基于單片機(jī)的風(fēng)洞模型姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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(dòng)，并可量度氣流對(duì)物體的作用以及觀察物體現(xiàn)象的一種管道試驗(yàn)設(shè)備。風(fēng)洞在空氣動(dòng)力學(xué)研究和飛行器設(shè)計(jì)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(jì)方案

　　目前的風(fēng)洞大多以計(jì)算機(jī)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(diǎn)介紹以自整角機(jī)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(jī)作控制器，采用定位精確的步進(jìn)電機(jī)作為模型姿態(tài)執(zhí)行元件，高精度的角位移傳感器做測(cè)量元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yàn)計(jì)時(shí)等模塊組成，總體方案如圖1所示。

　　2.1模型姿態(tài)測(cè)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(cè)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(jī)系統(tǒng)，與系統(tǒng)單片機(jī)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(cè)量系統(tǒng)當(dāng)前角度，計(jì)算出要轉(zhuǎn)過的角度，控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)，該芯片為51系列增強(qiáng)型，內(nèi)部有8K Flash Rom，三個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器和256字節(jié)RAM。

　　單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)接口使用P1.0~P1.3四條口線控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，P1.0和P1.2用來(lái)輸出方波信號(hào)，P1.1和P1.3用來(lái)輸出方向信號(hào)。

　　FB900C系列角位變送器采用自整角機(jī)或旋轉(zhuǎn)變壓器作檢測(cè)元件，運(yùn)用最新檢測(cè)技術(shù)，將旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)過的角度經(jīng)微處理器進(jìn)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(jī)或旋轉(zhuǎn)變壓器組合相當(dāng)于8~16位的絕對(duì)編碼器測(cè)量精度，其性價(jià)比遠(yuǎn)高于編碼器測(cè)量方式，是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)最為理想的角位測(cè)量模塊。

　　2.2模型姿態(tài)測(cè)量與控制程序設(shè)計(jì)

　　2.2.1 角度測(cè)量程序設(shè)計(jì)

　　α、β兩個(gè)角度的測(cè)量是風(fēng)洞數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的重點(diǎn)，測(cè)量角度的精度直接影響到系統(tǒng)的控制精度。因此，測(cè)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(diǎn)數(shù)運(yùn)算子程序、整數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)之[2]間相互轉(zhuǎn)換子程序，角度測(cè)量程序[2]流程如圖3所示。

　　程序首先從累加器中取得要測(cè)量的方向，并把該方向存放在R2中，若R2的值錯(cuò)誤,程序直接返回不進(jìn)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(jìn)制轉(zhuǎn)換程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，此時(shí)對(duì)R2中的方向值進(jìn)行判斷，獲得該方向上的傳動(dòng)比，計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為十進(jìn)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。