基于单片机的弹丸表面压力数据采集系统设计

潘小囡

渤海大学



基于单片机的弹丸表面压力数据采集系统设计

潘小囡

渤海大学

作战环境的不同需要不同弹丸的型号进行配合，当弹丸中空气中运行的时候，来自空气中的动力或多或少会对飞行中的稳定性以及射程产生影响，而这个动力的大小是跟飞行过程中的姿势，弹丸的形状和空气因素都是有着直接的关联的。如何精确地把握弹丸表面的压力这在弹箭的开发研究流程中意义十分重大，如何很好地控制弹丸的飞行是受弹丸表面的压力数据的直接影响的。本文主要是立足于现有的资料，构想了测量弹丸表面压力数据的方法并且进行了软件和硬件方面的设计，其中的硬件设计涉及到了压力传感器的选择，C8051F380的数据采集模块等，设计了一个便于测量弹丸表面的压力数据的系统。

弹丸 压力传感器 C8051F380

1　引言

随着社会的不断发展，人民生活水平的不断提高，信息技术基本渗透到了我们生活的各方各面，除了信息技术在我们日常生活中得到了应用与发展之外，高科技技术在军事领域中也得到了很大的发展。这里的高科技技术的应用主要体现在研究武器方面，武器的类型各种各样，这也表明军事技术方面也正在发生着天翻地覆的改革。相比于传统的战争，现今的战争中使用的武器已经完全实现了通过智能对武器进行控制，所以鉴于高科技术在武器的研发中占有很重的角色成分，所以越来越多的军力强大的国家热衷于新型武器的研发。

气动力的参数获取可以通过数值模拟法实现，空气的动力数据可以通过风洞试验法进行获得，在弹丸的设计中这些动力数据和参数起到了参考的作用。测量弹丸表面的气压也是动力学中的一个基本测量。飞行实验数据的采集是否足够精确这取决于采集模块的设计，本文设计的数据采集系统是基于集成芯片的，有着低成本，低功耗，电路设计简单的特点，这对于处理布线中的复杂问题有着很大的意义。

2　弹丸表面数据压力研究意义

军事领域中信息技术的发展包括了传感器技术的发展，传感器作为信息产业中的重要组成部分之一，在信息系统的设计与实现过程中是必不可少的。对信息的收集和检测这些大量的工作都是离不开传感器的。现今对传感器的研究也越来越深入，在测量非电量信号中应用传感器也得到了飞速的发展。在战争武器中弹药的重要性不言而喻，战场中杀伤力强，破坏力强的作战设备之一就是弹药，研究弹丸是当今军事领域中的一个发展趋势。目前有关弹丸空气动力学的研究方法有飞行实验法，理论计算法以及数值模拟法，而风洞实验法和数值模拟法是目前应用比较多的方法。

3　系统总体方案设计

本系统主控制器选择的是C8051F380，逻辑电路比较直观易懂，电路所占的体积比较小，该系统中包括的模块有数据存储模块，压力传感器模块，上位机软件模块，调理电路模块等系统的总结构图如图1-1所示。

图1-1　系统总结构图

4　硬件设计

压力传感器可以采集弹丸飞行过程中表面受到的气压信号的变化，现今很多的压力传感器是由全桥的电路组成的，但是要想正常工作那么就需要赋予电压上是稳定的基准电压，另外一方面，由于从压力传感器里输出的信号很小，单位是mV级，所以在测量的过程中是很难对数据精确地采集的，这时可以通过引入调理电路，通过尽量消除传感器中的干扰信号，放大初始的信号，从而最终确保采集到的数据是精确的。

4.1压力传感器选择

弹丸表面的气压数据的采集在空气动力学中是必不可少的参数，而现今普遍选择的感压装置是U型的管压差计和压力探头。在测量弹丸表面压力的时候这些装置是经常选用的，但是这种方法存在着缺陷，它会对测量的结果造成很大的误差而且很容易对弹丸的结构造成损坏，因为在测量的期间是需要在测量的某一个位置开一个小孔，而且这个开孔的方向是垂直表面的，然后再用橡胶管把感压的装置接连一起，进一步用塑料管引出橡胶管，然后就可以直接通过玻璃胶密封住产生的接口。所以经过分析后，本论文中选择的是微型的压力传感器，而且还是片状的，感压部分选择的是8515C-50的压阻式压力传感器，该传感器的灵敏度特别高，频率的响应也很宽，而且里面还附带了零位的平衡电路以及补偿温度的电路。直径取的是6.3毫米，厚度取得是0.76毫米，所以运行的时候不会对空气中产生的流场有太大的影响。

