基于單片機的風(fēng)洞模型姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計
風(fēng)洞是能人工產(chǎn)生和控制氣流,用以模擬飛行器或物體周圍氣體的流動,并可量度氣流對物體的作用以及觀察物體現(xiàn)象的一種管道試驗設(shè)備。風(fēng)洞在空氣動力學(xué)研究和飛行器設(shè)計中起著十分重要的作用,它的發(fā)展與航空航天技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)[1]。
圖1總體設(shè)計方案
目前的風(fēng)洞大多以計算機為核心配以其它硬件資源完成風(fēng)洞的風(fēng)速及模型姿態(tài)控制。本文重點介紹以自整角機及其變送器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光電編碼器作為角度傳感器完成模型姿態(tài)控制的原理及方法。
2、硬件總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)用單片機作控制器,采用定位精確的步進電機作為模型姿態(tài)執(zhí)行元件,高精度的角位移傳感器做測量元件,實現(xiàn)對模型的精確控制。系統(tǒng)由微控制器、鍵盤、顯示、攻角及側(cè)滑角采集、姿態(tài)控制、風(fēng)速采集、試驗計時等模塊組成,總體方案如圖1所示。
2.1模型姿態(tài)測量與控制單元硬件組成
模型姿態(tài)即攻角α和側(cè)滑角β的測量控制如圖2所示。所選用FB900C系列角位傳感器及變送器其本身為一單片機系統(tǒng),與系統(tǒng)單片機采用串行通訊。工作過程為通過鍵盤設(shè)置α和β角度,通過角位傳感器和變送器測量系統(tǒng)當(dāng)前角度,計算出要轉(zhuǎn)過的角度,控制兩個步進電機轉(zhuǎn)動并送顯示。
圖2模型姿態(tài)控制系統(tǒng)方框圖
系統(tǒng)采用Atmel公司的AT89C52單片機,該芯片為51系列增強型,內(nèi)部有8K Flash Rom,三個16位定時計數(shù)器和256字節(jié)RAM。
單片機與步進電機接口使用P1.0~P1.3四條口線控制兩臺步進電機,P1.0和P1.2用來輸出方波信號,P1.1和P1.3用來輸出方向信號。
FB900C系列角位變送器采用自整角機或旋轉(zhuǎn)變壓器作檢測元件,運用最新檢測技術(shù),將旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)過的角度經(jīng)微處理器進行處理后換算成角位移或直線位移,然后以4~20mA的模擬量或串行口輸出。該變送器用自整角機或旋轉(zhuǎn)變壓器組合相當(dāng)于8~16位的絕對編碼器測量精度,其性價比遠(yuǎn)高于編碼器測量方式,是工業(yè)現(xiàn)場最為理想的角位測量模塊。
2.2模型姿態(tài)測量與控制程序設(shè)計
2.2.1 角度測量程序設(shè)計
α、β兩個角度的測量是風(fēng)洞數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的重點,測量角度的精度直接影響到系統(tǒng)的控制精度。因此,測量中的各子程序的要求比較高,又由于角位移傳感器的輸出為ASCⅡ碼,且數(shù)據(jù)最大為79 9999所以,程序中采用了浮點數(shù)運算子程序、整數(shù)與浮點數(shù)之[2]間相互轉(zhuǎn)換子程序,角度測量程序[2]流程如圖3所示。
程序首先從累加器中取得要測量的方向,并把該方向存放在R2中,若R2的值錯誤,程序直接返回不進行任何操作。通過串口取得相應(yīng)方向角位置數(shù)據(jù)后,調(diào)用進制轉(zhuǎn)換程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為浮點數(shù),此時對R2中的方向值進行判斷,獲得該方向上的傳動比,計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為十進制后也通過判斷R2中的方向值獲得數(shù)據(jù)存放的單元地址。
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