周世海,范鵬飛,楊雨迎

(裝甲兵工程學院 兵器工程系，北京 100072)

一種反后坐裝置溫度自動測量技術(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)主要依靠人工測量獲取，仍沒有運用于實裝的自動化檢測裝置;為提高火炮維修保養(yǎng)自動化水平，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的反后坐裝置溫度自動測量記錄技術(shù);通過詳細給出溫度自動測量技術(shù)的主體思路，溫度信號的采集處理流程，單片機的設(shè)計方法，提出一種反后坐裝置溫度自動測量技術(shù)控制方法，并據(jù)此設(shè)計開發(fā)了火炮反后坐裝置溫度自動測量記錄裝置;實驗證明，該自動測試技術(shù)和方法可實現(xiàn)反后坐裝置溫度的自動、快速測量，且具備過溫報警功能，對反后坐裝置的使用保養(yǎng)具有重要應(yīng)用價值。

反后坐裝置; 溫度; 測試; 設(shè)計

0 引言

反后坐裝置由復進機和駐退機兩部分組成，主要用于消耗火炮后坐時的后座動能，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能的大部分轉(zhuǎn)化為不可逆的熱能，使駐退機內(nèi)的液體及駐退機各零部件溫度上升。實驗表明，某型坦克炮的駐退機，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量記錄的方式獲取，在火炮射擊使用過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)的自動化水平。因此急需開展火炮反后坐裝置溫度自動測量技術(shù)研究，實現(xiàn)火炮反后坐裝置溫度的自動測量、采集、儲存、報警等功能，為火炮的維護保養(yǎng)自動化提供技術(shù)基礎(chǔ)。

本文基于單片機技術(shù)，提出了一種反后坐裝置溫度自動測量技術(shù)，通過設(shè)計自動測量的主體方案、分析信號通道、程序編寫，并開展了控制方法分析，實現(xiàn)了反后坐裝置溫度的自動測量、采集、儲存和報警功能，從而促進火炮維護保養(yǎng)工作的高效進行。

1 自動測量技術(shù)總體方案

以反后坐裝置的駐退機作為獲取信號的對象，自動測量技術(shù)總體方案中包括測溫模塊，其設(shè)置在反后坐裝置的駐退機下方，包括光學系統(tǒng)和探測器，當火炮后坐駐退液輻射的紅外能量通過大氣媒介傳輸?shù)綔y溫模塊時,光學系統(tǒng)將目標輻射的能量匯聚到探測器；清塵裝置，其設(shè)置在反后坐裝置與測溫模塊之間，用于清潔空氣介質(zhì)內(nèi)的灰塵，提高測量精度。校準模塊,其設(shè)置在火炮后坐附近，并包括用于測量環(huán)境溫濕度的溫濕度傳感器；系統(tǒng)模塊，其連接所述探測器和溫濕度傳感器，用于記錄探測器和溫濕度傳感器傳遞的電信號，同時根據(jù)傳遞的電信號計算被測物體的真實溫度；報警裝置，其與所述系統(tǒng)模塊連接，內(nèi)部設(shè)置有蜂鳴器，用于過溫報警。自動測量技術(shù)總體方案圖1所示。

圖1 自動測量技術(shù)總體方案

當火炮工作后，火炮駐退機和復進機協(xié)同工作將火炮復進到原來位置，安裝在駐退機正下方的紅外測溫傳感器會探測駐退機內(nèi)釋放出來的紅外信號，紅外測溫傳感器接收信號送至系統(tǒng)板，系統(tǒng)板收到信號通過D/A轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并在數(shù)碼管中顯示，計數(shù)器記錄一次火炮工作后駐退機的溫度，將計數(shù)器記錄值存入EEPROM備用。另設(shè)定極限值，當溫度值超過這一極限值之后即行報警。

2 自動測量技術(shù)設(shè)計

2.1 紅外測溫傳感器的采集與處理

采用紅外測溫傳感器進行信號的采集，其優(yōu)點是非接觸式的采集信號，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快?；鹋诠ぷ骱?，紅外測溫傳感器通過探頭收集紅外信號傳送給系統(tǒng)板，其由INT0引腳來接受電信號，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。

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

圖3 STM32F103單片機原理圖

2.3 顯示模塊方案的選擇與設(shè)計

采用OLED液晶顯示器，其顯示功能強大、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)計中是利用芯片實現(xiàn)檢測接收電路，實驗證明用OTP-538U型紅外測溫傳感器探頭接收紅外信號，具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。

