基于SCA100T的某型導(dǎo)彈水平調(diào)整裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

郭 含 楊 雷 王 茜 邵曦浩

（1.空軍勤務(wù)學(xué)院 徐州 221000）（2.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院軍事代表室 洛陽 471000）（3.93088部隊(duì) 赤峰 024000）

1 引言

某型導(dǎo)彈進(jìn)行技術(shù)維護(hù)時(shí)，為了確保其測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，需要使導(dǎo)彈軸線與大地水平面平行。現(xiàn)用的水平調(diào)整裝置主要由調(diào)整架和光學(xué)傾角儀組成。測(cè)量時(shí)，調(diào)整架固定在導(dǎo)彈的兩個(gè)吊掛上，然后將傾角儀置于調(diào)整架上，根據(jù)傾角儀的測(cè)量結(jié)果調(diào)整導(dǎo)彈位置。

由于采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，在調(diào)整調(diào)節(jié)過程中存在以下問題：第一，操作繁瑣，使用時(shí)至少需要兩人操作，一人觀察傾角儀的測(cè)量結(jié)果，另一人進(jìn)行導(dǎo)彈位置的調(diào)整；第二，調(diào)整架和傾角儀分別放置于不同的箱內(nèi)，而且調(diào)整架的體積較大，不符合小型化、便攜式的保障趨勢(shì)，不便轉(zhuǎn)移運(yùn)輸；第三，由于傾角儀采用水泡式結(jié)構(gòu)，不能有效判斷需要調(diào)整的幅度大小，導(dǎo)致調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)，制約保障效率提升。因此，需要設(shè)計(jì)一種適用于該型導(dǎo)彈的便攜式水平調(diào)整裝置，解決上述出現(xiàn)的問題和不足，提高導(dǎo)彈的保障效率。

2 總體設(shè)計(jì)

對(duì)于該型導(dǎo)彈的水平調(diào)整裝置要滿足以下要求：1）具有較高的檢測(cè)精度（誤差不大于0.1°），保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性；2）具有低電流、低功耗、防靜電和電磁干擾等特點(diǎn)，防止對(duì)導(dǎo)彈本身產(chǎn)生影響，或者外部干擾影響到儀器的測(cè)量結(jié)果；3）具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力（溫度、濕度等）；4）裝置體積較小、便于轉(zhuǎn)移運(yùn)輸。

另外，從操作的簡(jiǎn)便性來說，還應(yīng)具有傾角顯示和到位報(bào)警提示功能，這樣，可以使操作人員及時(shí)了解需要調(diào)整的幅度大小，以減少調(diào)整的時(shí)間。根據(jù)測(cè)量需求，該型便攜式水平調(diào)整裝置總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 某型導(dǎo)彈便攜式水平調(diào)整裝置總體設(shè)計(jì)

3 硬件設(shè)計(jì)

便攜式水平調(diào)整裝置硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。傾角傳感器用于采集導(dǎo)彈在測(cè)試架（車）上的傾斜角度，通過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，將處理的信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)［1～2］。單片機(jī)是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的核心，用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理，單片機(jī)將處理后的傾角信息通過顯示器反饋給操作人員，指導(dǎo)人員進(jìn)行導(dǎo)彈水平調(diào)整。當(dāng)調(diào)整到一定的范圍內(nèi)，報(bào)警提示電路工作，提示操作人員此時(shí)導(dǎo)彈的水平已經(jīng)滿足要求。

圖2 水平調(diào)整裝置硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件選型

1）傾角傳感器選型

SCA100T-D01是一款基于3D-MEMS技術(shù)，測(cè)量范圍為±30°的高分辨率X、Y雙軸傾角傳感器芯片。主要有以下特點(diǎn)：（1）體積小、質(zhì)量輕（＜1.2g），抗震性強(qiáng)，可承受20000g的機(jī)械沖擊，穩(wěn)定性高；（2）采用+5V直流單電源供電，工作電流4mA；（3）內(nèi)置信號(hào)調(diào)理電路，能對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，以線性模擬電壓輸出，模擬量（帶寬10Hz）輸出分辨率 0.0035°，輸出靈敏度為 4V/g；（4）工作溫度-40℃～125℃，內(nèi)置溫度傳感器可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償［3-5］。綜合分析，該型傾角傳感器符合測(cè)量需求。