4.2主控制器的选型

主控制器选择的是单片机，主控制的职责是控制这个系统从而保证系统可以稳定地工作，电路设计的过程中，选择合适的单片机型号这是很有必要的，由于单片机的型号不同，系统的工作速度也就不同，一旦型号选择好了之后外围的电路才可以开始设计。本文选择的主控制器是C8051F380，这是一个八位的单片机，I/O的资源也很丰富。

4.3数据存储电路设计

本系统的采样频率选择的是50K到100KHz，采样的时间是从10s到20s，系统存储需要的容量略微估计是1MB，从C8051F380单片机的性能中可以发现，单片机本身就附带64K的闪存空间，但是这空间太小，因为系统所需要的存储容量超过了64K，所以就需要对数据的存储器的空间进行扩充。经过分析本文选择的存储芯片是M25P128，该芯片的数据可以保存20年，其特点总结如下：

闪存空间是128Mbit；

可擦写的存储空间是2Mbit；

时钟的最大频率可以达到50MHz；

一个存储空间可擦写的次数达到10000次以上；

兼容SPI总线接口。

单片机的存储接口的原理图如图1-2所示。

图1-2　单片机的存储接口原理图

5　软件设计

系统采用的语言是C语言，编程时也用到了程序进行模块化的思想，把系统分为几个模块，这样有利于功能的设计，而且每个功能设计直观易懂。

5.1数据采集模块

采集模块中系统先进入到子循环中，此时系统还处于采集的状态，当采集键按下后，采集模块就开始进行，采集到的数据也相应保存在芯片M25P128中，再将按键释放，就结束采集。

5.2数据传输模块

数据传输模块的实现是上位机借用串口进行命令的传送操作。上位机和单片机之间的通讯是通过串口实现的，而通讯的目的是实现数据的传输和存储器目前所处的状态的验证，例如这个验证可以是FLASH擦除与否，FLASH内容是否已经读取了等等，并且用#V，#W和#E对数据进行标识。

表1　仿真结果

5.3数据处理模块

上位机中存储的就是采集模块中获取的数据，在上位机的测试部分把电压数据转为相应的气压数据，接着再在曲线中显示出气压数据的变化。传感器手册中有规定，从传感器中输出的电压跟空气的压强之间的关系是线性变化的，所以对于电压和压强的关系可以从线性表达式中看出来。

本论文仿真用到的工具是Matlab，在基于Matlab的基础上对该压力传感器的数据测量进行了精确的测量。其中的最小二乘法拟合的压力数据的变化区间是在0到0.06Mpa之间波动的，在该范围内将其分为等值的三等分，然后对这每一个等份进行最小二乘法的直线拟合。仿真的结果证明了本文采用的补偿方法对数据的精确度测量以及系统误差的修复是有很大的益处。仿真的结果如表1所示。

6　结语

本论文实现弹丸表面气压数据的调理与采集用到了模拟信号，该信号是由压力传感器输出的。调理电路是尽量消除传感器中存在的干扰信号，并且把传感器中的最初信号放大的过程。信号处理电路模块是对经过单片机C8051F380处理后的信号进行数字信号转化的过程。针对该压力数据的采集模块，本文设计与实现了相应的原理图与软件程序。

［1］张连煜，甘小红，谭宗攀，王更.单兵火箭弹空气动力特性的数值分析与试验研究［J］.弹箭与制导学报，2012，32（4）：168 -169

［2］赵洪章，岳春国，李进贤.基于Fluent的导弹启动特性计算［J］.弹箭与制导报，2007，27（ 2） ： 15-18

［3］陈燕秀.基于单片机的压力测量控制系统研发［J］.微计算机信息，2008，24（ 3/2） ： 102-103

［4］常霞，马建伟.基STM32的列车空气动力学数据采集系统［J］.仪表技术与传感器，2011（4）：45-47

［5］赵洪章，岳春国，李进贤.基于 Fluent 的导弹启动特性计算［J］弹箭与制导学报，2007，27（2）：15-18