr(void) { char tmp; tmp=UDR; if(tmp==0x40) //"@" { rx=0; uartStart=1; } else if(tmp==0x24) //"$" { uartStart=0; finish=1; } else { if(uartStart==1)

60、 { buffer[rx]=tmp; rx++; } } } void receive() { if(finish==1) { r_key_value=buffer[5]; //接收上位機(jī)緊急停車、完、備、停信號(hào) r_shoudong=buffer[4]; //接收上位機(jī)手動(dòng)/遙控信號(hào) r_led[1]=buffer[3]; //接收上位機(jī)LED顯示數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)U3

61、r_led[0]=buffer[2]; //接收上位機(jī)LED顯示數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)U2 ad_da[1]=buffer[1]&0x03; //接收上位機(jī)檢測(cè)的AD數(shù)據(jù),高兩位 ad_da[0]=buffer[0]; //接收上位機(jī)檢測(cè)的AD數(shù)據(jù),低八位 finish=0; delay_ms(10); send_485(); } ad_v=ad_da[1]; //取出上位機(jī)電壓的高兩位數(shù)據(jù) ad_v<<=8; ad_v|=ad_da[0]

62、;//取出上位機(jī)電壓的第八位，求與 } 4.2系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩塊智能控制芯片控制，在系統(tǒng)運(yùn)行中，各自發(fā)揮著不同的作用，因而各自的執(zhí)行程序也不相同。 上位機(jī)主程序結(jié)構(gòu)流程圖如圖4.2.1所示。在沒有越控操作、緊急停車操作時(shí)，將根據(jù)手動(dòng)/遙控按鍵確定需要手動(dòng)還是遙控操作。若有越控操作命令或緊急停車操作命令時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的命令。在所有的函數(shù)執(zhí)行完后，對(duì)所有的需要通信數(shù)據(jù)更新，顯示數(shù)據(jù)更新，這樣保證了通信的高效率與可靠，也保證了顯示的準(zhǔn)確性，不會(huì)因?yàn)檫壿嫷膹?fù)雜性而造成顯示的混亂。 圖4.2.1 上位機(jī)主程序流程圖 上位機(jī)若檢測(cè)到中斷請(qǐng)求信號(hào)，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

63、上位機(jī)的中斷處理服務(wù)程序如圖4.2.2所示。 4.2.2上位機(jī)中斷程序流程圖 進(jìn)行判斷上位機(jī)為了節(jié)省數(shù)碼管顯示占用大量的資源，利用人的視覺誤差，由Timer2定時(shí)20mS，每20mS更新一次顯示數(shù)據(jù)，這樣較在主程序里循環(huán)調(diào)用程序要節(jié)省資源。為了使程序簡(jiǎn)練，防止反復(fù)調(diào)用通信的發(fā)送數(shù)據(jù)程序?qū)ο挛粰C(jī)的處理產(chǎn)生影響和通信堵塞，由Timer2定時(shí)5mS，每5mS發(fā)送一次數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)接收方面，上位機(jī) 采用了中斷接收的方式，只有在USART的接收端口R

64、XD檢測(cè)到電平的變化時(shí)，觸發(fā)USART中斷，然后執(zhí)行USART中斷接收處理程序。在對(duì)手柄的電壓采樣的時(shí)候，程序也調(diào)用了A/D中斷處理函數(shù)。其ADC轉(zhuǎn)換過程為：選擇通道和轉(zhuǎn)換頻率啟動(dòng)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換結(jié)束檢查讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。 下位機(jī)主程序結(jié)構(gòu)流程圖如圖4.2.3所示。首先檢測(cè)輸入數(shù)據(jù)，在沒有越控操作、緊急停車操作時(shí)，將根據(jù)手動(dòng)/遙控按鍵確定需要手動(dòng)還是遙控操作。若有越控操作命令或緊急停車操作命令時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的命令。在所有的函數(shù)執(zhí)行完后，對(duì)所有的需要通信數(shù)據(jù)更新，顯示數(shù)據(jù)更新，這樣保證了通信的高效率與可靠，也保證了顯示的準(zhǔn)確性，不會(huì)因?yàn)檫壿嫷膹?fù)雜性而造成顯示的混亂。 圖4.2.3下位機(jī)主程序流程圖

65、下位機(jī)若檢測(cè)到中斷請(qǐng)求信號(hào)，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。下位機(jī)的中斷處理服務(wù)程序如圖4.2.4所示。下位機(jī)在數(shù)據(jù)接收方面，也采用了中斷接收的方式，只有在USART的接 圖4.2.4下位機(jī)中斷程序流程圖 收端口RXD檢測(cè)到電平的變化時(shí)，觸發(fā)USART中斷，然后執(zhí)行USART中斷接收處理程序。在中斷處理結(jié)束后，即執(zhí)行向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的函數(shù)，這樣避免了通信過程中的通信沖突，提高了通信的效率。在對(duì)直流電機(jī)調(diào)速裝置電壓采樣的時(shí)候，程序也調(diào)用了A/D中斷處理函數(shù)。其ADC轉(zhuǎn)換過程為：選擇通道和轉(zhuǎn)換頻率啟動(dòng)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換結(jié)束檢查讀取數(shù)據(jù)。唯一不同于上位機(jī)的地方是下位機(jī)采用了ICP輸入捕捉中斷，輸入信號(hào)的上升沿時(shí)Ti

66、mer1內(nèi)置的計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，程序還開通了輸入捕獲噪聲抑制器，只有在輸入捕捉信號(hào)連續(xù)4次采樣都有效時(shí)，輸入捕獲標(biāo)志位才置位。需要注意的是相鄰兩次捕捉操作間的間隔不得小于中斷響應(yīng)時(shí)間與中斷服務(wù)程序執(zhí)行的時(shí)間之和。 4.3手動(dòng)功能設(shè)計(jì) 圖4.3手動(dòng)程序流程圖 手動(dòng)控制的程序流程圖如圖4.3所示，實(shí)現(xiàn)了遙控裝置的完車、停車、備車的手動(dòng)操作控制。上位機(jī)和下位機(jī)的手動(dòng)控制程序流程圖都一樣，都是按著上述思路進(jìn)行函數(shù)的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)功能的。 4.4遙控功能設(shè)計(jì) 圖4.4 下位機(jī)遙控程序流程圖 上位機(jī)的遙控功能函數(shù)比較簡(jiǎn)單，不需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行直接的智能控制。故只給出下位機(jī)的遙控功能函數(shù)，以說明系統(tǒng)式如何針對(duì)不同的轉(zhuǎn)速，對(duì)電機(jī)進(jìn)行智能控制的。下位機(jī)的遙控控制程序流程圖如圖4.4所示。 4.5 參數(shù)的測(cè)量與設(shè)備的控制 4.5.1轉(zhuǎn)速的測(cè)量 轉(zhuǎn)速的測(cè)量是對(duì)柴油轉(zhuǎn)速的檢測(cè)。通過電磁傳感器將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成方波信號(hào)，然后ATmega16去對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。即將一個(gè)磁鐵固定在柴油機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，然后使電磁傳感器探頭與轉(zhuǎn)軸保持約1cm的距離。電磁測(cè)速傳感