其作用原理如圖3所示，當(dāng)SCA100T-D01放置于光滑平面時(shí)，只受重力作用；當(dāng)傳感器位于XOY斜面時(shí)，X、Y軸方向分別受到g·sinα和g·cosα的分量作用（其中g(shù)表示重力加速度，α表示水平傾角），然后分別將X、Y軸測(cè)得的力的作用轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出［6］。

圖3 傾角傳感器作用原理

根據(jù)下列公式可將輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為X軸和Y軸方向的傾斜角度。

其中，V0是設(shè)備在0°時(shí)的電壓輸出值，Sensitivity是設(shè)備的靈敏度，SCA100T-D01的offset值為2.5V，靈敏度為4V/g。

2）其他器件選型

STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能COMS8位微控制器。內(nèi)置8KB系統(tǒng)可編程Flash程序存儲(chǔ)器，512字節(jié)RAM，32個(gè)通用I/O接口，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和1個(gè)6向量中斷結(jié)構(gòu)。采用ADC0809逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，其價(jià)格較為便宜，操作安裝簡(jiǎn)單，功率消耗較低，由單個(gè)+5V電源供電。LCD1602液晶顯示器，是一種低壓、微功耗的元件，可顯示2行，每行16個(gè)字符，采用數(shù)字式接口，方便與單片機(jī)進(jìn)行連接，常用于便攜式測(cè)量?jī)x器。通過分析，可利用該顯示器顯示X和Y軸傾角［7～8］。

3.2 內(nèi)部電路設(shè)計(jì)

STC89C52單片機(jī)時(shí)鐘信號(hào)可由內(nèi)部方式產(chǎn)生，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶振頻率選擇12MHz，外加電容可以對(duì)頻率起微調(diào)作用。復(fù)位電路可在上電或芯片工作的任何時(shí)候?qū)纹瑱C(jī)進(jìn)行復(fù)位，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平即可使單片機(jī)復(fù)位，設(shè)計(jì)中采用手動(dòng)按鍵復(fù)位方式。報(bào)警提示電路中由PNP三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)，基極接單片機(jī)，當(dāng)X、Y軸傾角＜0.1°時(shí)，端口變成低電平，驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通，VCC電壓加載到蜂鳴器使其發(fā)聲。

電源可用LM7805穩(wěn)壓器來產(chǎn)生穩(wěn)定的5V電壓，該電路中（如圖4所示），由電池產(chǎn)生6V電壓，經(jīng)LM7805穩(wěn)壓器而產(chǎn)生穩(wěn)定的+5V電壓，其中C5是極性電容，起到穩(wěn)壓的作用，C4是非極性電容，濾除輸出電壓中不是直流的成分。經(jīng)探針測(cè)試，可穩(wěn)定輸出+5V直流電壓。

圖4 電源電路設(shè)計(jì)

綜合上述分析，并結(jié)合設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，將各硬件通過電路連接，得到該測(cè)量裝置的整體電路設(shè)計(jì)。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序如圖5所示，程序運(yùn)行時(shí)，首先對(duì)單片機(jī)、LCD液晶顯示器和傾角傳感器初始化［10-11］。測(cè)量開始后，傳感器將實(shí)時(shí)采集的角度信息經(jīng)轉(zhuǎn)換后傳入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)運(yùn)算程序得到當(dāng)前傾角值，通過調(diào)用顯示子程序?qū)y(cè)量值顯示在LCD液晶顯示器，操作人員根據(jù)顯示的角度信息進(jìn)行導(dǎo)彈位置調(diào)整。當(dāng)精度不滿足要求時(shí)，重復(fù)上述信號(hào)采集、處理、顯示的過程，直到精度滿足＜0.1°的要求時(shí)蜂鳴器報(bào)警，導(dǎo)彈位置調(diào)整完畢。

4.2 顯示程序設(shè)計(jì)

