摘 要

水路运输是各国传统商业贸易往来中最主要的运输方式，即使在空运和陆运如此发达的今天，水路运输在大宗货物运输方面的地位仍是不可取代的。随着科技的快速发展，现代的造船技术更加先进，不管在航行速度上还是在船舶载重量规模上都有了很大的提高，这也意味着船舶对通航环境有了更高的要求，任何一个外在的可视信号出现差错，都会带来严重性的后果。海上雾罩大，可视度低，航行环境复杂，船舶航行信号灯作为最直接的可视信号，对船舶的安全航行起到决定性的作用。通过航行信号灯，可以了解到外界船只此时的状态、位置等信息，以及接下来的航行意图，以便及时作出应对措施，因此保证船舶航行信号灯的正常工作是船舶能够安全航行的关键。

本文主要介绍了航行信号灯断丝无线报警系统的设计和实现方法，系统以STC89C52RC单片机为控制处理单元，断丝检测电路为航行信号灯的灯丝状态检测模块，基于nRF905无线收发模块完成数据的无线传输。系统采用多个从站、一个主站到PC机的三层分布式监测结构，每个从站的监测点为8个，最多可以设置256个从站，检测能力为8～2048个点^[1]。从站与主站采用基于nRF905射频芯片的无线通讯技术进行数据传输，主站与PC机通过串口进行通讯^[2]。从站负责采集各路航行信号灯的灯丝状态信息，当有航行信号灯处于断丝状态时从站立即报警，并将检测到的信息发送到主站，主站对来自从站的所有信息进行处理后，通过UART串口发送到PC机。在PC机的人机界面中将航行信号灯的灯丝状态信息直观的显示出来，使控制室中能够实时监测到各路航行信号灯的灯丝状态。

关键词：STC89C52RC单片机；nRF905无线收发模块；航行信号灯；断丝检测；分布式监控

Abstract

Water transport is the most important mode of transportation in the traditional trade between countries. Even today, air transport and land transport are so advanced that the role of water transport in the transport of bulk cargo is still irreplaceable. With the rapid development of science and technology, modern shipbuilding technology has become more advanced. Regardless of whether it is on the speed of navigation or on the scale of the ship’s carrying capacity, it has greatly improved. This also means that ships have higher requirements for the navigable environment. Any errors in an external visual signal can have serious consequences. With large fog cover at sea, low visibility, and complicated navigational environment, ship navigation lights are the most direct visual signal and play a decisive role in the safe navigation of ships. By means of navigation lights, information on the status, position, etc. of the external vessels at this time and the subsequent voyage intentions can be known, so that timely response measures can be taken. Therefore, ensuring the normal operation of the ship navigation lights is the key to the safe navigation of ships.

This thesis mainly introduces the design and implementation of the wireless alarm system for the broken signal of the navigation lights. The system uses the STC89C52RC as the control processing unit, and the broken wire detection circuit is the state detection module of the navigation light filament. The wireless data transmission based on the nRF905 wireless transceiver module is completed. The system uses a three-tier distributed monitoring structure with multiple slave stations, a master station to a PC, and each station has 8 monitoring points. A maximum of 256 slave stations can be set up, and the detection capability is 8 to 2048 points^[1]. The slave station and the master station use the wireless communication technology based on nRF905 radio frequency chip to carry on the data transmission, the master station and the PC machine carry on the communication through the serial port^[2]. The slave station is responsible for collecting the filament status information of each navigation signal. When the navigation signal is in the broken state, the slave station immediately reports an alarm. The slave station sends the detected information to the master station. The master station processes all the information from the slave station. After the UART serial port sent to the PC. In the PC man-machine interface, the filament status information of the navigation signal is visually displayed, so that the status of the filaments of each navigation signal lamp can be monitored in the control room in real time.

Keywords: STC89C52RC single-chip microcomputer; nRF905 wireless transceiver module; navigation signal light; broken wire detection; distributed monitorin

