一种基于WY211S-JQR的船载电视卫星天线跟踪运动系统及控制方法与流程

本发明属于船载电视卫星天线跟踪领域，尤其涉及一种基于wy211s-jqr的船载电视卫星天线跟踪运动系统及控制方法。

背景技术：

在船舶运行中，观看电视节目是船员长时间船上生活中主要的娱乐方式之一。波浪起伏不断改变船舶的姿态，直接影响到电视卫星天线信号接收的连续性，使得接收信号的质量较差，影响观看效果。市场上有比较多的船载卫星天线跟踪系统一般采用我国北斗导航系统和gps提供的位置信息，成本较高。针对船载电视信号的稳定，需要成本低，功耗低。利用电子罗盘也可实现三维定向，价格比较便宜，大幅度降低了成本，电子罗盘由于采用地磁场的工作原理，环境适应性好，与gps、惯性导航系统等其他形式的姿态传感器相比，电子罗盘测量精度相对较差，常规的电子罗盘用在上下波动不大的移动卫星跟踪中尚可，在波动较大时精度不高，为获得相关的低成本、低功耗和稳定性能，需要合理设计利用相关电路并结合相关的控制方法，以期达到较好的低成本的船载卫星天线跟踪效果。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于wy211s-jqr的船载电视卫星天线跟踪运动系统及控制方法。

这种基于wy211s-jqr的船载电视卫星天线跟踪运动系统电路，包括：按键显示模块、控制器模块、电子罗盘信号检测模块、步进电机驱动模块和电源模块；所述步进电机驱动模块包括功率驱动模块和步进电机；所述按键显示模块由按键显示接口芯片、按键接口电路和led显示接口电路组成；所述控制器模块由单片机、复位电路、振荡电路、按键显示接口、步进电机驱动接口和电子罗盘位置检测接口组成；所述电子罗盘信号检测模块由电子罗盘检测模块和电子罗盘串口电平转换模块组成；所述电源模块由全桥整流电路、稳压滤波电路和电源指示电路组成；将220v交流电源通过电源模块转换为稳定的+5v直流电源，作为系统给部分的电源vcc供电；所述功率驱动模块由电机驱动芯片、光耦隔离输入电路和脉冲输出电路组成；电子罗盘信号检测模块通过串行通信与控制器模块中的单片机(stc89c52rc)进行数据连接；按键显示模块中按键显示接口芯片(hd7279)的控制信号接口(cs，引脚6)、时钟信号接口(clk引脚7)、数据信号接口(data，引脚8)和按键控制端信号接口(key，引脚9)与控制器模块中单片机控制信号、时钟信号、数据信号和按键控制端信号的输出引脚(按键显示接口，引脚23、3、4、13)相连，实现单片机对按键显示模块的读键值和输出8位段码管显示的控制；单片机输出四路脉冲信号的引脚(25、26、27、28)通过功率驱动模块中光耦隔离输入电路(光耦器件tlp521)后与电机驱动芯片(l298n)上的四相输入端(in1～in4)分别连接。