1602液晶顯示器內(nèi)部CG ROM已存儲(chǔ)160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，每一個(gè)字符都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的固定的代碼［12］。如圖6，程序運(yùn)行時(shí)，首先將LCD顯示器初始化，程序查詢LCD的工作狀態(tài)，當(dāng)LCD處于空閑狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)與LCD建立相應(yīng)的通訊控制關(guān)系，然后單片機(jī)將處理后的信息寫入LCD中，LCD對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

圖5 系統(tǒng)主程序

圖6 顯示模塊子程序

4.3 報(bào)警程序設(shè)計(jì)

報(bào)警提示程序就是將實(shí)際測(cè)量的角度值與導(dǎo)彈要求的角度值（＜0.1°）作比較。如果實(shí)際測(cè)量角度較大，則繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量，蜂鳴器不工作；當(dāng)測(cè)量的角度值小于0.1°時(shí)，滿足導(dǎo)彈要求，此時(shí)，報(bào)警電路工作［13］。具體子程序如下：

if（Angle_Value_Result＜0.1）

｛

BEEP_Cnt=5；

｝

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置外觀結(jié)構(gòu)如圖7，上部是裝置本體外加一高精度水平泡，用于調(diào)整，防止測(cè)量誤差過大。下部為金屬底座，通過鎖緊螺釘使裝置的定位面和導(dǎo)彈吊掛的下表面貼緊，保證裝置時(shí)刻與導(dǎo)彈處于同一角度。上、下部通過轉(zhuǎn)接臺(tái)連接，轉(zhuǎn)接臺(tái)可以根據(jù)人員操作位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使顯示屏面向操作人員，方便操作。裝置外殼可采用鋅合金鑄造，以提高裝置的抗沖擊性和耐磨性，同時(shí)，金屬外殼也可起到一定的防靜電和屏蔽外部電磁干擾的作用。另外，整個(gè)裝置功耗低、電流很小，產(chǎn)生的電磁輻射很小，滿足導(dǎo)彈測(cè)試要求。

圖7 裝置外觀結(jié)構(gòu)示意圖

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用初步設(shè)計(jì)的裝置對(duì)該型導(dǎo)彈水平進(jìn)行了6次水平調(diào)整實(shí)驗(yàn)，并記錄每次調(diào)整所需時(shí)間，每次調(diào)整后用原調(diào)整裝置檢驗(yàn)。如果原裝置測(cè)量合格，則說明便攜式裝置適用于該導(dǎo)彈的測(cè)量，精度也滿足要求。為判斷工作效率，另外使用原裝置對(duì)導(dǎo)彈水平進(jìn)行6次調(diào)整，同樣測(cè)量出每次所需的時(shí)間，得到測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖8所示。

圖8 利用兩種裝置調(diào)節(jié)水平耗時(shí)對(duì)比

經(jīng)對(duì)比分析，6次實(shí)驗(yàn)便攜式裝置的測(cè)量精度都滿足要求，可以用于該型導(dǎo)彈水平調(diào)整工作。從測(cè)量時(shí)間上看，便攜式裝置比原裝置提高了約50%，主要因?yàn)楸銛y式裝置安裝快速、讀數(shù)方便、操作簡(jiǎn)單和有到位提示功能。綜上分析，設(shè)計(jì)的便攜式水平調(diào)整裝置能初步滿足該型導(dǎo)彈的水平調(diào)整需求，并且在保障效率上有較大提高。

7 結(jié)語

當(dāng)前，戰(zhàn)爭(zhēng)模式的深入變革對(duì)武器裝備保障效率提出了更高的要求，促使保障裝備向通用化、便攜化、信息化加速發(fā)展，以適應(yīng)未來戰(zhàn)爭(zhēng)需要。以單片機(jī)和雙軸高精度傾角傳感器為核心的便攜式水平調(diào)整裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便使用等優(yōu)點(diǎn)，并通過實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證，可滿足某型導(dǎo)彈水平調(diào)整的需求，在調(diào)整時(shí)間上比原裝置大幅減少，對(duì)該型導(dǎo)彈保障效率的提高有一定意義。