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 相关技术国内外研究现状 2

1.3 本论文研究的内容及论文结构安排 2

第2章 总体方案设计及相关芯片介绍 4

2.1 方案论证 4

2.2 航行信号灯断丝无线报警系统总体实现方案 4

2.3 STC89C52RC单片机介绍 6

2.4 nRF905无线收发模块 7

2.5 电压调整器LM1117-3.3 9

2.6 TTL转USB电平芯片CH340G 9

2.7 本章小结 10

第3章 航行信号灯断丝无线报警系统硬件设计 11

3.1硬件电路总体构架 11

3.2 航行信号灯断丝检测电路 12

3.3 电源检测电路 12

3.4 声光报警电路 13

3.5 单片机最小系统电路 14

3.6 电源转换模块及nRF905引脚连接电路 15

3.7 单片机串口通信电路 16

3.8 从站子系统 16

3.9 主站子系统 17

3.10 本章小结 18

第4章 航行信号灯断丝无线报警系统软件设计 19

4.1 总体软件构架 19

4.2 从站子系统程序 20

4.3 主站子系统程序 22

4.4 PC机人机界面显示系统程序 23

4.5 本章小结 25

第5章 航行信号灯断丝无线报警系统仿真 26

5.1 电源检测电路仿真 26

5.2 断丝检测电路仿真 27

5.3 人机界面 27

第6章 总结与展望 29

6.1 总结 29

6.2 展望 29

参考文献 31

致谢 32

附录A 源程序 33

附录B 系统总体电路图 51

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

在水路运输中，由于航行环境比较复杂，能否及时获取到外界船舶航行状态信息是能否安全航行的关键。船舶航行信号灯能对外界显示船舶此刻的位置、状况、船只大小以及接下来的航行方向等信息，是船舶对外最直接的可视信号。但由于航行信号灯的工作环境比较恶劣，很容易出现各种问题，比如潮湿的海上环境容易造成供电电路的短路，颠簸的船舶容易造成航行信号灯的断丝，这些环境因素造成船舶航行信号灯的故障率高，因此正确设置航行信号灯断丝检测系统，确保航行信号灯正常工作对船舶安全航行至关重要。

早期在航行信号灯的控制系统中，主要以继电器为主要控制元器件，对航行信号灯的断丝检测都是通过电流继电器来完成。由继电器组成的断丝检测系统功耗很大，硬件电路接线多，电路复杂，组成的系统体积比较大，成本也高。在工作方式上，继电器的开关功能是靠触点的动作来实现的，不适合高频率的工作状态。触点开闭多次以后还会导致机械磨损，存在抖动等问题，在海上工作环境中容易受潮，使用寿命不高，维修成本也大。另外，早期以继电器为主要控制元器件组成的航行信号灯断丝检测系统没有通讯接口，不能和其他设备进行通讯，不能将航行信号灯的工作状况记录下来，从而不方便在控制室中对航行信号灯的状态进行监测、显示和报警，给故障诊断和日后维修带来不便。

随着电力电子技术的发展和大量集成芯片的产生和广泛应用，目前由微处理器，电力电子元器件，现场通讯总线等组成的新型航行信号灯断丝报警系统已经得到广泛的应用。这些新型的断丝报警系统结构简单，体积小，能记录航行信号灯的工作情况，及时的进行通讯、显示、监测和报警，抗外界干扰能力强，平均无故障工作时间长，能对发生故障的信号灯位置进行定位显示，有利于及时维护。但这种新型断丝报警系统的不足之处是:对航行信号灯灯丝断丝等报警信息的反馈，从底层各级监测站到VDR（航行数据记录仪）均采用接线式，通讯电缆线多，布线复杂，成本也比较高，维护难度大，且不宜大量布置监控点。为了解决这些问题，本文提出把无线通讯技术引入到航行信号灯断丝报警系统的设计方案。

与有线报警系统相比，基于无线通讯技术的无线报警系统具有布点灵活、安装方便、系统易于扩容、抵抗环境因素破坏能力强等优点，因此基于无线通讯技术的航行信号灯断丝无线报警系统能够很好的适应航行信号灯的工作环境。在所需监控的场合中，只需要在各检测电路连接上各种功能的传感器，通过各种不同检测功能的传感器组合，即可组成一个具有多种监测功能的无线数据采集报警系统，可广泛应用在工矿、商店、银行、仓库等需要进行数据采集监控的场合。

1.2 相关技术国内外研究现状

人类利用船舶走向茫茫大海，去探索世界，从而发现了新大陆，可以说这是文明传播的开始，船舶开启了海洋文明的新篇章。在古代，海上航行没有卫星导航系统，没有各种先进的现代导航装置，基本上都是依靠灯塔和航行信号灯来指引航行方向和获取外界信息，即使在今天，仍然可以看到很多古时的灯塔，这是历史的印记。在遥远的中国古代，航行信号灯不像今天那样五颜六色、多姿多彩，最起初它只是一盏简陋的油灯，挂在船头，向过往船只显示此刻的航行方向和位置信息。在现代的船舶中，航行信号灯的种类和功能都逐渐多样化，不同的信号灯可以展现不同的信息，有的用于向外界展示船舶的大小及高度，有的用于表明船舶的航行意向及航行速度，大规模船舶航行信号灯的数量甚至会达到上百个，因此对航行信号灯进行控制、工作状况监测一直是人们研究的热点。

