科技馆展品“潜水艇”的故障诊断及其改造方案

黎 坚，张罗强

东莞市科学技术博物馆，广东东莞 523075

随着科学技术的不断进步和自动化程度的日益提高，单片机凭借其成本相对较低，可开发性强，功能多样化，在电力电子和实时对象控制中得到了广泛的应用。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，计算机的网络通讯与数据传输，录像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具等等，这些都离不开单片机。我馆的展品正是利用单片机这一特点开发出来的。

1 展品概述

1.1 展品展示效果描述

展项由操作台、潜水艇模型和盛水容器构成，观众可以通过操作台上的上浮、下潜和前进、后退以及左右转向操作杆来控制潜水艇模型在水中以三维方向航行。潜水艇模型的动力由模型内部的锂电电池组供给，控制采用声纳遥控技术和无线电技术来实现。展品主要展示密度变化引起沉浮的现象。潜水艇通过先进的声纳遥控装置来控制潜水艇在水中下沉、上浮、前进、后退、左转和右转，使展品对潜水艇的展示更完整，更具有科技性和参与性。

1.2 展品控制系统介绍

潜水艇展项由充电系统、声纳遥控装置、控制系统、执行机构等构成。

充电系统用于给展项的锂电组充电，保证潜水艇的能源供给。

声纳遥控装置用于控制潜水艇的水中航行，或上浮或下沉，声纳遥控装置发出调制后的控制数据，而位于潜水艇中的数据接收器解调出所含的控制信息，再通过控制系统对数据进行处理，从而控制执行机构动作其中包括提供模型动力的直流电机，给排水泵以及气囊等。

控制系统由单片机控制实现，此展项分两部分，操作台控制系统和潜水艇控制系统两部分。分别处理各自的运行指令。潜水艇具有防渗透，防锈能力。

2 现状

我馆的展品“潜水艇”是深受游客欢迎的互动展品之一，经过三年多的运行，发现原有的控制系统对电池的保护和信号控制等方面存在很多不足，且缺乏模块化的设计，在出现故障时，排查线路和检测元件的工作量相当大，不易复原。再加上“潜水艇”外表已经老化，漏水严重，造成艇内大部分元器件损坏，无法控制。

3 故障分析与改造方案

在供应商无法对其做出改造或提供改造方案的前提下，我们通过仔细研究分析该展品的故障原因，为更好地与游客互动，经过可行性分析，决定有针对性地对其进行改造，即在除了原模型的外型和结构不变下，重新设计电子电路，对“潜水艇”的核心系统做出全面的改造，让“潜水艇”能再次“服役”。

全新的“潜水艇”还是采用单片机电路作为主要控制电路，从实际情况出发，应用模块化电路的设计理念，加入了遥控发射接收电路，充放电保护电路，二级保护电路和电源不足指示电路等模块，各模块既独立又统一，使系统运行更加可靠、稳定，且便于以后对故障部分的排查与维修。

主要故障原因及其解决方法如下：

1）操作台控制系统CPU损坏

全新控制系统的主要电路应用了AT89C52作为主要处理芯片，利用其I/O口与其他设计的电路模块进行拼接，使得电路清晰，且便于排查故障和维修。部分代码如图1：

2）无线收发模块故障

全新的遥控发射电路安装在展品的控制台，应用较为常见而且相对稳定的PT2262作为发射电路的主要组成，由于“潜水艇”的前进和后退是同一电机的正反转，为消除人为误操作和电路故障引致的短路现象，外围电路用继电器实现互锁。如图2所示：

图2 控制台遥控发射电路

图3 电池充放电保护电路

3）电池损坏无法充电

为了避免锂电池的过充电和过放电的不安全问题，并防止锂电池特性劣化，应对锂电池的充放电作适当的处理，故在主电路加入电池充放电保护电路，如图3所示。

4）电池电压过低

为方便展教员在电源不足时及时充电，以及避免反复对锂电池充电，延长锂电池的使用寿命，故加入电压不足指示电路，如图4：

根据公式：Uout=R1*UI/(R1+R2) 对电池电压进行检测，当电池电压小于Uout时（本设计Uout取12.8V，即R1和R2的比例满足25∶38即可），IC的2脚输出低电平，接在潜水艇的头部的红色指示灯亮，提示充电。

4 改造后运行情况

自2010年下半年对“潜水艇”展品的控制部分重新设计改造后，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，运行至今未出现电气故障，运行状态良好，提升了展品的展示效果。

[1]张永格.基于AT89S51单片机的无线遥控开关设计与实现，2011,33(4).