作为优选，按键显示模块中按键显示接口芯片(hd7279)上的sa～sg引脚控制阀(10～16引脚)分别接入一个限流电阻(r12～r18)，在每个限流电阻前接入上拉电阻(排阻rp2)，上拉电阻(排阻rp2)接地；限流电阻(r12～r18)后接有矩阵式按键s0～s15的运行控制端，矩阵式按键s0～s15的运行控制端分别接入对应的led段码管；按键显示接口芯片(hd7279)上的位控制引脚(d0～d7，引脚18～25)分别接入led段码管；按键显示接口芯片的接地端(gnd，引脚3)接地，按键显示接口芯片的电源端(vcc，引脚1)接入电源模块；按键显示接口芯片还接入复位电路(电阻r19和电容c9构成hd7279的复位电路)；控制器模块中单片机(stc89c52rc)的复位控制引脚(rst，引脚9)接入复位电路(由复位按键s1、电容c1和电阻r1组成)，单片机通过对应引脚接入振荡电路(由晶振y1、电容c2和电容c3组成，晶振采用12mhz晶振)；按键显示接口为控制器模块与按键显示模块进行通信的接口，步进电机驱动接口为控制器模块与步进电机驱动模块进行通信的接口，电子罗盘位置检测接口为控制器模块与电子罗盘信号检测模块进行通信的接口，排阻rp1为单片机p1端口的上拉电阻，排阻rp1接入电源模块；电子罗盘信号检测模块(采用平面电子罗盘wy211s-jqr)中一个端口(引脚1)接入电源模块，一个端口(引脚2)接地，另外两个串口数据的传输信号端(rx,引脚3；tx，引脚4)分别接入电子罗盘串口电平转换模块(rx,引脚3)；步进电机驱动模块中光耦隔离输入电路(光耦器件tlp521)接入电机驱动芯片(l298n)；电机驱动芯片(l298n)的输出端(out1～out4)接入二极管(d1～d8)整形电路，二极管整形电路接入步进电机的脉冲控制端(m1～m4)，控制电机进行跟踪运行；电源模块中电源电路的输入信号接入全桥整流电路(二极管d9～d12)，全桥整流电路再接入稳压滤波电路(电容c10、c11)，稳压滤波电路(电容c10、c11)连接电源指示电路。

作为优选，电子罗盘信号检测模块通过串行通信与单片机进行数据连接的方式为：电子罗盘检测模块的两路输出信号接口(din和dout)接入电子罗盘串口电平转换模块中转换器(sp202e)的相应引脚,转换器(sp202e)的发送数据引脚(txd,引脚10)接入单片机的接收数据引脚(rxd,引脚10),单片机的发送数据引脚(txd,引脚11)接入电子罗盘串口电平转换模块中转换器的接收数据引脚(rxd,引脚9)。另外在单片机中通过软件进行控制方法的实现。

这种基于wy211s-jqr的船载电视卫星天线跟踪运动系统电路的控制方法，包括如下步骤：

步骤1、系统初始化：将控制器模块内的单片机的系统时钟、按键显示接口、电子罗盘位置检测接口、步进电机驱动接口均初始化，并设置相关端口和相关模块的初始状态；

步骤2、将电子罗盘信号检测模块和控制器模块中单片机进行通信处理,单片机通过串行通信的方式控制电子罗盘，设置电子罗盘和单片机通信的波特率，单片机接收电子罗盘的检测数据；电子罗盘信号检测模块用于隔离载体扰动，用于检测位置信息；

步骤3、读取按键显示模块中按键的处理，进行系统标定或系统定位；

步骤4、显示处理：led显示接口电路根据运行情况进行状态显示和检测值显示，led显示接口电路中有八位led段码管；当按下标定按键时，八位led段码管显示88888888，表示系统进入定标系统；当按下电子罗盘的置零键时，最右边三位led段码管显示000，表示当前跟踪的位置设置为0°；当方向改变时，以跟踪位置0°为参考，最右边三位led段码管显示改变后位置的角度值，当方向回到原来的位置时，最右边三位led段码管仍然显示000；

步骤5、根据电子罗盘的检测数据得出的角度差，进行模糊pid控制，具有自适应的特性，pid控制器的三个参数(比例、积分和微分)能够根据外界环境的变换自动调节，以保证控制系统的稳定性，比传统的pid控制具有较好的适应动态环境变化的性能，提升系统的稳定性能；

步骤6、步进电机的驱动控制：将模糊pid控制的输出转换为控制步进电机驱动器的信号，经过八拍式步进脉冲驱动产生四相八拍的步进电机驱动控制脉冲，对步进电机步距角进行1/2细分(也就是原先步距角为1.8°，实际运行为0.9°提高步进电机工作性能以及整体系统的精度)；步进电机将根据角度差正转或反转来调整到跟踪的位置，跟踪船载卫星天线。

作为优选，步骤3具体包括如下步骤：

步骤3.1、单片机控制按键显示接口芯片并读取键值；单片机根据接收到的按键显示控制信号，通过运行控制端进行段码管的位控制，通过引脚控制阀控制段码管的显示内容和按键的扫描；