目前，国内外对航行信号灯进行工作状态监测的手段因技术层面的差别而各有所不同，在发达国家，基本上采用的是先进的电子装备对船舶航行信号灯的工作状态进行监测，有些更先进的，还会利用计算机来进行状态显示，同时利用成熟的触摸屏技术对航行信号灯进行控制，总体来说，这些航行信号灯监测控制器基本上步入了高度自动化的时代，不仅拥有状态检测，还具有远程控制的功能，但在数据传输方面都还是采用了传统的有线传输方式。而在国内，造船企业在配置这些装置时，提供的产品基本上都是利用PLC作为处理控制器，再加上开关、继电器等外围器件构成的监测控制装置，少数部分会采用以单片机为处理器构成的控制装置。这些由传统元器件构成的监测控制装置体积庞大、成本高、现场布线多，而且工作可靠性不高，容易因海上恶劣的工作环境而损坏，后期会耗费极大的维修成本，同时，由这些传统元器件构成的装置也不能满足于现代船舶对于越来越高的自动化程度的要求，因此利用由单片机等新型元器件组成的监测控制装置是目前国内的主要研究方向。

1.3 本论文研究的内容及论文结构安排

本课题主要是对航行信号灯断丝无线报警系统进行设计说明，在掌握单片机电路设计技术的基础上，选择合适的CPU和无线通讯协议设计出能对船舶航行信号灯的灯丝状态进行监测的断丝无线报警系统，系统具有灯丝断丝检测和断丝报警功能。在课题中，将成熟的无线通讯技术和远程监控技术相结合，提出了一套对航行信号灯灯丝状态信息进行采集和无线传输到PC机进行监控的可行方案。

整个系统基于低功耗、低成本、体积小、数据传输稳定、系统可靠运行的原则进行设计。根据每个模块的功能，完成各部分硬件电路的设计，编制电路主体模块程序，并在面向对象程序设计软件环境中可视化显示航行信号灯灯丝状态。

无线通信技术是本设计的一个重点，同时也是一个难点，采集到的数据需借助可靠的无线数据传输手段传送到监控端，才能实现正真意义上的远程无线监控，因此要选出合适的无线通信技术、可靠的通信协议，才能确保系统的正常运行。

本论文将由六个章节组成，各个章节的具体内容安排说明如下：

第1章，为绪论，介绍了在当前国内外研究现状及技术背景下研究本课题的目的及意义，对课题的研究内容及方向进行了阐述，最后对整体论文行径进行了规划。

第2章，系统总体方案设计及相关芯片介绍，根据模块化设计思路，提出了系统的总体实现方案。将整体系统根据不同功能划分为各个模块，再对每个模块进行设计，简化设计过程，降低设计难度，最后对系统涉及到的芯片进行了相关说明。

第3章，为系统的硬件部分设计，着重分析了断丝检测电路、电源检测电路等硬件电路模块的元件组成及工作原理。

第4章，为系统的软件部分设计，说明了整体系统的工作流程，绘制出从站和主站的程序框图，并进行了程序的编写。

第5章，展示了系统部分电路及显示界面进行仿真调试的结果。

第6章，对全文进行总结并提出了本设计的不足之处。

第2章 总体方案设计及相关芯片介绍

2.1 方案论证

（1）有线传输与无线传输的比较

在早期，无线数据传输技术发展不成熟，很多工控行业的数据采集基本上都采用有线传输方式，因此无线传输没有得到大范围的使用。直到二十世纪九十年代，无线通信技术迅猛突起，并走向成熟。因为成本低、布点灵活、数据传输稳定等特点，无线通信技术在很多领域取代了有线传输方式，种类也更是多种多样。本系统的工作环境在海上，由于环境潮湿等外界因素影响，采用有线数据传输的方式面临现场布线多、成本高、容易发生线路损坏等问题，不便于后期的维修维护，而成熟的无线通信技术恰好能解决有线传输面临的这些问题，所以本系统将采用无线数据传输的方式。

（2）控制处理器的选择

在工业控制中，常用到的控制处理器有单片机和PLC，但就本系统而言，采用PLC作为控制处理器成本太高，需要接入很多外围电路，布线复杂，同时系统中监测点比较多，即使添加了无线通信模块的PLC也不容易实现多机无线通信，所以本系统采用单片机作为控制处理器。单片机的种类很多，因为本系统需要处理的信息强度不大，也不需要复杂的功能，完全没必要用到ARM芯片，所以只要用一般的51单片机即可实现。

2.2 航行信号灯断丝无线报警系统总体实现方案

系统将利用单片机作为信息采集处理器和控制器，控制无线收发模块的数据传输，在PC机的人机界面中实现远程监控，按照模块化设计原理，根据不同功能对整体系统进行模块划分，这大大降低了设计难度，简化了设计过程，进行模块划分后的系统将由以下几个部分来组成：

（1）航行信号灯供电电源检测模块

首先检测模块需要有电源供电状态检测的功能，只有在航行信号灯电源供电正常的情况下进行断丝检测才有意义。

（2）断丝检测模块

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