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基于STC89C51单片机火炮复进机液量检测仪设计doc

归档日期:07-01       文本归类:反后坐      文章编辑:爱尚语录

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  基于STC89C51单片机火炮复进机液量检测仪设计 复进机是火炮反后坐装置的重要组成部分,起着保证火炮后坐部分回复到正常待发射位置的作用。在火炮发射时,其储存部分后坐能量,后坐终了时使炮身复进到发射前位置;平时保持炮身处于待发状态,在射角大于零时,使炮身不致下滑,在有些火炮上还需要为自动机或半自动机提供能量。 根据储能介质不同,复进机分类很多,大部分牵引火炮、自行火炮及坦克采用液体气压式复进机。而液体气压复进机又分液气混合式和液气分离式两种。液体气压式复进机结构紧凑,可控制液流通道,调节复进速度,应用较广。其缺点是气体的工作特性随温度变化较大,复进机中所用的液量较多,约占总容积的一半以上,必须经常检查液量和气压。 目前,检查火炮复进机液量的通用办法是:炮身在正常位置时,测量一次复进机的气压,然后使炮身人工后坐一定距离,再???出第二次气压,依据气压的变化来确定复进机内的液量是否在允许范围内。这种方法不但精度低、人为误差较大,而且操作复杂,尤其是使炮身人工后坐比较费时费力。针对液体气压式复进机液量检查复杂的问题,已有一些相关研究。液气分离式复进机的检查基本可以做到快速准确,但检测装置很难做到便携,尤其是液气混合式复进机的液量检查由于其结构特点很难做到快速高效。我们通过分析研究液气混合式复进机,为其研制一套操作便捷、测量结果准确的液量检测仪。 液体气压式复进机结构分析 液体气压式复进机按安装形式可分为杆后坐和筒后坐两种,按照结构形式可分为二筒和三筒式。其内部气体用于储能,液体用于传递压力和密封气体。基本结构如图1所示。 图1复进机基本结构图 杆后坐的液体气压式复进机,由于复进杆后坐,为保证任何射角下液体都能可靠地密封气体,通常采用两个筒。一个筒存储高压氮气,称为储气筒;另一个筒内放置带复进杆的复进活塞,称为工作筒。储气筒内放入部分液体以密封气体,保证小射角时气体不致逃逸,在工作筒后端的下方或侧方开通孔与储气筒相通,并使通孔在任何射角下都埋入液体中。为保证复进机正常工作,必须使复进机内气体初压和初容积在设计的范围内,为此设置一开闭器作为检查、调整液量和气压的安全通道。 筒后坐的液体气压式复进机,后座部分的质量相对增大,为保证在任何射角下,液体都能有效地密封气体,一般采用3个筒套装的结构。在内筒和外筒中间增加后方开有通孔的中筒;同时,内筒或中筒相对外筒作偏心布置。 超声波式检测技术介绍 根据液体气压式复进机的特点,基于STC89C51单片机,采用超声波技术,设计超声波式液量检测仪。超声波液量检测仪是根据超声波在不同介质中传输速率的不同,找到复进机中的气液分界面,进而求出复进机的液量。 超声波是指频率大于20kHz,并且能在连续介质中传播的弹性机械波。具有以下优点: ①方向性好。超声波具有像光波一样的方向性,经过专门的设计可以定向发射,利用它可在被检测对象中进行有效的探测。②穿透能力强。对大多数介质而言,它具有较强的穿透能力,特别在一些金属材料中,其穿透能力可达数米。③能量高。超声检测的工作频率远高于声波的频率,具有很高的能量。被检材料的声速、声衰减、声阻抗等特性携带有丰富的能量转换信息,成为广泛应用超声波检测的基础。④遇有界面时,超声波将发生反射、折射和波型的转换。利用超声波在介质中传播时的这些物理现象,经过巧妙的设计,使得超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高,这也是超声检测得以迅速发展的原因。⑤对人体无害、适应性强、检测灵敏度高、设备轻巧、使用灵活、检验速度快。 1超声波传感器 目前,超声波产生方式大致有两类:一类是用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同,因而用途也各不相同。在工程中,目前较为常用的是压电式超声波传感器。 压电式超声波传感器是利用压电晶体的谐振来工作的。