陳 鵬 黃宇新 張宇智 郭志興 楊正波

(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 湖北 襄陽 441053)

1 研究背景及意義

水火箭作為一種科普教學(xué)儀器和動(dòng)手制作類科技作品,是很多中小學(xué)校的特色科技比賽項(xiàng)目,也是中小學(xué)開展科技活動(dòng)的經(jīng)典項(xiàng)目之一，深受青少年朋友的喜愛.水火箭可以讓青少年直觀了解火箭發(fā)射原理、導(dǎo)彈飛行軌跡,可作為中學(xué)生探究牛頓第一、第二、第三定律的實(shí)驗(yàn)探究課題.本系統(tǒng)利用高度計(jì)、加速度計(jì)對(duì)高度、加速度等物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、顯示水火箭飛行狀態(tài)，同時(shí)還可利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)控制降落傘的打開.增強(qiáng)學(xué)生在此活動(dòng)中積極探究,把科學(xué)原理付諸自己設(shè)計(jì)的項(xiàng)目中去體驗(yàn)去改進(jìn).能很好地激勵(lì)青少年學(xué)生參與科普創(chuàng)作,促進(jìn)科學(xué)思想、科學(xué)精神、科學(xué)方法和科學(xué)知識(shí)的傳播和普及,從而培養(yǎng)青少年學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、數(shù)學(xué)素養(yǎng),提高青少年學(xué)生的科技興趣[1].

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)水火箭動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由水火箭、主控監(jiān)測(cè)端、PC端3大部分組成.其中水火箭部分設(shè)計(jì)了水火箭外形、傘艙的結(jié)構(gòu)和主控、舵機(jī)的安裝，該部分需要確保水火箭的正常發(fā)射以及舵機(jī)的正常開傘.主控監(jiān)測(cè)端主要以STM32RCT6為核心，結(jié)合MS5611高度計(jì)、MPU6050加速度計(jì)、WIFI模塊組成基本的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水火箭的高度、溫度、氣壓、加速度等信息.PC端主要利用WIFI模塊接收由主控監(jiān)測(cè)端傳來的水火箭飛行時(shí)的數(shù)據(jù)信息，并通過上位機(jī)軟件將信息用波形圖、柱狀圖等形式展示出來，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的.PC端也可手動(dòng)發(fā)送控制傘艙門的信號(hào)，并反饋至STM32RCT6單片機(jī)，使得舵機(jī)打角開傘，保證了水火箭更安全的回收.系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控部分

主控部分包含STM32RCT6最小系統(tǒng)電路、MS5611氣壓傳感器、加速度傳感器、WIFI模塊、數(shù)字舵機(jī)、LED顯示電路.系統(tǒng)利用氣壓傳感器、加速度傳感器對(duì)飛行中的水火箭進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，WIFI模塊與PC端上位機(jī)進(jìn)行通信，并把姿態(tài)信息用直觀的波形圖展示，同時(shí)也可以通過PC端上位機(jī)向主控板發(fā)送開傘的信號(hào)使舵機(jī)打角開傘，保證水火箭更安全地回收.

3.2 MS5611傳感器

MS5611氣壓傳感器是由MEAS(瑞士)推出的一款SPI和I2C總線接口的新一代高分辨率氣壓傳感器，分辨率可達(dá)到10 cm[2].MS5611提供了一個(gè)精確的24位數(shù)字壓力值和溫度值以及不同的操作模式，可以提高轉(zhuǎn)換速度并優(yōu)化電流消耗.高分辨率的溫度輸出無須額外傳感器可實(shí)現(xiàn)高度計(jì)/溫度計(jì)功能.

4 水火箭制作與發(fā)射

本系統(tǒng)采用水火箭發(fā)射時(shí)所需的基本結(jié)構(gòu)方案，即通過組合市面上常見的發(fā)射架、打氣筒、塑料結(jié)構(gòu)的水火箭尾翼以及水火箭頭構(gòu)成水火箭發(fā)射的基本結(jié)構(gòu)，如圖2所示.在水火箭頭部設(shè)計(jì)了橡皮筋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的傘艙，利用固定后的橡皮筋產(chǎn)生的內(nèi)部彈力，更利于艙門彈開后降落傘的正常釋放.傘艙設(shè)計(jì)如圖3所示.

圖2 水火箭發(fā)射基本結(jié)構(gòu)

圖3 傘艙結(jié)構(gòu)

5 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示.

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

5.1 數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)

數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)以STM32F103RCT6作為主控，通過該主控完成對(duì)水火箭數(shù)據(jù)的采集，最后發(fā)送給PC端，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示.數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)主要分為高度測(cè)量和加速度測(cè)量?jī)刹糠?

高度測(cè)量部分采用MS5611氣壓傳感器，通過測(cè)量得到氣壓和環(huán)境溫度信息，根據(jù)該傳感器使用手冊(cè)提供的轉(zhuǎn)換公式，可以得到水火箭當(dāng)前所處高度.加速度測(cè)量部分采用MPU6050傳感器，它可以獲取加速度和角速度信息.單片機(jī)得到數(shù)據(jù)后通過處理，得到水火箭當(dāng)前加速度數(shù)據(jù)和姿態(tài)信息，并發(fā)送給上位機(jī)端進(jìn)行顯示.

5.2 裝置保護(hù)系統(tǒng)

為避免裝置在著陸時(shí)沖擊地面而導(dǎo)致?lián)p壞，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了一套保護(hù)系統(tǒng)來確保水火箭的可回收性，即裝置保護(hù)系統(tǒng).裝置保護(hù)系統(tǒng)可分為開傘檢測(cè)和舵機(jī)開傘兩種狀態(tài).

開傘檢測(cè)是指水火箭從最高點(diǎn)落下后單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)判斷，當(dāng)降落到一定高度時(shí)進(jìn)入舵機(jī)開傘狀態(tài).

舵機(jī)開傘狀態(tài)是繼開傘檢測(cè)的下一狀態(tài)，當(dāng)高

度符合要求時(shí)執(zhí)行舵機(jī)開傘，讓舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，打開降落傘來增加阻力，從而保證裝置的安全著陸.

5.3 上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

上位機(jī)顯示效果如圖5和圖6所示.

圖5 上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)效果圖(1)

圖6 上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)效果圖(2)

上位機(jī)在工業(yè)控制當(dāng)中又被稱為HMI,就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它的作用是監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)，上位機(jī)上就能顯示出各設(shè)備之間的狀態(tài)(如正常、報(bào)警、故障等).

為了能夠?qū)崟r(shí)觀察水火箭的狀態(tài)，我們采用了伏特加上位機(jī)與單片機(jī)端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，主要用它來測(cè)量水火箭在空中的數(shù)據(jù)，其中包括高度、加速度、氣壓、溫度和姿態(tài)信息等，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化顯示，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)的效果.

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃鸺齽?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng).該設(shè)計(jì)采用STM32F103RCT6單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)，通過WIFI模塊與PC端上位機(jī)保持信號(hào)傳輸.本系統(tǒng)利用傳感器采集技術(shù)、無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃鸺齽?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水火箭飛行過程中的數(shù)據(jù)信息，為水火箭競(jìng)賽參與者提供了調(diào)試方便，也可作為裁判系統(tǒng)輔助裁判與教學(xué)輔助.