【文章內(nèi)容簡介】 要完成吸水及排水 的工作 因此需要采用齒輪式水泵， 齒輪式 水泵可以通過電機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)正反方向吸排水， 操作簡單，缺點是功率較小，耐壓力小，而普通柱塞是水泵功率大，耐壓力大，但是正反向吸排水較困難，因此 該方式采用的是齒輪式水泵， 實驗實物 如圖 22 所示 。 方案三： 采用 水下平臺 左右兩側(cè)安裝舵板的方式 。 通過機翼傾斜的角度，在 水下平臺前進(jìn)過 程中，由于水的反作用力而下潛。實驗實物 如圖 23 所示 。 圖 22 氣囊式潛水實物圖 圖 23舵板式潛水圖 方案比較： 方案一中在垂直方向安裝渦輪的 方式 需要渦輪的驅(qū)動電機具有足夠的扭矩以及轉(zhuǎn)速，性能要求較高， 且 水下平臺 采用內(nèi)置 電池供電，在實際的試驗中發(fā)現(xiàn)內(nèi)置電池不足以同時為三部渦輪電機提供足夠的扭矩來推動 水下平臺 下潛，且電機 消耗過大導(dǎo)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 致系統(tǒng)不能正常工作。方案二中內(nèi)置氣囊通過吸排水改變 水下平臺 密度使 水下平臺 能夠穩(wěn)定在水下某個位置，效果較理想， 但是 通過試驗結(jié)果分析氣囊式 需要性能較高的 齒輪式 水泵完成吸排水工作， 但是由于吸排水過程導(dǎo)致 水下平臺 內(nèi)氣壓發(fā)生變化， 可能 造成 水下平臺 漏水，損壞控制電路，造成系統(tǒng)崩潰 。 但在防水工作做好的前提下優(yōu)先采用該方案 。方案三中采用 水下平臺 兩側(cè)安裝機翼的方式能夠改變 水下平臺 行進(jìn)角度 在助推器的推動 下能夠完成潛浮的動作 要求。因此 水下平臺 的潛浮模塊選擇 方案二和 方案三作為主要實施方案。 方案一 :采用內(nèi)部負(fù)重 的方式 。在 水下平臺 內(nèi)部填充配重物體，以改變 水下平臺 自身密度，從而達(dá)到改變 水下平臺 在水中的臨界位置。 圖 24內(nèi)部負(fù)重方式圖 方案二 :采用外部負(fù)重方式。在外 部下側(cè)夾帶負(fù)重腔，可以隨時添加或 除去 配重物體，方便在調(diào)試階段，以及在不同水質(zhì)不同密度下隨時改變自身密度，改變潛浮的初始位置。 圖 25外部配重方式圖 方案比較： 方案一中采用內(nèi)部負(fù)重的方式，既保持了 水下平臺 具有良好的平衡性，又青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 減少水中阻力，并且外表較為美觀 。 但在不同水質(zhì)環(huán)境下，水的浮力不同在改變自身密度方面較為復(fù)雜。方案二采用外部負(fù)重的方式，能夠隨時改變 水下平臺 負(fù)重 ，從而 較方便的改變 水下平臺 的 密度， 以 達(dá)到理想漂浮效果 。 但外部負(fù)重極易造成 水下平臺 受到阻力，且易發(fā)生纏繞，造成系統(tǒng)崩潰。所以采用方案一較為合 適。 方案一： 采用 SRWF1 無線串口通訊模塊 。 進(jìn)行上位機與下位機的通訊，完成對 水下平臺 運動的控制功能的實現(xiàn)，并且將傳感器測得數(shù)據(jù)傳送到上位機。 圖 26 RWF1無線模塊 方案二： 采用 NRF2401 無線模塊進(jìn)行上位機與下位機的通訊工作。 圖 27 NRF2401無線模塊 方案比較： 方案一中選用 SRWF1 無線串口通訊模塊 。 鑒于系統(tǒng) 水下平臺 在水下運行，信號的傳送需要非常穩(wěn)定以保證系統(tǒng)能夠正常 運行， SRWF1 系列無線模塊有長達(dá) 15cm左右的外置天線，可以通過導(dǎo)線接到 水下平臺 外 部減少了水對信號的干擾和屏蔽作用，傳輸青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 距離 最遠(yuǎn) 可以達(dá)到 2020 米，且為串口通信方式，使用簡單，使用的 I/O 也相 較少 。而方案二中使用的 NRF2401 無線模塊傳送距離為 200 米，且須在無遮擋物的狀態(tài)下， 并 且對NRF2401 的控制需要 8 個 I/O，占用的 I/O 口較多，并且傳輸距離較短信號較弱，不 符合系統(tǒng) 水下平臺 的設(shè)計要求。因此采用方案一。 轉(zhuǎn)向 部分設(shè)計 方案一 :水下平臺 轉(zhuǎn)向采用船舵的方式 。 在 水下平臺 下后方安裝 12*10 的矩形板 ， 利用矩形板的方向的偏轉(zhuǎn) ， 產(chǎn)生反方向的作用力 ， 同時配合 水下平臺 主渦輪助推器， 推動 水下平臺 方向偏轉(zhuǎn) ， 完成轉(zhuǎn)向的動作。 圖 28轉(zhuǎn)向舵機 方案二 :水下平臺 轉(zhuǎn)向采用渦輪推動的方式 。 在 水下平臺 前方左右兩側(cè)安裝可以正反轉(zhuǎn)的渦輪，通過渦輪轉(zhuǎn)動推動水流，產(chǎn)生反作用力從而推動 水下平臺 配合主渦輪助推器完成水下平臺 轉(zhuǎn)向。 圖 29轉(zhuǎn)向渦輪 方案三 : 水下平臺 轉(zhuǎn)向采用水泵正反向吸 排水推動水流的方式 。 在 水下平臺 內(nèi)部安裝水泵通過吸水以及排水產(chǎn)生的反作用力，配合 水下平臺 主渦輪助推器完成轉(zhuǎn)向的動作。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 圖 210水泵吸水口及排水口圖 方案比較 :上述方案一中船舵的方式較易安裝和調(diào)試，也可及時觀察其 運行過程中 狀態(tài) ，方案二中的渦輪推動的方式作用效果明顯，動力充足，但是由于 水下平臺 是在水下運行，須做好防水方式措施，經(jīng)過一系列實驗該方案中需采用大功率特種防水電機，其成本相對本設(shè)計的要求較高，且體積較大 。 