压电式超声波发生器的内部有两个压电晶片和一个共振板,当它的两极外加脉冲信号,且其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时即为超声波接收器。 2超声波反射检测原理 超声波反射检测常用于距离的检测,其反射检测原理如图2所示。在超声探测电路中,发射端得到输出脉冲为一系列方波,其宽度为发射超声的时间间隔,被测物距离越大,脉冲宽度越大,输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距有以下方法: ①取输出脉冲的平均值电压,该电压(其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离; ②测量输出脉冲的宽度,即发射超声波到接收超声波的时间间隔t,由单片机的定时功能实现对超声波信号的准确计时,故被测距离为L=1/2vt。其中,L为测量的距离长度;v为超声波在空气中的传播速度。本文提及的液量检测采用第②种方案。 STC89C51单片机的Tmier寄存器实现从P1.0口输出方波信号。当单片机控制超声波发生器向某一方向发射超声波波束,在发射波束的同时,单片机内部定时器开始计时。在传播过程中,超声波遇液面(被测物)后反射回波,超声波接收器接收到第一个反射波后,定时器停止计时。定时器所计的数据就是超声波所经历的时间,通过公式计算就可以得到传感器与液面之间的距离。 超声波液量检测适用于高精度的中长距离测量。超声波的声速与温度有关,如果温度变化不是很大,认为声速基本不变。如果液量检测精度要求很高,则应通过温度补偿的方法来加以校正。不同温度下超声波在空气中的传播速度随温度变化关系为v=331.4+0.61T。 其中,T为实际温度;v的单位为m/s。 图2反射检测原理图 由金属和液体、气体构成的复进机,有较大的声阻抗差并存在许多声学界面。由于超声波在不同的介质中传输速率不同,超声波在其中透射会有较强的反射、散射、吸收和波形畸变等一系列声学现象。不同的物质特性,其声学特性各不相同。当有空洞或裂缝时,超声波传输路程加大,波幅明显降低,绕射信号和直达信号间存在相位差,因此可以对复进机进行超声波检测。 目前,在火炮复进机液量的检测中所常用的声学参数为声速(波速)、振幅、频率以及波形。还有一声学参数-衰减系数,在现场检测中难以运用,通常只用于室内试验研究中。 ①声速(波速)。声速即超声波在介质中传播的速度。各种材料的声速与其弹性性质有关,也与其内部结构(孔隙、材料组成)有关。不同组成的复进机,其声速各不相同。一般来说,弹性模量越高,内部越是致密,其声速也越高。 ②振幅。振幅一般指接收到的超声波能量。接收波的振幅与接收换能器处被测声压成正比,所以接收波振幅反映了接收到的声波强弱。在发出的超声波强度一定的情况下,振幅值大小反应了超声波在复进机中衰减的情况。而超声波的衰减情况又反映了粘塑性能。其强度不仅和弹性性能有关,也和其粘塑性能有关,因此,衰减大小,即振幅高低也能在一定程度反映内部结构的变化。 ③频率。在超声检测中,电脉冲激发出的声脉冲信号是复频超声脉冲波,它包含了一系列不同频率成分的余弦波分量。这种含有各种频率成分的超声波在传播过程中,高频成分首先衰减(被吸收、散射),超声波愈往前传播,高频分量愈少,波的主频率也逐渐下降。 ④波形。波形是指在屏幕上显示的接收波形。当超声波在传播过程中碰到内部气液分界面、裂缝或异物时,由于超声波的绕射、反射和传播路径的复杂化,直达波、反射波、绕射波等各类波相继达到接收换能器,它们的频率和相位各不相同,这些波的叠加会使波形畸变。因此,对接收波波形的研究分析有助于判断内部结构。 超声波液量检测仪硬件设计 1超声波液量检测仪组成 超声波液量检测仪是根据回波测距的原理设计的,由超声波的发射器发射超声波,接收器接收回波。单片机测出从超声波发射脉冲串时到接收回波时的时间差,再由测温系统得知超声波在同温同介质中的传播速度,将声速与时间差相乘,得出传感器与液面之间的距离并显示。其系统框图如图3所示。 图3超声波液量检测仪框图 超声波液量检测仪采用STC89C51单片机,晶振12M,单片机用P1.0口输出超声波换能器所需的40K方波信号,利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号,显示电路采用简单的4位共阳LED数码管,断码用74LS244,位码用8550驱动。