科技館展品“潛水艇”的故障診斷及其改造方案

黎 堅，張羅強

東莞市科學技術博物館，廣東東莞 523075

隨著科學技術的不斷進步和自動化程度的日益提高，單片機憑借其成本相對較低，可開發性強，功能多樣化，在電力電子和實時對象控制中得到了廣泛的應用。目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，計算機的網絡通訊與數據傳輸，錄像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具等等，這些都離不開單片機。我館的展品正是利用單片機這一特點開發出來的。

1 展品概述

1.1 展品展示效果描述

展項由操作臺、潛水艇模型和盛水容器構成，觀眾可以通過操作臺上的上浮、下潛和前進、后退以及左右轉向操作桿來控制潛水艇模型在水中以三維方向航行。潛水艇模型的動力由模型內部的鋰電電池組供給，控制采用聲納遙控技術和無線電技術來實現。展品主要展示密度變化引起沉浮的現象。潛水艇通過先進的聲納遙控裝置來控制潛水艇在水中下沉、上浮、前進、后退、左轉和右轉，使展品對潛水艇的展示更完整，更具有科技性和參與性。

1.2 展品控制系統介紹

潛水艇展項由充電系統、聲納遙控裝置、控制系統、執行機構等構成。

充電系統用于給展項的鋰電組充電，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，聲納遙控裝置發出調制后的控制數據，而位于潛水艇中的數據接收器解調出所含的控制信息，再通過控制系統對數據進行處理，從而控制執行機構動作其中包括提供模型動力的直流電機，給排水泵以及氣囊等。

控制系統由單片機控制實現，此展項分兩部分，操作臺控制系統和潛水艇控制系統兩部分。分別處理各自的運行指令。潛水艇具有防滲透，防銹能力。

2 現狀

我館的展品“潛水艇”是深受游客歡迎的互動展品之一，經過三年多的運行，發現原有的控制系統對電池的保護和信號控制等方面存在很多不足，且缺乏模塊化的設計，在出現故障時，排查線路和檢測元件的工作量相當大，不易復原。再加上“潛水艇”外表已經老化，漏水嚴重，造成艇內大部分元器件損壞，無法控制。

3 故障分析與改造方案

在供應商無法對其做出改造或提供改造方案的前提下，我們通過仔細研究分析該展品的故障原因，為更好地與游客互動，經過可行性分析，決定有針對性地對其進行改造，即在除了原模型的外型和結構不變下，重新設計電子電路，對“潛水艇”的核心系統做出全面的改造，讓“潛水艇”能再次“服役”。

全新的“潛水艇”還是采用單片機電路作為主要控制電路，從實際情況出發，應用模塊化電路的設計理念，加入了遙控發射接收電路，充放電保護電路，二級保護電路和電源不足指示電路等模塊，各模塊既獨立又統一，使系統運行更加可靠、穩定，且便于以后對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）操作臺控制系統CPU損壞

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

2）無線收發模塊故障

全新的遙控發射電路安裝在展品的控制臺，應用較為常見而且相對穩定的PT2262作為發射電路的主要組成，由于“潛水艇”的前進和后退是同一電機的正反轉，為消除人為誤操作和電路故障引致的短路現象，外圍電路用繼電器實現互鎖。如圖2所示：

圖2 控制臺遙控發射電路

圖3 電池充放電保護電路

3）電池損壞無法充電

為了避免鋰電池的過充電和過放電的不安全問題，并防止鋰電池特性劣化，應對鋰電池的充放電作適當的處理，故在主電路加入電池充放電保護電路，如圖3所示。

4）電池電壓過低

為方便展教員在電源不足時及時充電，以及避免反復對鋰電池充電，延長鋰電池的使用壽命，故加入電壓不足指示電路，如圖4：

根據公式：Uout=R1*UI/(R1+R2) 對電池電壓進行檢測，當電池電壓小于Uout時（本設計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 改造后運行情況

自2010年下半年對“潛水艇”展品的控制部分重新設計改造后，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，運行至今未出現電氣故障，運行狀態良好，提升了展品的展示效果。

[1]張永格.基于AT89S51單片機的無線遙控開關設計與實現，2011,33(4).