基于單片機(jī)的彈丸表面壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘小囡

渤海大學(xué)

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基于單片機(jī)的彈丸表面壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘小囡

渤海大學(xué)

作戰(zhàn)環(huán)境的不同需要不同彈丸的型號(hào)進(jìn)行配合，當(dāng)彈丸中空氣中運(yùn)行的時(shí)候，來自空氣中的動(dòng)力或多或少會(huì)對(duì)飛行中的穩(wěn)定性以及射程產(chǎn)生影響，而這個(gè)動(dòng)力的大小是跟飛行過程中的姿勢(shì)，彈丸的形狀和空氣因素都是有著直接的關(guān)聯(lián)的。如何精確地把握彈丸表面的壓力這在彈箭的開發(fā)研究流程中意義十分重大，如何很好地控制彈丸的飛行是受彈丸表面的壓力數(shù)據(jù)的直接影響的。本文主要是立足于現(xiàn)有的資料，構(gòu)想了測(cè)量彈丸表面壓力數(shù)據(jù)的方法并且進(jìn)行了軟件和硬件方面的設(shè)計(jì)，其中的硬件設(shè)計(jì)涉及到了壓力傳感器的選擇，C8051F380的數(shù)據(jù)采集模塊等，設(shè)計(jì)了一個(gè)便于測(cè)量彈丸表面的壓力數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。

彈丸 壓力傳感器 C8051F380

1　引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，信息技術(shù)基本滲透到了我們生活的各方各面，除了信息技術(shù)在我們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅藨?yīng)用與發(fā)展之外，高科技技術(shù)在軍事領(lǐng)域中也得到了很大的發(fā)展。這里的高科技技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在研究武器方面，武器的類型各種各樣，這也表明軍事技術(shù)方面也正在發(fā)生著天翻地覆的改革。相比于傳統(tǒng)的戰(zhàn)爭(zhēng)，現(xiàn)今的戰(zhàn)爭(zhēng)中使用的武器已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了通過智能對(duì)武器進(jìn)行控制，所以鑒于高科技術(shù)在武器的研發(fā)中占有很重的角色成分，所以越來越多的軍力強(qiáng)大的國(guó)家熱衷于新型武器的研發(fā)。

氣動(dòng)力的參數(shù)獲取可以通過數(shù)值模擬法實(shí)現(xiàn)，空氣的動(dòng)力數(shù)據(jù)可以通過風(fēng)洞試驗(yàn)法進(jìn)行獲得，在彈丸的設(shè)計(jì)中這些動(dòng)力數(shù)據(jù)和參數(shù)起到了參考的作用。測(cè)量彈丸表面的氣壓也是動(dòng)力學(xué)中的一個(gè)基本測(cè)量。飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集是否足夠精確這取決于采集模塊的設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于集成芯片的，有著低成本，低功耗，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，這對(duì)于處理布線中的復(fù)雜問題有著很大的意義。

2　彈丸表面數(shù)據(jù)壓力研究意義

軍事領(lǐng)域中信息技術(shù)的發(fā)展包括了傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器作為信息產(chǎn)業(yè)中的重要組成部分之一，在信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中是必不可少的。對(duì)信息的收集和檢測(cè)這些大量的工作都是離不開傳感器的。現(xiàn)今對(duì)傳感器的研究也越來越深入，在測(cè)量非電量信號(hào)中應(yīng)用傳感器也得到了飛速的發(fā)展。在戰(zhàn)爭(zhēng)武器中彈藥的重要性不言而喻，戰(zhàn)場(chǎng)中殺傷力強(qiáng)，破壞力強(qiáng)的作戰(zhàn)設(shè)備之一就是彈藥，研究彈丸是當(dāng)今軍事領(lǐng)域中的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。目前有關(guān)彈丸空氣動(dòng)力學(xué)的研究方法有飛行實(shí)驗(yàn)法，理論計(jì)算法以及數(shù)值模擬法，而風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬法是目前應(yīng)用比較多的方法。

3　系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主控制器選擇的是C8051F380，邏輯電路比較直觀易懂，電路所占的體積比較小，該系統(tǒng)中包括的模塊有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，壓力傳感器模塊，上位機(jī)軟件模塊，調(diào)理電路模塊等系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。

圖1-1　系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖

4　硬件設(shè)計(jì)

壓力傳感器可以采集彈丸飛行過程中表面受到的氣壓信號(hào)的變化，現(xiàn)今很多的壓力傳感器是由全橋的電路組成的，但是要想正常工作那么就需要賦予電壓上是穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，另外一方面，由于從壓力傳感器里輸出的信號(hào)很小，單位是mV級(jí)，所以在測(cè)量的過程中是很難對(duì)數(shù)據(jù)精確地采集的，這時(shí)可以通過引入調(diào)理電路，通過盡量消除傳感器中的干擾信號(hào)，放大初始的信號(hào)，從而最終確保采集到的數(shù)據(jù)是精確的。