采用STC89C51来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚控制超声波的发送,然后单片机不停地检测INT0引脚,当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。同时,板载LCD1602液晶显示屏接口,支持电路外扩展,板上已预留40芯外扩展接口。 2单片机STC89C51 STC单片机是一款增强型51单片机,该单片机具有40个引脚,采用双列直插DIP-40封装。STC推出的系列51单片机芯片全面兼容其他51单片机。STC89C51可以完成ISP在线PROM,可以在程序中修改,而且断电不丢失数据。此外,它还增加了两级中断优先级等,STC89系列单片机的基本特性如图4所示。 图4STC89系列单片机的基本特性图 图5单片机系统及显示电路图 3单片机系统及显示电路 单片机系统及显示电路如图5所示。 4超声波发射电路 超声波发射电路如图6所示。 图6超声波发射电路图 5超声波接收电路 系统采用CX20106A集成电路对接收探头收到的信号进行放大、滤波,减少了电路之间的互相干扰,降低了电噪声。超声波接收电路如图7所 图7超声波接收电路图 CX20106A的引脚注释。①1脚:超声信号输入端,该脚的输入阻抗约为40kΩ。②2脚:该脚与地之间连接RC串联网络,它们是负反馈串联网络的一个组成部分,改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R5或减小C16,将使负反馈量增大,放大倍数下降,反之则放大倍数增大。但C16的改变会影响到频率特性,在使用中一般不必改动,推荐选用参数R5=4.7Ω,C16=3.3μF。③3脚:该脚与地之间连接检波电容,电容量大为平均值检波,瞬间相应灵敏度低;若容量小,则为峰值检波,瞬间相应灵敏度高,但检波输出的脉冲宽度变动大,易造成误动作,推荐参数为3.3μf。④4脚:接地端。⑤5脚:该脚与电源间接入一个电阻,用以设置带通滤波器的中心频率f0,阻值越大,中心频率越低。⑥6脚:该脚与地之间接一个积分电容,标准值为330pF,如果该电容取得太大,会使探测距离变短。⑦7脚:遥控命令输出端,它是集电极开路输出方式,因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端,推荐阻值为220kΩ,没有接收信号时该端输出为高电平,有信号时则产生下降。⑧8脚:电源正极,4.5~5V。 超声波液量检测仪软件设计 超声波液量检测仪的主程序采用键控循环工作方式,当按下测量键时,主程序开始调用发射子程序、接收子程序、温度检测子程序、定时子程序和液量检测子程序,并把测量结果在显示器上显示出来。主程序流程图如图8所示。 由于超声波发射探头和接收探头距离较近,当发射探头发射超声波后,有部分超声波没经过液面反射就直接绕射到接收探头上,这部分信号是无用的。设计中设定延时时间为1ms,采用延时技术来解决这个问题,即在发射极发射超声波1ms内,通过软件关闭所有中断,接收电路不理睬此期间接收到的任何信号,1ms后立即启动INT0,当接收到回波信号时INT0停止。此时INT0所记录的CPU发送脉冲信号的前沿到回波脉冲信号之间的时间才是所需的。 图8主程序流程图 结语 采用超声波液量检测仪对火炮复进机液量进行检测试验,得知其最大检测距离为5m,测量误差为3cm,测试结果如表1所示。 表1测试结果(超声波波速未进行温度补偿)实际值/mm测量值/mm误差值/mm 50428 100937 1201191 240244-4 340347-7 450460-10 550562-12 10001019-19 15001527-27 试验结果表明,该液量检测仪有如下优点:①检测距离较远(5m);②测量精度较高(温度补偿);③测量实时性强;④结构简单、功耗低、易于操作、灵活性强;⑤成本低廉,性能稳定;⑥它有良好的人机界面,能方便地实时显示液量检测数据。

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