基于單片機的新型海警艦艇電子舵角指示儀

摘要：現有海警艦艇的舵角指示技術多采用自整角機舵角指示系統，此類舵角指示裝置不僅體積質量大，傳動機構復雜，而且指示精準度也不高。針對上述不足，提出一種電子舵角指示方法，設計了基于單片機的新型舵角指示系統。實驗研究結果表明，該電子舵角指示儀方法可靠，舵角指示系統結構合理、指示精度高、響應靈敏，且設計的聲光報警系統報警準確、及時。在海警艦艇、公務用船及其他民用船只上有很大的推廣應用價值。
關鍵詞：舵角指示儀；海警艦艇；角度傳感器；C8051F020單片機

0 引言
隨著我國對海洋的日益重視，公安海警艦艇部隊不斷壯大，海警的裝備也有了長足的發展，千噸級以上的大艦不斷裝備到海警部隊，為海警部隊完成國家所賦予的任務提供了有力的保證。然而，綜觀海警大艦的來源，除少部分是通過部局與地方政府聯合建造外，如1001艦，多數是通過對海軍退役艦艇的改造而列編的。一個突出的問題——艦艇裝備的自動化程度比較落后，對海警部隊完成海上執勤執法任務提出了挑戰。而舵角指示裝置是其中較為突出的問題之一。
眾所周知，現有海警艦艇的舵角指示技術多采用自整角機舵角指示系統，此類舵角指示裝置不僅體積質量大，傳動機構復雜，而且指示精準度也不高。因此，對海警艦艇的舵角指示系統進行自動化和可靠性改造已是顯得十分迫切。
本文在分析現有海警艦艇舵角指示系統存在不足的基礎上，提出了一種新型的電子舵角指示方法，設計了基于單片機的新型舵角指示系統，并設計和制造了舵角指示儀樣機，并進行了自動化、指示精度和可靠性研究。

1 設計思想
舵角指示器是用來測量顯示艦艇舵葉轉角和方向的儀器，現有海警中型艇多數還在使用自整角機舵機指示系統。此類舵角指示器主要用于精度較低的指示系統，其指示精度、噪音等級、制造成本以及保養維修要求都存在明顯的不足。首先，自整角機式舵角顯示系統單元多由單相激磁繞組的小型異步電動機、電纜線和指示儀表盤等構成。其系統線路接線較為復雜，還需要較大電壓供電，因此消耗電能大，故障機率高；其次，此類舵角指示系統指示精度不高。自整角機的定子和轉子線圈是采取微行滑環，存在接觸不良的問題，指示器表針使用電磁機構，容易受到外界磁場的干擾，要經常校零，精確度不夠高；再次，就經濟性而言此類舵角指示器成本較高。
針對上述不足，提出了一種基于單片機的新型的電子舵角指示方法，即基于角度傳感器和單片機的電子舵角指示系統。其基本原理是：通過角度傳感器檢測舵角的轉角信號，然后在單片機中進行A／D轉換，按預先設計的程序，經計算后輸出相應的信號，并通過液晶顯示器顯示舵角的所處的位置。實現了艦艇舵角及顯示的數字化，具有技術先進、成本低、功耗小、反映速度快、測量精度高、低噪音、故障率低、壽命長、配套靈活、使用維護修理方便等優點，克服了現有海警艦艇舵角指示器的不足，有極大的推廣應用價值。

2 設計原理及方案
2．1 設計原理
系統采用模塊化設計，由電源模塊、角度傳感器、單片機、顯示模塊和報警模塊等組成。電源模塊向系統提供5 V直流電，并控制系統的通斷；角度傳感器模塊及其指針式角度表采集舵角度信息，并傳輸到C8051F020單片機；單片機模塊將輸出信號進行A／D轉換，把模擬量轉換為數字量，按一定的控制規律進行計算，并把結果傳輸送液晶顯示器顯示出舵角結果；報警模塊在舵角超過到極限角度35°時，發出聲光報警，保證操舵系統的安全。
2．2 系統框圖
電子舵角指示系統的框圖如圖1所示，控制程序框圖如圖2所示，聲光報警模塊電路圖如圖3所示。