周世海,范鵬飛,楊雨迎

(裝甲兵工程學(xué)院 兵器工程系，北京 100072)

一種反后坐裝置溫度自動(dòng)測(cè)量技術(shù)及其控制方法研究

周世海,范鵬飛,楊雨迎

(裝甲兵工程學(xué)院 兵器工程系，北京 100072)

溫度是反映裝甲車輛火炮反后坐裝置性能的重要參量，而目前反后坐裝置溫度等關(guān)鍵參數(shù)主要依靠人工測(cè)量獲取，仍沒(méi)有運(yùn)用于實(shí)裝的自動(dòng)化檢測(cè)裝置;為提高火炮維修保養(yǎng)自動(dòng)化水平，使成員方便快捷地掌握反后坐裝置的工作狀況，提出了一種基于單片機(jī)的反后坐裝置溫度自動(dòng)測(cè)量記錄技術(shù);通過(guò)詳細(xì)給出溫度自動(dòng)測(cè)量技術(shù)的主體思路，溫度信號(hào)的采集處理流程，單片機(jī)的設(shè)計(jì)方法，提出一種反后坐裝置溫度自動(dòng)測(cè)量技術(shù)控制方法，并據(jù)此設(shè)計(jì)開發(fā)了火炮反后坐裝置溫度自動(dòng)測(cè)量記錄裝置;實(shí)驗(yàn)證明，該自動(dòng)測(cè)試技術(shù)和方法可實(shí)現(xiàn)反后坐裝置溫度的自動(dòng)、快速測(cè)量，且具備過(guò)溫報(bào)警功能，對(duì)反后坐裝置的使用保養(yǎng)具有重要應(yīng)用價(jià)值。

反后坐裝置; 溫度; 測(cè)試; 設(shè)計(jì)

0 引言

反后坐裝置由復(fù)進(jìn)機(jī)和駐退機(jī)兩部分組成，主要用于消耗火炮后坐時(shí)的后座動(dòng)能，并使其后座控制在一定范圍內(nèi)，保證火炮正常工作。反后坐裝置主要將火炮后座動(dòng)能的大部分轉(zhuǎn)化為不可逆的熱能，使駐退機(jī)內(nèi)的液體及駐退機(jī)各零部件溫度上升。實(shí)驗(yàn)表明，某型坦克炮的駐退機(jī)，每發(fā)射一發(fā)炮彈溫度升高2.5℃。通常，駐退液溫度是衡量反后坐裝置性能的重要參量[1-4]。

目前，駐退液溫度主要依靠人工測(cè)量記錄的方式獲取，在火炮射擊使用過(guò)程中存在不便于操作、記錄，且效率低下，難以滿足火炮維修保養(yǎng)的自動(dòng)化水平。因此急需開展火炮反后坐裝置溫度自動(dòng)測(cè)量技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)火炮反后坐裝置溫度的自動(dòng)測(cè)量、采集、儲(chǔ)存、報(bào)警等功能，為火炮的維護(hù)保養(yǎng)自動(dòng)化提供技術(shù)基礎(chǔ)。

本文基于單片機(jī)技術(shù)，提出了一種反后坐裝置溫度自動(dòng)測(cè)量技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)自動(dòng)測(cè)量的主體方案、分析信號(hào)通道、程序編寫，并開展了控制方法分析，實(shí)現(xiàn)了反后坐裝置溫度的自動(dòng)測(cè)量、采集、儲(chǔ)存和報(bào)警功能，從而促進(jìn)火炮維護(hù)保養(yǎng)工作的高效進(jìn)行。