2.5 報警裝置設(shè)計

反后坐裝置溫度自動測量裝置可以設(shè)置駐退機溫度的報警上限，超過這個溫度將會報警，報警模塊主要由單片機的P2.6口控制，當測距超出100 ℃的時候，單片機上的LED燈亮起。

(1)時鐘電路的設(shè)計。

為了產(chǎn)生時鐘信號，在STM32F103內(nèi)部設(shè)置了一個反相放大器，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)部時鐘發(fā)生器的輸入端。當接通電源時，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)生時鐘信號，本系統(tǒng)使用的石英晶振頻率為8 MHz。

產(chǎn)生時鐘信號電路如圖5所示。

圖5 時鐘電路

(2)復位電路的設(shè)計。

復位功能的引腳是RST7腳，在裝置整個運行時，溫度傳感器會持續(xù)不間斷測量并記錄溫度，全部工作完成后，手動按下復位鍵按鈕，程序計數(shù)器全部清零，如圖6所示。

圖6 復位電路

2.6 電路工作原理及設(shè)計

本系統(tǒng)中使用到的主電源是來自車體自帶24 V電源，經(jīng)過分壓電路的處理接出一個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

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，主要包括主程序設(shè)計、溫度處理子程序、OLED 顯示子程序設(shè)計等。主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器T0工作模式為16 位定時計數(shù)器模式。然后調(diào)用紅外測溫傳感器接收制退液發(fā)出的紅外信號。測出溫度后結(jié)果將以十六進制BCD 碼方式送往OLED 顯示約0.5 s，然后再接收紅外信號重復測量過程。

3 自動測量控制方法

3.1 實現(xiàn)方法

文中提出的反后坐溫度自動測量技術(shù)還可以由一種反后坐裝置溫度自動測量控制方法來實現(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，對光學系統(tǒng)表面的透鏡及周圍空氣介質(zhì)中的粉塵進行吸附清除；

步驟2：通過檢測電壓確定被測物體的表觀溫度；

(1)

式中，Vin為檢測到的電壓值，R為探測器的靈敏度，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)溫度傳感器測得的環(huán)境溫度Tenv，濕度傳感器測得的相對濕度RHenv，其為百分數(shù)，修正測量誤差，計算被測物體的真實溫度，

(3)

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

步驟5：被測物體的真實溫度Treal顯示在顯示屏上，當Treal≥Tpre時，蜂鳴器開關(guān)開啟，進行報警。Tpre預先存儲在單片機中，測得的Treal實時記錄在存儲單元中。

3.2 軟件編程

為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易測量溫度，主程序采用C語言編寫，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，清除計數(shù)值；

2)紅外測溫傳感器接收紅外信號；

3)紅外測溫傳感器解算紅外信號轉(zhuǎn)換電信號傳輸給單片機；

4)單片機處理溫度值；

5)單片機將測量溫度進行處理后的溫度值，顯示在OLED上；

6)當測量溫度大于100℃時，報警系統(tǒng)燈亮；

7)當按下復位鍵時，啟動復位功能。

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上存儲從地址"0Eh"

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

DATA=MEM_READ(0x00, 0x07);

// 從MLX90614RAM07h閱讀對象的溫度

p->obj_tmp=CALTEMP(DATA);

……

3.3 試驗結(jié)果與分析

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

4 結(jié)束語

通過提出一種溫度自動測量技術(shù)及其控制方法，利用紅外輻射測溫裝置，能夠顯示火炮反后坐裝置溫度，同時具備存儲溫度數(shù)據(jù)功能，從而可通過大量的數(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；當火炮后坐溫度超過預設(shè)值時，裝備具有報警功能，提高裝備的使用壽命；利用溫濕度傳感器對環(huán)境溫室度進行檢測，進而修正了測量誤差，實現(xiàn)了火炮后坐裝置溫度的精準測量，對射手正確操作使用也起到了監(jiān)督和安全作用，在未來裝備使用和保障上將具備較大的應(yīng)用價值。

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

[2] 高躍飛. 火炮反后坐裝置的設(shè)計[M]. 北京: 國防工業(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[J]. 彈道學報, 2014,(4): 98-101, 106.

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

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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)新基金項目(2014CJ26)。

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

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

TJ38;TJ

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