步骤3.2、根据键值进行功能判断，并执行相关控制：如果读取的键值是标定状态，则执行系统标定；如果按下的是定位键，则执行系统定位；

步骤3.2.1、系统标定：将电子罗盘上的标定按键按下长时后，将罗盘水平旋转两周，旋转的间隔时间为1～2分钟，旋转方式为绕自身的中轴旋转或绕平面内一点作圆周运动；然后将电子罗盘的标定按键按下短时，结束定标，通过按键切换到标定系统，若八位led段码管显示88888888，则表明已切换到标定系统；

步骤3.2.2、系统定位：在完成系统定标后，通过按键切换到定位系统，不断用电子罗盘测出当前角度并以232电平方式传送给单片机，单片机将测出的当前角度与原角度进行比较后得出偏差；若偏差大于180°，将步进电机4正转；若偏差小于180°，将步进电机反转。

作为优选，步骤5包括如下步骤：

步骤5.1、根据角度差求得角度差的微分，将角度差的微分作为模糊pid控制的输入，并分别根据值域范围将角度差分为七个等级：负大nb、负中nm、负小ns、零zo、正小ps、正中pm和正大pb；

步骤5.2、然后建立输入输出的模糊规则表，根据模糊规则表推理和通过模糊逻辑算法整定出pid的比例、积分和微分；

步骤5.3、进行参数解模糊和pid控制器输出控制。

作为优选，步骤2中电子罗盘和单片机通信的波特率设为9600bp/s，串行通信采用中断的方式进行发送控制信号和接收检测数据。

本发明的有益效果是：

1)本发明不依赖于gps定位，设有采用电子罗盘，并针对电子罗盘测量精度不高的问题，合理设计系统电路，并采用自适应模糊pid控制算法，提供了一种低成本、抗摇动、抗震性、运行稳定的基于wy211s-jqr的电视卫星天线跟踪运动系统及控制方法。本发明的电路稳定可靠、系统稳定性能稳定、自适应动态环境变化、设计低成本低、稳定性能较好，具有较好的应用价值。

2)本发明在硬件上利用stc89c52rc单片机作为控制器，实现对电子罗盘定位信号的检测，还实现对按键显示电路、电机驱动电路等的控制；stc89c52rc单片机通过串行通信的方式实现对电子罗盘定位信号的检测采集；根据采集的信号求得相关角度差，根据角度差采用自适应模糊pid控制方法，自适应模糊pid的输出转换为两相四线步进电机驱动器的八拍式驱动信号，控制57bygh78-401a步进电机进行运动，实现船载电视卫星定位跟踪控制。

附图说明

图1为基于wy211s-jqr的船载电视卫星天线跟踪运动系统模块关系图；

图2为控制器模块电路图；

图3为电子罗盘串口电平转换模块电路图；

图4为电子罗盘信号检测模块电路图；

图5为步进电机驱动控制模块电路图；

图6为按键显示接口模块电路图；

图7为电源模块电路图。

附图标记说明：按键显示模块1、控制器模块2、功率驱动模块3、步进电机4、电子罗盘信号检测模块5、步进电机驱动模块6。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