1 自動(dòng)測(cè)量技術(shù)總體方案

以反后坐裝置的駐退機(jī)作為獲取信號(hào)的對(duì)象，自動(dòng)測(cè)量技術(shù)總體方案中包括測(cè)溫模塊，其設(shè)置在反后坐裝置的駐退機(jī)下方，包括光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器，當(dāng)火炮后坐駐退液輻射的紅外能量通過(guò)大氣媒介傳輸?shù)綔y(cè)溫模塊時(shí),光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)輻射的能量匯聚到探測(cè)器；清塵裝置，其設(shè)置在反后坐裝置與測(cè)溫模塊之間，用于清潔空氣介質(zhì)內(nèi)的灰塵，提高測(cè)量精度。校準(zhǔn)模塊,其設(shè)置在火炮后坐附近，并包括用于測(cè)量環(huán)境溫濕度的溫濕度傳感器；系統(tǒng)模塊，其連接所述探測(cè)器和溫濕度傳感器，用于記錄探測(cè)器和溫濕度傳感器傳遞的電信號(hào)，同時(shí)根據(jù)傳遞的電信號(hào)計(jì)算被測(cè)物體的真實(shí)溫度；報(bào)警裝置，其與所述系統(tǒng)模塊連接，內(nèi)部設(shè)置有蜂鳴器，用于過(guò)溫報(bào)警。自動(dòng)測(cè)量技術(shù)總體方案圖1所示。

圖1 自動(dòng)測(cè)量技術(shù)總體方案

當(dāng)火炮工作后，火炮駐退機(jī)和復(fù)進(jìn)機(jī)協(xié)同工作將火炮復(fù)進(jìn)到原來(lái)位置，安裝在駐退機(jī)正下方的紅外測(cè)溫傳感器會(huì)探測(cè)駐退機(jī)內(nèi)釋放出來(lái)的紅外信號(hào)，紅外測(cè)溫傳感器接收信號(hào)送至系統(tǒng)板，系統(tǒng)板收到信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并在數(shù)碼管中顯示，計(jì)數(shù)器記錄一次火炮工作后駐退機(jī)的溫度，將計(jì)數(shù)器記錄值存入EEPROM備用。另設(shè)定極限值，當(dāng)溫度值超過(guò)這一極限值之后即行報(bào)警。

2 自動(dòng)測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 紅外測(cè)溫傳感器的采集與處理

采用紅外測(cè)溫傳感器進(jìn)行信號(hào)的采集，其優(yōu)點(diǎn)是非接觸式的采集信號(hào)，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快?；鹋诠ぷ骱螅t外測(cè)溫傳感器通過(guò)探頭收集紅外信號(hào)傳送給系統(tǒng)板，其由INT0引腳來(lái)接受電信號(hào)，依靠數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)整合數(shù)據(jù)[5-6]。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)框圖

2.2 裝置系統(tǒng)板的選擇

綜合考慮系統(tǒng)板基本性能參數(shù)、存儲(chǔ)介質(zhì)、芯片的封裝形式、芯片的功耗、芯片保密性能、抗干擾性能等多方面，選擇STM32F103單片機(jī)。

STM32F103在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)完全兼容，采用LOFP48系列封裝。ARM 32位的Cortex-M3最高工作頻率可達(dá)72 MHz，低功耗，不占用戶資源[7]。單片機(jī)原理圖如圖3所示。

圖3 STM32F103單片機(jī)原理圖

2.3 顯示模塊方案的選擇與設(shè)計(jì)

采用OLED液晶顯示器，其顯示功能強(qiáng)大、清晰，且采用并行數(shù)據(jù)傳輸，電壓低、省電效率高。采用0.96寸OLED顯示屏的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2.4 裝置紅外接收電路

紅外接收電路原理圖如圖4所示。

表1 OLED顯示屏的主要技術(shù)參數(shù)

圖4 紅外接收原理圖

本設(shè)計(jì)中是利用芯片實(shí)現(xiàn)檢測(cè)接收電路，實(shí)驗(yàn)證明用OTP-538U型紅外測(cè)溫傳感器探頭接收紅外信號(hào)，具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。

2.5 報(bào)警裝置設(shè)計(jì)

反后坐裝置溫度自動(dòng)測(cè)量裝置可以設(shè)置駐退機(jī)溫度的報(bào)警上限，超過(guò)這個(gè)溫度將會(huì)報(bào)警，報(bào)警模塊主要由單片機(jī)的P2.6口控制，當(dāng)測(cè)距超出100 ℃的時(shí)候，單片機(jī)上的LED燈亮起。

(1)時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)。

為了產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，在STM32F103內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)反相放大器，PD0是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸入端，PD1是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端，也是內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。當(dāng)接通電源時(shí)，PD0和PD1外接石英晶振，使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率振蕩，就產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，本系統(tǒng)使用的石英晶振頻率為8 MHz。

