科技館展品“潛水艇”的故障診斷及其改造方案

黎 堅(jiān)，張羅強(qiáng)

東莞市科學(xué)技術(shù)博物館，廣東東莞 523075

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和自動(dòng)化程度的日益提高，單片機(jī)憑借其成本相對(duì)較低，可開(kāi)發(fā)性強(qiáng)，功能多樣化，在電力電子和實(shí)時(shí)對(duì)象控制中得到了廣泛的應(yīng)用。目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，錄像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具等等，這些都離不開(kāi)單片機(jī)。我館的展品正是利用單片機(jī)這一特點(diǎn)開(kāi)發(fā)出來(lái)的。

1 展品概述

1.1 展品展示效果描述

展項(xiàng)由操作臺(tái)、潛水艇模型和盛水容器構(gòu)成，觀眾可以通過(guò)操作臺(tái)上的上浮、下潛和前進(jìn)、后退以及左右轉(zhuǎn)向操作桿來(lái)控制潛水艇模型在水中以三維方向航行。潛水艇模型的動(dòng)力由模型內(nèi)部的鋰電電池組供給，控制采用聲納遙控技術(shù)和無(wú)線電技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。展品主要展示密度變化引起沉浮的現(xiàn)象。潛水艇通過(guò)先進(jìn)的聲納遙控裝置來(lái)控制潛水艇在水中下沉、上浮、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，使展品對(duì)潛水艇的展示更完整，更具有科技性和參與性。

1.2 展品控制系統(tǒng)介紹

潛水艇展項(xiàng)由充電系統(tǒng)、聲納遙控裝置、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。

充電系統(tǒng)用于給展項(xiàng)的鋰電組充電，保證潛水艇的能源供給。

聲納遙控裝置用于控制潛水艇的水中航行，或上浮或下沉，聲納遙控裝置發(fā)出調(diào)制后的控制數(shù)據(jù)，而位于潛水艇中的數(shù)據(jù)接收器解調(diào)出所含的控制信息，再通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作其中包括提供模型動(dòng)力的直流電機(jī)，給排水泵以及氣囊等。

控制系統(tǒng)由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，此展項(xiàng)分兩部分，操作臺(tái)控制系統(tǒng)和潛水艇控制系統(tǒng)兩部分。分別處理各自的運(yùn)行指令。潛水艇具有防滲透，防銹能力。

2 現(xiàn)狀

我館的展品“潛水艇”是深受游客歡迎的互動(dòng)展品之一，經(jīng)過(guò)三年多的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)原有的控制系統(tǒng)對(duì)電池的保護(hù)和信號(hào)控制等方面存在很多不足，且缺乏模塊化的設(shè)計(jì)，在出現(xiàn)故障時(shí)，排查線路和檢測(cè)元件的工作量相當(dāng)大，不易復(fù)原。再加上“潛水艇”外表已經(jīng)老化，漏水嚴(yán)重，造成艇內(nèi)大部分元器件損壞，無(wú)法控制。

3 故障分析與改造方案

在供應(yīng)商無(wú)法對(duì)其做出改造或提供改造方案的前提下，我們通過(guò)仔細(xì)研究分析該展品的故障原因，為更好地與游客互動(dòng)，經(jīng)過(guò)可行性分析，決定有針對(duì)性地對(duì)其進(jìn)行改造，即在除了原模型的外型和結(jié)構(gòu)不變下，重新設(shè)計(jì)電子電路，對(duì)“潛水艇”的核心系統(tǒng)做出全面的改造，讓“潛水艇”能再次“服役”。

全新的“潛水艇”還是采用單片機(jī)電路作為主要控制電路，從實(shí)際情況出發(fā)，應(yīng)用模塊化電路的設(shè)計(jì)理念，加入了遙控發(fā)射接收電路，充放電保護(hù)電路，二級(jí)保護(hù)電路和電源不足指示電路等模塊，各模塊既獨(dú)立又統(tǒng)一，使系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠、穩(wěn)定，且便于以后對(duì)故障部分的排查與維修。

主要故障原因及其解決方法如下：

1）操作臺(tái)控制系統(tǒng)CPU損壞

全新控制系統(tǒng)的主要電路應(yīng)用了AT89C52作為主要處理芯片，利用其I/O口與其他設(shè)計(jì)的電路模塊進(jìn)行拼接，使得電路清晰，且便于排查故障和維修。部分代碼如圖1：

2）無(wú)線收發(fā)模塊故障

全新的遙控發(fā)射電路安裝在展品的控制臺(tái)，應(yīng)用較為常見(jiàn)而且相對(duì)穩(wěn)定的PT2262作為發(fā)射電路的主要組成，由于“潛水艇”的前進(jìn)和后退是同一電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，為消除人為誤操作和電路故障引致的短路現(xiàn)象，外圍電路用繼電器實(shí)現(xiàn)互鎖。如圖2所示：

圖2 控制臺(tái)遙控發(fā)射電路

圖3 電池充放電保護(hù)電路

3）電池?fù)p壞無(wú)法充電

為了避免鋰電池的過(guò)充電和過(guò)放電的不安全問(wèn)題，并防止鋰電池特性劣化，應(yīng)對(duì)鋰電池的充放電作適當(dāng)?shù)奶幚恚试谥麟娐芳尤腚姵爻浞烹姳Ｗo(hù)電路，如圖3所示。

4）電池電壓過(guò)低

為方便展教員在電源不足時(shí)及時(shí)充電，以及避免反復(fù)對(duì)鋰電池充電，延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命，故加入電壓不足指示電路，如圖4：

根據(jù)公式：Uout=R1*UI/(R1+R2) 對(duì)電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電池電壓小于Uout時(shí)（本設(shè)計(jì)Uout取12.8V，即R1和R2的比例滿足25∶38即可），IC的2腳輸出低電平，接在潛水艇的頭部的紅色指示燈亮，提示充電。

4 改造后運(yùn)行情況

自2010年下半年對(duì)“潛水艇”展品的控制部分重新設(shè)計(jì)改造后，展品存在的故障和不可靠因素得到排除，展品的可靠性和可操控性都得到了很大的提高，運(yùn)行至今未出現(xiàn)電氣故障，運(yùn)行狀態(tài)良好，提升了展品的展示效果。

[1]張永格.基于AT89S51單片機(jī)的無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，2011,33(4).