作为一种实施例，一种基于wy211s-jqr的船载电视卫星天线跟踪运动系统及控制方法如下：

如图1所示，基于wy211s-jqr的船载电视卫星天线跟踪运动系统电路，包括：

按键显示模块1、控制器模块2、电子罗盘信号检测模块5、步进电机驱动模块6和电源模块；所述步进电机驱动模块6包括功率驱动模块3和步进电机4；所述控制器模块，采用单片机stc89c52rc作为控制器，是系统的核心部件，用于检测系统的电子罗盘的信号，并根据角度差进行自适应模糊pid的控制，同时控制的输出给步进电机驱动控制模块，通过对按键和显示接口的控制，读入相关按键输入功能，并将相应的显示状态进行显示；所述电子罗盘信号检测模块采用平面电子罗盘wy211s-jqr，电子罗盘用于隔离载体扰动，用于检测位置信息，通过串行通信的方式与单片机进行数据连接；所述步进电机驱动模块主要是将单片机控制器的输出信号，进行电机驱动器(l298n)功率放大，并且转换为八拍式脉冲，给步进电机(57bygh78-401a)提供控制脉冲信号，并进行定位跟踪运动；所述按键显示模块包括按键显示接口芯片hd7279、按键接口电路和led显示接口电路，按键主要是用来设定系统的运行功能，如标定功能和定位功能等，显示模块主要用于显示运行状态，检测值和定位信息等，所述电源模块，主要采用lm7805稳压器件，220v交流电源通过全桥整流电路，稳压滤波电路，输出稳定的+5v作为系统的电源vcc信号，再经过led灯进行电源指示。

如图2所示，控制器模块主要由单片机(u1)、复位电路、振荡电路、按键显示接口、步进电机驱动接等组成；单片机(u1)采用stc89c52rc；复位电路由复位按键s1、电容c1和电阻r1组成，单片机的9引脚rst为复位控制引脚；振荡电路由晶振y1、电容c2和电容c3组成，晶振采用12mhz晶振；按键显示接口由单片机的3、4、13和23引脚分别和按键显示接口电路的clk、dat、key和cs相连，多按键显示电路进行控制、读取按键、输出显示值等操作；步进电机驱动接口由单片机的25～28分别输出四路脉冲信号给步进电机的驱动电路的四相输入端in1～in4，排阻rp1为单片机的p1端口提供上拉电阻；

电子罗盘信号检测模块主要由电子罗盘检测模块(图4)和电子罗盘串口电平转换模块(图3)组成，电子罗盘采用平面电子罗盘wy211s-jqr，电平转换电路需要将罗盘的ttl电平信号转换为串口232的电平信号，通过串行通信的方式和单片机进行数据传输；电子罗盘检测模块的4个端口，1和2端口为+5v电源的正负信号，3和4端口(rx和tx)为串口数据的传输信号端，通过sp202进行电平转换，将电子罗盘端的din和dout信号转换为串行通信的发送txd及接收rxd信号；

如图5所示，步进电机驱动模块包括光耦隔离输入电路、l298电机驱动器和输出电路等组成；隔离输入为in1～in4四个通道，通道1中的单片机输出信号经过光耦tlp521、电阻r7、电阻r8和指示等led1组成，输入信号经过隔离后给步进电机驱动器l298n，通道2(in2)、通道3(in3)和通道4(in4)的隔离输入电路相同；隔离输入可以实现控制器部分及电机部分的电信号的隔离，起到保护的作用；步进电机驱动器l298n输出out1～out4经过二极管d1～d4电路的整理输出m1～m4信号给步进电机57bygh78-401a提供四相脉冲驱动信号，控制电机进行跟踪运行；pwma和pwmb为电机的接口信号；

如图6所示，按键显示模块由hd7279按计显示接口控制芯片、显示电路、按键电路组成,hd7279是专用编码键盘接口芯片，可进行多键盘和多位显示，与单片机的接口精简，hd7279的6～9信号分别为控制信号cs、时钟信号clk、数据信号data和按键控制端key信号，这四个信号与单片机相连，实现单片机对按键显示模块的读键值及输出8位段码管显示的控制；hd7279的10～16引脚为sa～sg段码管显示的段码管及矩阵式按键s0～s15的运行控制端，排阻rp2作为端口的上拉电阻，r12～r18为限流电阻；电阻r19和电容c9构成hd7279的复位电路；

如图7所示，电源模块由整流电路、稳压滤波、电源指示等组成，220v交流电源为电源电路的输入信号v+和v-信号，经过二极管d9～d12的全桥整流，电容c10、c11的滤波，+5v稳压芯片lm7805稳压，电容c12和c13的电源输出部分稳压输出稳定的vcc(+5v)电源，作为系统给部分的电源vcc供电；电阻r20和发光二极管led2进行电源工作的指示；