產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)電路如圖5所示。

圖5 時(shí)鐘電路

(2)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。

復(fù)位功能的引腳是RST7腳，在裝置整個(gè)運(yùn)行時(shí)，溫度傳感器會(huì)持續(xù)不間斷測(cè)量并記錄溫度，全部工作完成后，手動(dòng)按下復(fù)位鍵按鈕，程序計(jì)數(shù)器全部清零，如圖6所示。

圖6 復(fù)位電路

2.6 電路工作原理及設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中使用到的主電源是來(lái)自車體自帶24 V電源，經(jīng)過(guò)分壓電路的處理接出一個(gè)12 V的電壓。分壓電路的電路圖如圖7所示。

圖7 分壓電壓電路圖

再用L7805CV為主的電路將12 V電壓轉(zhuǎn)換+5 V電壓。電路原理圖如圖8所示。

圖8 電路原理圖

這是一個(gè)三端集成穩(wěn)壓電源應(yīng)用電路，電源電壓經(jīng)分壓后得到的+12 V電壓，在輸出端即可得到穩(wěn)定的輸出電壓+5 V。

2.7 裝置程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主程序設(shè)計(jì)、溫度處理子程序、OLED 顯示子程序設(shè)計(jì)等。主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式。然后調(diào)用紅外測(cè)溫傳感器接收制退液發(fā)出的紅外信號(hào)。測(cè)出溫度后結(jié)果將以十六進(jìn)制BCD 碼方式送往OLED 顯示約0.5 s，然后再接收紅外信號(hào)重復(fù)測(cè)量過(guò)程。

3 自動(dòng)測(cè)量控制方法

3.1 實(shí)現(xiàn)方法

文中提出的反后坐溫度自動(dòng)測(cè)量技術(shù)還可以由一種反后坐裝置溫度自動(dòng)測(cè)量控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖9所示。

圖9 控制方法流程圖

該方法包括以下步驟：

步驟1：開啟所述清塵裝置，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)表面的透鏡及周圍空氣介質(zhì)中的粉塵進(jìn)行吸附清除；

步驟2：通過(guò)檢測(cè)電壓確定被測(cè)物體的表觀溫度；

(1)

式中，Vin為檢測(cè)到的電壓值，R為探測(cè)器的靈敏度，αair為與衰減距離有關(guān)的常數(shù)，ε為輻射率，σ為斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)，REH為光學(xué)系統(tǒng)的分辨率；

步驟3：線性化處理得到物體的表觀溫度Tmea，進(jìn)行輻射率校正為中間溫度，

其校正式為：

(2)

式中，ε(T)為輻射率，取值0.1～0.9；

步驟4：根據(jù)溫度傳感器測(cè)得的環(huán)境溫度Tenv，濕度傳感器測(cè)得的相對(duì)濕度RHenv，其為百分?jǐn)?shù)，修正測(cè)量誤差，計(jì)算被測(cè)物體的真實(shí)溫度，

(3)

式中，RHrul為常規(guī)相對(duì)濕度，取值為百分?jǐn)?shù)，ε(E)為溫度傳感器的修正值，取值0.1～0.9；

步驟5：被測(cè)物體的真實(shí)溫度Treal顯示在顯示屏上，當(dāng)Treal≥Tpre時(shí)，蜂鳴器開關(guān)開啟，進(jìn)行報(bào)警。Tpre預(yù)先存儲(chǔ)在單片機(jī)中，測(cè)得的Treal實(shí)時(shí)記錄在存儲(chǔ)單元中。

3.2 軟件編程

為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易測(cè)量溫度，主程序采用C語(yǔ)言編寫，其滿足的主要功能包括：

1)系統(tǒng)控制初始化OLED、初始化溫度處理部分，清除計(jì)數(shù)值；

2)紅外測(cè)溫傳感器接收紅外信號(hào)；

3)紅外測(cè)溫傳感器解算紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換電信號(hào)傳輸給單片機(jī)；

4)單片機(jī)處理溫度值；

5)單片機(jī)將測(cè)量溫度進(jìn)行處理后的溫度值，顯示在OLED上；

6)當(dāng)測(cè)量溫度大于100℃時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)燈亮；

7)當(dāng)按下復(fù)位鍵時(shí)，啟動(dòng)復(fù)位功能。

主程序的部分代碼如下所示：

……

voidMLX90614_Init(void)