4.1壓力傳感器選擇

彈丸表面的氣壓數(shù)據(jù)的采集在空氣動(dòng)力學(xué)中是必不可少的參數(shù)，而現(xiàn)今普遍選擇的感壓裝置是U型的管壓差計(jì)和壓力探頭。在測(cè)量彈丸表面壓力的時(shí)候這些裝置是經(jīng)常選用的，但是這種方法存在著缺陷，它會(huì)對(duì)測(cè)量的結(jié)果造成很大的誤差而且很容易對(duì)彈丸的結(jié)構(gòu)造成損壞，因?yàn)樵跍y(cè)量的期間是需要在測(cè)量的某一個(gè)位置開一個(gè)小孔，而且這個(gè)開孔的方向是垂直表面的，然后再用橡膠管把感壓的裝置接連一起，進(jìn)一步用塑料管引出橡膠管，然后就可以直接通過玻璃膠密封住產(chǎn)生的接口。所以經(jīng)過分析后，本論文中選擇的是微型的壓力傳感器，而且還是片狀的，感壓部分選擇的是8515C-50的壓阻式壓力傳感器，該傳感器的靈敏度特別高，頻率的響應(yīng)也很寬，而且里面還附帶了零位的平衡電路以及補(bǔ)償溫度的電路。直徑取的是6.3毫米，厚度取得是0.76毫米，所以運(yùn)行的時(shí)候不會(huì)對(duì)空氣中產(chǎn)生的流場(chǎng)有太大的影響。

4.2主控制器的選型

主控制器選擇的是單片機(jī)，主控制的職責(zé)是控制這個(gè)系統(tǒng)從而保證系統(tǒng)可以穩(wěn)定地工作，電路設(shè)計(jì)的過程中，選擇合適的單片機(jī)型號(hào)這是很有必要的，由于單片機(jī)的型號(hào)不同，系統(tǒng)的工作速度也就不同，一旦型號(hào)選擇好了之后外圍的電路才可以開始設(shè)計(jì)。本文選擇的主控制器是C8051F380，這是一個(gè)八位的單片機(jī)，I/O的資源也很豐富。

4.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的采樣頻率選擇的是50K到100KHz，采樣的時(shí)間是從10s到20s，系統(tǒng)存儲(chǔ)需要的容量略微估計(jì)是1MB，從C8051F380單片機(jī)的性能中可以發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)本身就附帶64K的閃存空間，但是這空間太小，因?yàn)橄到y(tǒng)所需要的存儲(chǔ)容量超過了64K，所以就需要對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器的空間進(jìn)行擴(kuò)充。經(jīng)過分析本文選擇的存儲(chǔ)芯片是M25P128，該芯片的數(shù)據(jù)可以保存20年，其特點(diǎn)總結(jié)如下：

閃存空間是128Mbit；

可擦寫的存儲(chǔ)空間是2Mbit；

時(shí)鐘的最大頻率可以達(dá)到50MHz；

一個(gè)存儲(chǔ)空間可擦寫的次數(shù)達(dá)到10000次以上；

兼容SPI總線接口。

單片機(jī)的存儲(chǔ)接口的原理圖如圖1-2所示。

圖1-2　單片機(jī)的存儲(chǔ)接口原理圖

5　軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的語言是C語言，編程時(shí)也用到了程序進(jìn)行模塊化的思想，把系統(tǒng)分為幾個(gè)模塊，這樣有利于功能的設(shè)計(jì)，而且每個(gè)功能設(shè)計(jì)直觀易懂。

5.1數(shù)據(jù)采集模塊

采集模塊中系統(tǒng)先進(jìn)入到子循環(huán)中，此時(shí)系統(tǒng)還處于采集的狀態(tài)，當(dāng)采集鍵按下后，采集模塊就開始進(jìn)行，采集到的數(shù)據(jù)也相應(yīng)保存在芯片M25P128中，再將按鍵釋放，就結(jié)束采集。

5.2數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊的實(shí)現(xiàn)是上位機(jī)借用串口進(jìn)行命令的傳送操作。上位機(jī)和單片機(jī)之間的通訊是通過串口實(shí)現(xiàn)的，而通訊的目的是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)器目前所處的狀態(tài)的驗(yàn)證，例如這個(gè)驗(yàn)證可以是FLASH擦除與否，F(xiàn)LASH內(nèi)容是否已經(jīng)讀取了等等，并且用#V，#W和#E對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

表1　仿真結(jié)果

5.3數(shù)據(jù)處理模塊

上位機(jī)中存儲(chǔ)的就是采集模塊中獲取的數(shù)據(jù)，在上位機(jī)的測(cè)試部分把電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為相應(yīng)的氣壓數(shù)據(jù)，接著再在曲線中顯示出氣壓數(shù)據(jù)的變化。傳感器手冊(cè)中有規(guī)定，從傳感器中輸出的電壓跟空氣的壓強(qiáng)之間的關(guān)系是線性變化的，所以對(duì)于電壓和壓強(qiáng)的關(guān)系可以從線性表達(dá)式中看出來。

本論文仿真用到的工具是Matlab，在基于Matlab的基礎(chǔ)上對(duì)該壓力傳感器的數(shù)據(jù)測(cè)量進(jìn)行了精確的測(cè)量。其中的最小二乘法擬合的壓力數(shù)據(jù)的變化區(qū)間是在0到0.06Mpa之間波動(dòng)的，在該范圍內(nèi)將其分為等值的三等分，然后對(duì)這每一個(gè)等份進(jìn)行最小二乘法的直線擬合。仿真的結(jié)果證明了本文采用的補(bǔ)償方法對(duì)數(shù)據(jù)的精確度測(cè)量以及系統(tǒng)誤差的修復(fù)是有很大的益處。仿真的結(jié)果如表1所示。

6　結(jié)語

本論文實(shí)現(xiàn)彈丸表面氣壓數(shù)據(jù)的調(diào)理與采集用到了模擬信號(hào)，該信號(hào)是由壓力傳感器輸出的。調(diào)理電路是盡量消除傳感器中存在的干擾信號(hào)，并且把傳感器中的最初信號(hào)放大的過程。信號(hào)處理電路模塊是對(duì)經(jīng)過單片機(jī)C8051F380處理后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化的過程。針對(duì)該壓力數(shù)據(jù)的采集模塊，本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的原理圖與軟件程序。

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