基于wy211s-jqr的船载电视卫星天线跟踪运动系统控制方法，包括如下步骤：

步骤一、系统初始化，即单片机系统时钟、按键显示接口、电子罗盘位置检测接口、步进电机驱动接口等各部分初始化，进行相关端口和相关模块的初始状态设置，为各部分的运行提供基础；

步骤二、wy211s-jqr电子罗盘与stc89c52rc单片机的通信处理，单片机stc89c52rc对其通过串口通信的方式实行控制；程序中由scon控制寄存器的ren位控制是发送还是接受数据，由ri与ti位分别对应接受与发送数据；由于wy211s-jqr平面数字罗盘的输出波特率为9600bp/s，所以程序中还要通过设置单片机的pcon寄存器smod位，scon寄存器的sm0、sm1位以及tmod寄存器的定时器1来设置波特率为9600bp/s；串行通信采用中断的方式进行发送控制信号和接收检测数据，发送时，单片机先发送有一个字节数据，如果发送完，则发送中断标志t1置1，进入中断程序执行相关功能；接收数据时，如果1个字节接收完，则进入中断，进行数据读取并处理；

步骤三、读取按键的处理，根据按键状态是标定状态还是定位状态；读取键值，stc89c52rc单片机控制按键显示接口芯片进行读键值的控制；然后根据键值进行功能的判断，并执行相关控制；如果读取的键值是标定键，则进行系统标定的程序执行；如果按下的是定位键，则进行系统定位的程序执行；定标控制是一种电子罗盘测量的补偿，一旦罗盘周围环境发生变化，也会使罗盘周围固有的磁场环境发生变化，此时罗盘计算输出的角度信息将不准确，为消除周围固有磁场变化带来的影响，就要对罗盘进行定标。方法：电子罗盘上的标定按键长时之后，将罗盘均匀缓慢水平的旋转两周，一般1～2分钟旋转一周。(可以绕自身的中轴旋转，也可以绕平面内一点作圆周运动)，然后将电子罗盘的标定按键按下短时结束定标；这里就用步进电机配合延时函数来实现，由按键切换到标定系统，led段码管显示88888888表明处于该状态；在完成系统定标后，由按键切换到定位系统，定位系统为该系统的主要系统，此时电子罗盘不断测出当前角度并以232电平方式传送给单片机，单片机与原先角度进行比较后得出偏差，并根据偏差与180°进行比较，大于180°将控制电机正转；小于180°控制电机反转；

步骤四、显示处理，根据运行情况进行状态显示及检测值的显示；系统中有8个led段码管，当按下定标键时，8个led段码管显示全8，表示系统进入定标系统。当按下电子罗盘的置零键，最右边三位将显示000，表示当前跟踪的位置设置为0°。当方向改变时，将显示改变位置的角度值(以跟踪位置0°为参考)，当方向回到原来的位置时，仍然显示000。

步骤五、控制方法实现，根据测量数据得出的角度差，进行模糊pid的控制控制方法采用模块pid控制，根据角度差e，同时求得角度差的微分ec，作为模糊pid的输入，并分别根据值域范围将角度差分为七个等级{负大nb，负中nm，负小ns，零zo，正小ps，正中pm，正大pb}，然后建立输入输出的模糊规则表，模糊规则表推理，通过模糊逻辑算法整定出pid的比例、积分和微分的三个参数，再进行参数解模糊、pid控制器输出控制，具有自适应的特性，pid三个参数能够根据外界环境的变换自动调节，以保证控制系统的稳定性，比传统的pid控制具有较好的适应动态环境变化的性能，提升系统的稳定性能；

步骤六、步进电机驱动控制，将模糊pid控制的输出转换为控制步进电机驱动器的信号，进行电机的控制，实现电视卫星电线的定位。脉冲方式采用八拍式，对步进电机步距角进行1/2细分。也就是原先步距角为1.8°，实际运行为0.9°提高步进电机工作性能以及整体系统的精度；经过步进驱动程序产生四相8拍的步进电机驱动控制脉冲，根据测出计算的偏差角度的不同(是否大于180°为标准)，步进电机将作出正转还是反转来调整到跟踪的位置，实现船载卫星天线的跟踪。