為了實現(xiàn)對水下機器人周圍環(huán)境的監(jiān)測，提出了一種基于PC104與C8051F120的水下機器人環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設計。該系統(tǒng)的硬件部分主要是采集下潛深度傳感器、姿態(tài)傳感器、溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，軟件部分采用用Visual C++6.0設計了監(jiān)控界面。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示視頻和各傳感器數(shù)據(jù)。實際測試表明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、準確性高的特點，達到了設計要求。

水下機器人具有重大需求和巨大的市場價值，如：用于泵站流道和葉輪葉片、壩體、橋墩、排沙口、攔污柵、病險水庫等的水下檢查和評估。用于市政飲用水系統(tǒng)中水管、水庫檢查；用于城市排污/排澇管道、下水道檢查；用于科學研究、教學目的的水環(huán)境、水下生物的觀測、研究和教學；用于海洋考察、冰下觀察；還有，隨著當前全球化的安全局勢的惡化，水下機器人可以廣泛應用于安全部門，如：檢查大壩、橋墩上是否安裝爆炸物，船側、船底是否有炸彈等。這些功能得實現(xiàn)都是基于水下機器人對于周圍環(huán)境的監(jiān)測，所以采用一種高效、實時、簡單的系統(tǒng)來完成環(huán)境監(jiān)測的功能是十分必要的。在做了多種系統(tǒng)的比較后，提出并設計了基于PC104與C8051F120的水下機器人環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計方案，該系統(tǒng)能夠完成對環(huán)境的監(jiān)測功能。

1總體設計

圖1是系統(tǒng)總體結構圖，岸上由微型計算機組成，實時顯示視頻圖像和各傳感器數(shù)據(jù)；水下由PC104、C8051F120、視頻采集卡、模擬攝像頭、溫濕度傳感器、姿態(tài)傳感器、下潛深度傳感器組成。PC104通過視頻采集卡采集模擬攝像頭的信號，C8051F120采集各傳感器的數(shù)據(jù)，通過串口傳輸給PC104，PC104通過臍纜把視頻信號和各傳感器數(shù)據(jù)送給岸上的微型計算機，微型計算機進行實時地顯示。

2硬件設計

C8051F120是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片，全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口，高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內(nèi)核，真正8位500 ksps的ADC，兩個12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式，帶PGA和8通道模擬多路開關，2周期的16 x 16乘法和累加引擎，128 KK或64KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器，8448（8K+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM，可尋址64KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口，硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus /I2C和兩個UART串行接口，5個通用的16位定時器，具有6個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列，片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。

在本設計中PC104采用的是Em104P—i2909，溫濕度傳感器采用的是DHT11單總線傳感器，姿態(tài)傳感器采用的是SCA100T—D01.下潛深度傳感器采用GB-2100A投入式壓力傳感器。電路使用了芯片內(nèi)部自帶的12位AD轉(zhuǎn)換器、多路模擬選擇開關和基準電壓電路，使電路變得更簡潔實用，并外接22.118 4 MHz晶振，經(jīng)過9/4倍頻得到50 MHz.由于溫濕度傳感器和姿態(tài)傳感器都只需接在I/O口，下潛深度傳感器接在模擬量輸入口，故之介紹電路板的電源電路和串口電路。圖2是電源電路原理圖，圖3是串口電路原理圖。

3軟件設計

3.1系統(tǒng)流程圖

單片機程序軟件采用的是Keil uVision4，并使用C語言編寫程序。程序采用模塊化的設計，分為AD轉(zhuǎn)換程序、定時器中斷程序、串口程序等。系統(tǒng)先對各個模塊進行初始化，等到初始化完成后，系統(tǒng)進入主程序，等待中斷，完成各個模塊的程序。圖4是主程序流程圖。

3.2傳感器測量模塊

艙內(nèi)主要測量溫度、濕度和水下機器人的姿態(tài)。對于溫濕度傳感器通過單片機的I/O口模擬時鐘信號來進行讀取數(shù)據(jù)，對于姿態(tài)傳感器通過單片機的I/O口模擬SPI信號來進行讀取數(shù)據(jù)。艙外主要測量水下機器人下潛的深度。通過C8051F120自帶的12位ADC轉(zhuǎn)換器，并選擇模擬通道1進行下潛深度傳感器的采集，把采集到的模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。AD轉(zhuǎn)換器有4種轉(zhuǎn)換啟動方式，由ADCOCN中的ADC0啟動轉(zhuǎn)換方式位（ADOCM1，ADOCM0）的狀態(tài)決定。轉(zhuǎn)換觸發(fā)源有：

1）向ADCOCN的ADOBUSY位寫1；

2）定時器3溢出（即定時的連續(xù)轉(zhuǎn)換）；

3）外部ADC轉(zhuǎn)換啟動信號的上升沿，CNVSTR0；

4）定時器2溢出（即定時的連續(xù)轉(zhuǎn)換）。

本程序采用向ADCOCN的ADOBUSY位寫1作為啟動方式。當通過向ADOBUSY寫‘1’啟動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，查詢ADOINT位以確定轉(zhuǎn)換是否結束，當轉(zhuǎn)換結束后讀出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)并處理。串口初始化和轉(zhuǎn)換程序如下。

3.3定時器中斷模塊

為了使系統(tǒng)達到低功耗的要求，采用定時器中斷來使能各傳感器，并對各傳感器數(shù)據(jù)進行采集和處理。當100 ms定時器中斷到來時，首先對賦予數(shù)據(jù)包的起始位，然后使能ADC，進行下潛深度傳感器數(shù)據(jù)的采集；接著使能姿態(tài)傳感器，讀取姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)，并對姿態(tài)傳感器的X軸，Y軸數(shù)據(jù)進行正負的判別；最后使能溫濕度傳感器，進行溫濕度傳感器數(shù)據(jù)的采集并賦予數(shù)據(jù)包結束符。圖5是定時器中斷流程圖。