方案三中水泵吸水以及抽水產(chǎn)生的反作用力與方案二中 效果 相似， 也 需要較大功率的水泵才能 完成。因此需采用方案一中的船舵的轉(zhuǎn)向方式較為合適。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 系統(tǒng)總體設(shè)計 硬件 電路 設(shè)計 系統(tǒng) 水下平臺 內(nèi)部電路由電源模塊、單片機最小系統(tǒng)模塊、電機驅(qū)動模塊、 DS18B20溫度檢測模塊、 SRWF1 無線收 發(fā)模塊等組成 。 其中電源模塊作為系統(tǒng)內(nèi)部的動力來源，主要為單片機最小系統(tǒng)及舵機和 SRWF1 無線模塊供電，保證系統(tǒng) 水下平臺 控制與接收發(fā)射部分正常運行 。 L298N 則作為執(zhí)行機構(gòu)，帶動渦輪轉(zhuǎn)動，推動 水下平臺 前進(jìn) 。 SRWF1作為串口無線通訊模塊用于接收上位機（ PC）通過串口發(fā)送的指令，將數(shù)據(jù)傳送給單片機最小系統(tǒng)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后執(zhí)行相應(yīng)指令動作。系統(tǒng)電路總體原理圖如圖 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穩(wěn)壓電源STC89C52RC 單片機最小系統(tǒng)L298N 電機驅(qū)動模塊TXDRXDVCCGND天線*SRWF1VCC12P3天線無線模塊DQ2GND1VCC3U6DS1820+5R1010K+5溫度DS18B20C1+1C13C2+4C25T1in11T2in10R1out12R2out9V+2V6T1out14T2out7R1in13R2in8VCC16GND15MAX232C6105C5105TXDRXDC7105C8105VCC1234567891110DB2D Connector 9R232_TXR232_RXTXD1DTR2RTS3VDD4RXD5RI_N6GND7NC8DSR_N9DCD_N10CTS_N11SHTD12E_CLK13E_DA14DP(D+)15DM(D)1617GND18NC19VCC20GND21TRI_S22LD_M23NC24GND_A25PLL_TE26OSC127OSC228U4PL2303R2627R2527C4Y112MC920PC1020PC14100uFVCC1D2D+3GND4U8USBC8VCCR272K 圖 31系統(tǒng)總體電路設(shè)計原理圖 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 軟件 設(shè)計 圖 32系統(tǒng)總體控制設(shè)計圖 首先由上位機通過軟件發(fā)送控制指令，并通過串口無線模塊發(fā)送，由下位機通過串口無線模塊接收到數(shù)據(jù)指令，下位機 的單片機 接收到指令后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，分析 SBUF的數(shù)值， 執(zhí)行相應(yīng)的動作指令，完成水下行進(jìn)以及數(shù)據(jù)采集等動作。 由于水下阻力較大，因此需要采用大功率電池以保證電源有較大電流輸出，以保證系統(tǒng)正常運行。 SRWF108無線模塊 STC89C52單片機控制系統(tǒng) L298N電機驅(qū)動 轉(zhuǎn)向舵機 大功率電池 上位機（ PC） 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 圖 33系統(tǒng)總體程序流程圖 系統(tǒng)首先在上位機軟件控制界面點擊對應(yīng)的 按鈕發(fā)送相關(guān)指令，在接收到上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)指令后單片機最小系統(tǒng)會產(chǎn)生串口中斷 。 在串口中斷產(chǎn)生后，將數(shù)據(jù)緩沖區(qū) SBUF的值賦給臨時變量 Temp 將數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)存儲之后繼續(xù)等待下一次中斷產(chǎn)生，同時開始掃描 Temp 的值，判斷是什么數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的指令， 執(zhí)行相應(yīng)的動作 ，完成整個系統(tǒng)工作流程。 初始化 判斷是否有中斷產(chǎn)生 掃描 SBUF 判斷鍵值 是 否 前進(jìn)指令 后退指令 上浮指令 下潛指令 讀取參數(shù) 渦輪反 側(cè)翼下 側(cè)翼上 信息 右轉(zhuǎn)指令 左轉(zhuǎn)指令 尾翼右 渦輪 正 尾翼左 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 系統(tǒng) 各部分 硬件設(shè)計 設(shè)計 因水中阻力較大，舵機帶動轉(zhuǎn)向 舵 板轉(zhuǎn)動受到較大阻力，需要穩(wěn)定的電壓以保證舵機能夠正常運行 。 因此穩(wěn)壓電源模塊采用直流 大功率電池 轉(zhuǎn)換 為 5V 電壓。該 穩(wěn)壓電源模塊 采用 LM2596 穩(wěn) 壓芯片經(jīng) 電源轉(zhuǎn)換為 5V 穩(wěn)壓電源，主要為轉(zhuǎn)向舵機及 CPU 提供穩(wěn)定電壓 ， 以保證系統(tǒng)正常運行 。 電路原理圖 及實物 如圖 41 所示： Vin1