火药燃烧测速系统的设计

李健苹，游中胜

(1.重庆广播电视大学，重庆 400052;2.重庆师范大学计算机与信息科学学院，重庆 401331)

火药燃烧速度的检测非常关键，借助这些检测数据可确定合理安全的烟花燃放时间。但现有的检测技术几乎全部由人工完成，测试人员在一个平面场地铺设一条大于5 m火药带，在点燃火药的同时由人工按下秒表计时，在火药燃尽的同时也由人工按下秒表停止计时，通过时间和长度的换算得出火药燃烧速度。现有技术的缺点是检测受人为因素影响，误差大，且浪费了大量火药［1－8］。采用火药燃烧测速系统可克服上述缺点，提高测量精度，节约人力和物力。

1 火药燃烧测速系统主要技术指标

主要技术指标:测量精度为±0.1 cm/s;自动点火时间小于5 s;点火可靠性为99.9%;电源电压为AC220V±10%，50 Hz;环境温度为－5～+40℃;系统寿命大于50 000 h。

2 火药燃烧测速系统整体设计

图1是火药燃烧测速系统总体示意图。感光座(1)上开有前感光孔(1a)和后感光孔(1b)，前感光孔内安装有前感光传感器［2］(2)，后感光孔内安装有后感光传感器(3)，前感光传感器(2)和后感光传感器(3)都是竖直朝向感光孔的上端孔口，感光座(1)的上端面固定有水平透光板(4)，点火器(6)经点火器上的电阻丝(7)点燃火药捻子(8)引燃火药(9)达到测速的目的。

图1 火药燃烧测速系统总体示意图

3 火药燃烧测速系统控制部分

火药燃烧测速系统总体结构框图如图2所示。系统由感光传感器1、感光传感器2、信号处理电路、点火器、可编程序控制器PLC、打印机、鼠标、键盘、显示器、火药燃速计算机数据库管理系统组成。

图2 火药燃烧测速系统总体结构框图

3.1 PLC选用和硬件分配

表1为系统PLC 的选用情况［9－11］。PLC输入端分配表如表2所示，PLC输出端分配表如表3所示。

表1 PLC选用情况

表2 PLC输入端分配表

表3 PLC输出端分配表

3.2 感光传感器信号处理电路

图3是感光传感器信号处理电路。电路选用2只光敏管作为感光传感器和2只50 MΩ电阻构成一个光电转换电路。选用1只CD4093［3］施密特触发器作为信号抗干扰电路。选用2只3DK4三极管，2只3 kΩ、2只1 kΩ电阻构成电平转换电路。电路工作原理:光敏管遮光后电阻变大，经分压电路在CD4093输入一个低电平电压，I0.1和I0.2端输出低电平信号;火药点燃后，光敏管感光后电阻变小，经分压电路在CD4093输入一个高电平信号，I0.1和I0.2端输出高电平信号。

图3 感光传感器信号处理电路

3.3 定时器和点火电路的设计

定时器和点火电路如图4所示。电路由西门子PLC221可编程控制器、继电器J、按钮ZB、测速按钮CS、PC/PPI通信电缆、测速管理计算机、变压器BY、点火电阻丝DZS(DZS阻值为2 Ω)、2只控制脉冲计数二极管、1只电路保护二极管IN4148构成。电路工作原理:由PLC221经Q0.0输出高速时钟脉冲，时钟周期设置为50 μs;PLC221的输入端I0.0接收Q0.0输出的高速时钟脉冲，利用PLC221内部高速计数器HSC0统计脉冲数;Q0.1为0，允许计数;Q0.1为1，禁止计数。

图4 定时器和点火电路

3.4 系统控制程序设计

计算机的RS232接口通过PC/PPI电缆连接到PLC221上。在配置中PLC要求异步通信协议为1个起始位、8个数据位，无奇偶校验位，有1个停止位，波特率为9 600 bps。

数据协议以10个ASCII码字符为一组，每次PLC向计算机发送一组数据。数据格式为SYXXXXXXXJ。第1字符表示一组数据开始，第2个字符表示PLC状态，D字符表示PLC处于待机状态，Z字符表示PLC处于准备好状态，H字符表示PLC处于测试结束状态，发送的第3～9个字符X测试燃烧时间数据是否有效，第10个字符J为一组数据传送的结束标志。

PLC的控制流程如图5所示。

图5 PLC的控制流程

火药燃速数据管理系统建立的火药燃速数据表包括型号、批次、测试序号、日期、孔距、燃速合格范围、燃烧时间、燃烧速度9个字段变量，火药燃速数据管理系统具有查询、删除、添加、打印测试报表的功能。火药燃速数据管理系统主界面见图6。操作人员在PLC状态显示准备好后输入其他数据项，再按下DH按钮完成整个测试过程。

图6 火药燃速数据管理系主界面

4 结束语

本系统机械结构设计有创新，控制系统简单实用，解决了现有测量技术受人为因素影响，测量误差大，且浪费火药的缺点，提高了测量精度，节约人力和物力。系统已在国内4个生产厂家得到应用，效果很好，有较大推广价值。

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