{

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);

_SCL_IO();

_SDA_OUTPUT();

SCL(0);

delayms(3); // 轉(zhuǎn)換PWM模式到SMBUS模式

SCL(1);

}

voidMLX90614_Read(MLX90614 *p)

{

//u8slaveaddress;

u32DATA;

//slaveaddress=MEM_READ(0x00, 0x2E);

// 在EEPROM上存儲(chǔ)從地址"0Eh"

//DATA[4] =MEM_READ(0x00, 0x20);

DATA=MEM_READ(0x00, 0x07);

// 從MLX90614RAM07h閱讀對(duì)象的溫度

p->obj_tmp=CALTEMP(DATA);

……

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

坦克射擊時(shí)往往伴隨著強(qiáng)烈震動(dòng)等惡劣工作環(huán)境，因而給測(cè)試儀器的正常工作增加了一定難度。在實(shí)車測(cè)試中，火炮反后坐裝置溫度自動(dòng)測(cè)量記錄裝置能夠完成對(duì)應(yīng)的測(cè)試功能，與人工測(cè)量相比，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)火炮反后坐溫度更加精確的自動(dòng)化測(cè)量。下一步應(yīng)當(dāng)繼續(xù)改進(jìn)其總體結(jié)構(gòu)，在加裝防護(hù)殼的同時(shí)，使其更加緊湊，更加容易安置于坦克內(nèi)部。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)提出一種溫度自動(dòng)測(cè)量技術(shù)及其控制方法，利用紅外輻射測(cè)溫裝置，能夠顯示火炮反后坐裝置溫度，同時(shí)具備存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)功能，從而可通過(guò)大量的數(shù)據(jù)研究其后坐規(guī)律，更好地維修保養(yǎng)火炮反后坐裝置；當(dāng)火炮后坐溫度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，裝備具有報(bào)警功能，提高裝備的使用壽命；利用溫濕度傳感器對(duì)環(huán)境溫室度進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而修正了測(cè)量誤差，實(shí)現(xiàn)了火炮后坐裝置溫度的精準(zhǔn)測(cè)量，對(duì)射手正確操作使用也起到了監(jiān)督和安全作用，在未來(lái)裝備使用和保障上將具備較大的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 王國(guó)輝. 裝甲車輛武器系統(tǒng)[M]. 北京：裝甲兵工程學(xué)院, 2014.

[2] 高躍飛. 火炮反后坐裝置的設(shè)計(jì)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2010.

[3] 謝克瑜, 袁偉群, 徐 蓉, 等. 電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)后坐力研究及反后坐裝置設(shè)計(jì)[J]. 彈道學(xué)報(bào), 2014,(4): 98-101, 106.

[4] 杜中華, 狄長(zhǎng)春. 某火炮復(fù)雜反后坐裝置工作特性仿真分析[J]. 機(jī)械工程師, 2011,(2): 96-99.

[5] 郁有文. 傳感器原理及工程應(yīng)用[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2000.

[6] 猛立凡. 傳感器原理與應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2011.

[7] 楊代華. 單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社, 2003.

Research on Automatic Testing Technology and its Controlling Method for Recoil System Temperature

Zhou Shihai，F(xiàn)an Pengfei，Yang Yuying

(Department of Arms Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Temperature, which is one important parameter that reflects on the recoil system performance of armored vehicles, is mainly obtained through the work done by hand. And now it lacks automatic diagnosing device used for equipment. In order to improve automation level of the cannon maintenance and simplify the acquiring process of working condition, it puts forward the automatic testing technology for recoil system temperature. Via giving the principal thinking, the signal collection and transaction procedure and SCM design method, it also puts forward a kind of automatic measuring controlling method for recoil system temperature. Based on this new method, it designs and develops the measuring and recording device of temperature for recoil system. It verifies that the automatic testing technology and controlling method can realize the function of automatic and rapid testing temperature for recoil system, and can also give an alarm when the temperature is high enough, it has important application value for the recoil system maintenance.

recoil system；temperature；testing；design

2016-11-15；

2016-12-15。

原始創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2014CJ26)。

周世海(1976-)，男，講師，碩士，主要從事武器系統(tǒng)運(yùn)用工程方向的研究。

1671-4598(2017)05-0115-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TJ38;TJ

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