張 馳，王天輝，劉宗杰

(中國人民解放軍 91851部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

氮?dú)庾鳛槎栊詺怏w，化學(xué)性質(zhì)不活躍，氮?dú)夥肿颖妊鯕夥肿哟螅軠囟扔绊戄^小，常用于保護(hù)氣體[1-2]。某艦載防空導(dǎo)彈因長期在艦艇上值班，其發(fā)射筒內(nèi)要保持一定壓力的氮?dú)?，?duì)導(dǎo)彈進(jìn)行保護(hù)，以防止導(dǎo)彈內(nèi)部器件，因高溫、鹽霧、潮濕等環(huán)境影響而造成性能下降，從而影響導(dǎo)彈整體性能。

部隊(duì)長期使用的充氮裝置，采用手動(dòng)控制截止閥和肉眼觀察箱上壓力表數(shù)值來協(xié)調(diào)完成對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射筒充氣，自動(dòng)化程度較低，工作過程中需要多人配合操作，充氮操作時(shí)間長、效率低。特別是該充氮設(shè)備采用靠機(jī)械指針的壓力表，通過觀察指針來判斷箱內(nèi)壓力是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，易造成箱內(nèi)壓力誤差較大。后續(xù)針對(duì)某捷聯(lián)慣導(dǎo)的導(dǎo)彈研制改進(jìn)的自動(dòng)充氣設(shè)備，解決了需要操作人數(shù)多以及人眼來觀察的問題，但其體積較大，不具備便攜性，僅適用于技術(shù)陣地發(fā)射筒的充氮保養(yǎng)，難以滿足某艦載防空武器使用要求[3-5]。為此，結(jié)合某防空導(dǎo)彈實(shí)際使用環(huán)境，本文設(shè)計(jì)一種便攜式自動(dòng)充氮裝置，能夠根據(jù)外界壓力、溫度等參數(shù)計(jì)算發(fā)射筒內(nèi)合適的氮?dú)鈮毫?，然后自?dòng)完成發(fā)射筒排氣和充氣操作，該裝置集成度高、體積較小，能夠滿足艦艇使用空間要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

便攜式充氮裝置由控制系統(tǒng)、觸摸屏顯示系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)構(gòu)成。該裝置通過采用單片機(jī)自動(dòng)控制和智能傳感器測(cè)量技術(shù)[6-7]，能夠快速實(shí)現(xiàn)發(fā)射筒自動(dòng)放氣和自動(dòng)充氣，具有功能如下：

1)自動(dòng)檢測(cè)并顯示大氣壓力、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、筒內(nèi)濕度和壓力，筒內(nèi)濕度和壓力超出使用范圍，具有語音和中文提示、報(bào)警功能；

