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。