光电测速装置的设计

李菊叶，纪留利

（1.陕西理工学院物理与电信工程学院，陕西汉中 723003;

2.中航工业飞机起落架有限责任公司燎原分公司，陕西汉中 723200）

光电测速装置的设计

李菊叶1，纪留利2

（1.陕西理工学院物理与电信工程学院，陕西汉中 723003;

2.中航工业飞机起落架有限责任公司燎原分公司，陕西汉中 723200）

主要阐述了橇载光电测速装置的基本原理和具体结构及功能实现.整套装置由光电组件、主控部分及挡光板3部分组成.光电组件和挡光板为装置提供激光信号作为有用信号，主控部分对信号进行判断、采集、存储.

区截装置;断靶;火箭橇;单片机;串口读数

1 设计原理

在以往的火箭橇测速中，常采用断靶方式测试，其原理是以测试点为中心，前后各布设一个断靶，断靶由断靶线和断靶支架组成，当火箭橇通过时，割断断靶线便会依次产生一个启动信号和一个停止信号.根据地面记录装置记录2个信号的时间间隔，再测出2个断靶线之间距离，依照速度计算公式V=S/t，便可获得所求值.光电测速装置与断靶的测速原理基本相同，只是光电测速装置以橇体运动起点为测试零点，所测各挡光板时间信号均以此测试零点为时间参考零点.安装在火箭橇上的光电组件经过轨旁挡光杆产生挡光杆时间信号，主控电路内部的单片机记录下这些有用信号的具体时间，并直接将数据存入存储器.实验完毕，将数据通过串口读出，并利用距离差和时间差算出具体位置的速度.光电组件、主控部分安装在橇体上，挡光板安装在地面轨道一侧.

1.1 光电组件设计原理 光电组件作为有用信号的提供者是整个装置设计的关键部分，由激光发射部分和激光接收部分组成.原理简图如图1所示.

激光发射部分将激光持续发射至激光接收部分.火箭橇轨道旁的确定位置装有挡光板，当火箭橇行进至装有挡光板的轨道区域时，激光被挡光杆遮住.激光接收部分的内部电路感应到这一通光量的变化，产生一个下降沿的脉冲信号.这样依次通过挡光板，激光接收部分将产生一连串下降沿脉冲信号，如图2所示.

图1 系统原理图

图2 脉冲信号

1.2 主控部分设计原理 主控部分的核心是单片机.利用单片机内部计数器的计时功能，结合P1端口，获取每个脉冲时间，并通过并口将数据存入存储器中.同时，利用外部中断程序，当要求串口读数时，进入中断允许程序，通过串口读取数据.整个工作基本通过单片机编程来完成.具体设计思路如下:当火箭橇开始运动时，测速装置通过单片机内部程序开始工作，定时器计时开始.当橇体到达各挡光杆位置时，主控部分读取该点时刻并存储至非易失性存储芯片.试验完毕后，再通过中断程序控制主控部分串口读数.

2 结构设计

2.1 光电组件 为了保证激光通光量变化范围能达到最大，无论装置的结构设计还是电路设计都在这方面予以关注.结构方面，要求将激光发射头与接收头保持在同一直线上.为确保发射管发出的所有激光都能照射到接收管上，专门设计了安装平台和可调位置的调整圆盘.由于发射管选用的是激光二极管，故发射部分电路比较简单，与普通发光二极管设计一致.接收部分电路由激光接收管、开关电路及整形电路3部分组成.激光接收管将激光的通光量变化转变成变化的电信号.三极管组成的开关电路为系统提供了下降沿脉冲.由于向下一级主控部分提供的有用信号要求下降沿要陡，且信号干净无毛刺，所以在下一级加入整形电路.芯片Lm311其核心是一个比较运算放大器，当通光量变化引起的电压变化低于设定电压时，将产生一个负沿信号.芯片Lm311的反应时间很短，信号干净，符合设计要求.具体电路如图3所示.

图3 光电组件电路图

2.2 主控部分 这部分是整个装置的核心部分.主要包括硬件设计和软件编程2个部分.

2.2.1 硬件设计主控部分中，实现全部功能的单片机选用51系列的89S51，其优点在于可在线编辑芯片内部程序.为了保证信号在掉电情况下再次加电依然存在，存储器选择了存储量为8K×8的非易失性存储芯片HK1225.此类型芯片内部封有电池，可保证数据二次加电时数据仍在.通过74HC373与单片机并口相连，可存储计算所得的速度数据.

通过串口读数和在线编程，也是此次设计的重要环节.考虑到串口读数程序使用较广、操作简便、实用性强等优点，在设计时，利用了单片机的串口，接入串口转换芯片RS232及输出端口.同时设计出专门的在线编程口，如图4所示.

2.2.2 单片机程序设计单片机程序设计部分是整套系统中最核心的部分.本程序的精髓在于利用单片机内部时钟的可随时读取性.以往使用单片机时大都用定时器来定时，当时间到达后启动某种控制.本次设计是利用定时器在定时计数的过程中，读取定时器内部数据寄存器TL0和TH0来获得有用数据.依照前面程序流程图和系统电路图设计，具体执行程序如下:

图4 主控部分电路设计原理图

由于整个程序是在定时器工作的情况下访问TL0和TH0，故为了测试程序运行取数时对定时器工作有无干扰，对主控部分作了实验室基准测试和野外断靶测试2项检测工作.利用实验室测标仪打出具体脉冲间隔，单路检测测试数据的获取是否准确.测试结果表明，所测数据与测标仪时间标定时间相同.在火箭橇试验中，联接四路断靶至P1端口，检测主控部分在多通道短时内获取数据的可靠性.试验获得准确数据，无丢数、乱记等现象.

3 小 结

光电测速装置作为专门应用于火箭橇测速的测速装置比较以往的传统断靶测速，具有以下优点:1）数据获得可靠;2）数据被存储，可随时读取;3）外界干扰因素少;4）可较为准确地获得时间－位移－速度三者之间的对应曲线;5）减少试验仪器数量，降低测试人员劳动强度等.其各部分的功能实现均已在实验室里验证，下一步将对其整体的可靠性及精度作进一步研究.

［1］胡乾斌，李光斌，李玲，等.单片机微型计算机原理与应用［M］.武汉:华中科技大学出版社，1997.

［2］宋德玉.可编程序控制器原理及应用系统设计技术［M］.北京:冶金工业出版社，1999.

［3］林明星.电气控制及可编程控制器［M］.北京:机械工业出版社，2004.

Design of Velocity Measuring Device

LI Ju-ye1，JI Liu-li2

（1.School of Physics and Telecommunication Engineering，Shanxi University of Technology，Hanzhong 723003，China;
2.AVIC LANDING-GEAR LAMC，Hanzhong 723200，China）

In the paper，the basic principles and specific structure and function realization of the sled carrier photoelectric measuring device were elucidated.The entire device is composed of three parts，photoelectric components，main control part and a blocking board.Photoelectric components and blocking board provide laser signal as a useful signal，and which are judged，collected and stored by main control part.

cut device;off the target;the rocket sled;SCM;serial reading

V 416.8

A

1004－1729（2012）01－0066－05

2011－11－16

李菊叶（1979－），女，陕西西安人，陕西理工学院物理与电信工程学院实验师，硕士.