2)根據(jù)實(shí)際大氣壓力值及環(huán)境溫度值，自動(dòng)計(jì)算并顯示理論氣壓值；

3)根據(jù)計(jì)算的理論氣壓值，自動(dòng)完成發(fā)射筒排氣和充氣操作。

便攜式充氮裝置采用以單片機(jī)為核心，自動(dòng)控制各部件協(xié)調(diào)工作。壓力傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器把當(dāng)前壓力值、溫度值與當(dāng)前相對(duì)濕度值轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入單片機(jī)運(yùn)算單元[8]。單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)本地環(huán)境溫度及大氣壓力，自動(dòng)計(jì)算出最適合筒彈保存的理論氣壓值，通過控制電磁閥的通斷來控制自動(dòng)排氣或充氣，使得發(fā)射筒內(nèi)壓力和濕度滿足要求[9-10]。其工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是便攜式充氮裝置的指揮中心，由于是小型可移動(dòng)設(shè)備，只能選擇單片機(jī)或PLC作為控制系統(tǒng)的核心?？紤]到工作環(huán)境比較惡劣及工作的可靠性，首先確定采用可靠性較高的單片機(jī)為自動(dòng)控制的核心部件。單片機(jī)選擇ATMEL公司的ATmega32L可編程控制器，其可靠性較高，并可靈活選擇I/O端口及A/D模塊，可觀察設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及靈活修改參數(shù)的設(shè)定值[11-13]。該單片機(jī)具有32 k的片內(nèi)Flash，1 024字節(jié)的EEPROM，2 k字節(jié)片內(nèi)SRAM，其連接原理圖如圖2所示。外部擴(kuò)張存儲(chǔ)器選用AT24C02，數(shù)據(jù)掉電不丟失，用來存儲(chǔ)報(bào)警信息和幫助信息[14]。通訊芯片選用MAX488，通訊方式為全雙工RS422,該通信方式抗干擾性強(qiáng)，傳輸可靠；輸出控制芯片選用MOC3081，為光電隔離雙向可控硅控制芯片，能有效的驅(qū)動(dòng)電磁閥工作，防止因干擾信號(hào)造成電磁閥誤動(dòng)作；大氣壓力測(cè)量選用MS5801大氣壓力傳感器來,測(cè)量范圍10～1 300 mbar，測(cè)量精度±1.5 mbar，滿足設(shè)備測(cè)量需要；發(fā)射筒內(nèi)壓力測(cè)量選用高性能壓力傳感器DS4525DO，測(cè)量范圍可達(dá)300 psi；溫濕度測(cè)量選用溫濕度傳感器SHT75，溫度測(cè)量范圍為-40～+123.8 ℃，濕度測(cè)量范圍為0～100 RH，溫度測(cè)量精度為±0.3 ℃，濕度測(cè)量精度為±1.8 RH[15]。傳感器采集數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)，經(jīng)過計(jì)算后控制電磁閥和顯示器顯示。其硬件連接原理圖如圖3所示。

圖2 單片機(jī)電路圖

圖3 控制系統(tǒng)硬件連接原理圖

2.2 觸摸屏顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

觸摸屏顯示系統(tǒng)是人機(jī)交互的主體，主要將傳感器采集的數(shù)據(jù)和理論氣壓等以數(shù)字形式數(shù)據(jù)顯示，并有“補(bǔ)氣”、“校準(zhǔn)”、“幫助”等3個(gè)按鈕。顯示操作屏選用日本三菱公司GOT1000，顯示采用液晶點(diǎn)陣方式,數(shù)字顯示環(huán)境溫濕度、大氣壓、筒內(nèi)濕度、筒內(nèi)壓力及補(bǔ)氣全過程，全部操作過程均采用中文顯示[16]，觸摸屏顯示系統(tǒng)與單片機(jī)數(shù)據(jù)交互采用RS422通信，采用差分信號(hào)，能夠有效提高信號(hào)的抗干擾能力，接口為DB9連接器。其硬件連接電路圖如圖4所示，觸摸屏顯示界面設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖4 觸摸屏與單片機(jī)通信電路圖

圖5 觸摸屏顯示系統(tǒng)主界面

2.3 氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣路是氮?dú)鈴臍庠吹桨l(fā)射筒的流經(jīng)的路徑，由于氣源壓力較高，為了保證安全和流量控制的穩(wěn)定性，本裝置設(shè)計(jì)兩級(jí)減壓，將管路中的氮?dú)鈮毫刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)。氣路主要包括減壓器、高耐壓的PU管路、接頭、進(jìn)氣閥、放氣閥及充氣槍等組成，主要是通過控制系統(tǒng)，控制進(jìn)氣閥和放氣閥的通斷，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射筒內(nèi)氣體的充放[17]。其連接原理見圖6所示。

圖6 氣路原理圖

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮使用空間限制，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)裝備的尺寸和操作便攜性。便攜式充氮裝置外形尺寸(長×寬×高)設(shè)計(jì)為：540 mm×420 mm×200 mm。箱體內(nèi)按功能分布，控制部分位于上層、控制部分往下為氣路部分，底層還分布著附件層及氣瓶儲(chǔ)倉層，觸摸顯示器、開關(guān)及報(bào)警提示喇叭位于上表面，側(cè)面分布著一個(gè)進(jìn)氣口、3個(gè)出氣口、電源插頭及濕度傳感器，其他傳感器位于箱體內(nèi)部[18]，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 充氣設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主流程設(shè)計(jì)

主程序主要完成數(shù)據(jù)和顯示的監(jiān)控功能，主流程的運(yùn)行時(shí)間為0.5 s。系統(tǒng)啟動(dòng)后，將自動(dòng)運(yùn)行初始化程序，檢測(cè)各設(shè)備硬件是否正常。隨后系統(tǒng)進(jìn)入主界面。在主界面下，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)環(huán)境溫度、大氣壓力、筒內(nèi)壓力、環(huán)境濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如監(jiān)測(cè)數(shù)值超出規(guī)定范圍，系統(tǒng)進(jìn)行文字及語音報(bào)警，同時(shí)根據(jù)外界大氣壓力和溫度等條件，計(jì)算發(fā)射箱內(nèi)的最佳存儲(chǔ)的理論壓力。

在主界面下用戶可以選擇補(bǔ)氣或幫助選項(xiàng)，操作手觸摸“補(bǔ)氣”鍵，系統(tǒng)進(jìn)入補(bǔ)氣流程，自動(dòng)完成補(bǔ)氣操作。幫助界面可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)的幫助信息。便攜式充氮裝置應(yīng)用軟件主流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件主流程圖

3.2 補(bǔ)氣流程設(shè)計(jì)

補(bǔ)氣流程是程序中的主要操作流程，為了保證發(fā)射筒內(nèi)壓力穩(wěn)定，在第一次充氣結(jié)束應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定10秒后，對(duì)筒內(nèi)壓力再進(jìn)行判斷。當(dāng)操作者按壓顯示屏上的“補(bǔ)氣”按鈕，程序進(jìn)入補(bǔ)氣流程，首先打開排氣閥，開始對(duì)發(fā)射筒進(jìn)行排氣，當(dāng)筒內(nèi)壓力小于1 kPa時(shí)，關(guān)閉排氣閥。開始對(duì)發(fā)射筒進(jìn)行補(bǔ)氣，并計(jì)算充氣達(dá)到目標(biāo)壓力所需的充氣時(shí)間，直至到理論時(shí)間值，判斷發(fā)射箱內(nèi)氣壓是否大于理論值，若大于，則保壓10秒，時(shí)間到達(dá)后，對(duì)筒內(nèi)氣壓進(jìn)行檢測(cè)，筒內(nèi)氣壓達(dá)到理論氣壓時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止補(bǔ)氣流程并語音提示操作手復(fù)位；若筒內(nèi)氣壓低于理論氣壓，重新計(jì)算補(bǔ)氣時(shí)間，再次充氣；若筒內(nèi)氣壓大于理論值，則打開排氣閥進(jìn)行排氣，直至筒內(nèi)氣壓滿足理論氣壓(誤差在0.05 kPa之內(nèi))，停止補(bǔ)氣流程并語音提示操作手復(fù)位[19]。具體見流程圖9。

圖9 補(bǔ)氣程序流程圖

為了便于應(yīng)急情況的處理，在補(bǔ)氣過程中，再次點(diǎn)擊“補(bǔ)氣”按鍵，此時(shí)彈出詢問是否退出補(bǔ)氣界面，此時(shí)點(diǎn)擊“是”停止補(bǔ)氣，結(jié)束補(bǔ)氣流程；點(diǎn)擊“否”返回補(bǔ)氣運(yùn)行界面繼續(xù)補(bǔ)氣，直至流程結(jié)束。

3.3 數(shù)據(jù)處理流程設(shè)計(jì)

單片機(jī)接收傳感器采集的設(shè)備參數(shù)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性分析，丟棄無效數(shù)據(jù)；將有效數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)壓力、溫濕度值等，并將數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在便攜式充氮裝置軟件的界面上[20]。當(dāng)環(huán)境溫度超過45 ℃或低于-30 ℃、環(huán)境濕度高于95%RH、大氣壓力高于105.0 kPa、筒內(nèi)氣壓高于80 kPa時(shí)，數(shù)據(jù)檢測(cè)模式會(huì)產(chǎn)生溫度、濕度、壓力超限信號(hào)，自動(dòng)啟動(dòng)顯示報(bào)警、語音報(bào)警及蜂鳴器報(bào)警處理。當(dāng)參數(shù)都恢復(fù)在正常取值范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)取消各個(gè)報(bào)警處理。數(shù)據(jù)報(bào)警子程序流程圖如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)處理流程圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)便攜式充氮裝置使用過程中的3種典型的充氮情況進(jìn)行試驗(yàn)人工記錄，以驗(yàn)證充氣流程是否正確。當(dāng)按壓顯示屏上充氣按鈕開始計(jì)時(shí)，查看計(jì)時(shí)和理論充氣時(shí)間的一致性，驗(yàn)證當(dāng)理論充氣時(shí)間結(jié)束，筒內(nèi)氣壓是否達(dá)到理論氣壓。

試驗(yàn)一：環(huán)境溫度：23.0 ℃，大氣壓強(qiáng)：101.2 kPa，箱內(nèi)濕度:35.0%，箱內(nèi)壓力：5.25 kPa。計(jì)算得到理論充氣氣壓為11.60 kPa。

表1 試驗(yàn)1記錄數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)二：環(huán)境溫度：22.1 ℃，大氣壓強(qiáng)：101.2 kPa，箱內(nèi)濕度:35.0%，箱內(nèi)壓力：5.25 kPa。計(jì)算得到理論充氣氣壓為11.95 kPa。

試驗(yàn)三：環(huán)境溫度：23.0 ℃，大氣壓強(qiáng)：101.2 kPa，箱內(nèi)濕度:35.0%，箱內(nèi)壓力：8.73 kPa，計(jì)算得到理論充氣氣壓為11.86 kPa。

表2 試驗(yàn)2記錄數(shù)據(jù)表

表3 試驗(yàn)3記錄數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)一在第一次理論充氣時(shí)間到穩(wěn)定10 s后，筒內(nèi)氣壓與理論氣壓相等，充氣完成；試驗(yàn)二在第一次理論充氣時(shí)間到穩(wěn)定10 s后，筒內(nèi)氣壓大于理論氣壓，自動(dòng)進(jìn)行放氣，放氣結(jié)束后，筒內(nèi)氣壓與理論氣壓相等，充氣完成；試驗(yàn)三在第一次理論充氣時(shí)間到穩(wěn)定10 s后，筒內(nèi)氣壓小于理論氣壓，再次進(jìn)行充氣，充氣結(jié)束后，筒內(nèi)氣壓與理論氣壓相等，充氣完成。

試驗(yàn)結(jié)果表明：便攜式充氮裝置能夠按照設(shè)計(jì)流程，完成排氣和充氣工作，實(shí)際充氣壓力和理論壓力一致。

5 結(jié)束語

針對(duì)艦載某防空導(dǎo)彈的使用要求，設(shè)計(jì)一種便攜式充氮裝置。該裝置通過采用單片機(jī)自動(dòng)控制和智能傳感器測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射筒的自動(dòng)補(bǔ)充充氣，提高了某艦空導(dǎo)彈發(fā)射筒氣密維護(hù)設(shè)備的自動(dòng)化水平。該裝置采用便攜式設(shè)計(jì)能夠滿足艦艇使用空間要求。通過裝置實(shí)際充放氣試驗(yàn)，驗(yàn)證了軟件設(shè)計(jì)流程的正確性。該裝置已配備使用多型艦艇，用于某艦空導(dǎo)彈筒彈日常維護(hù)，極大地提高了發(fā)射箱的充氮效率，受到用戶的廣泛好評(píng)。