毕业设计（论文）-火箭发动机过载试验中的加速度测试仪器设计

本科毕业设计说明书（论文） 第 43 页 共 43 页1 绪论1.1 概述随着当代科学技术的发展，大量高科技不断被运用到武器系统中，推动着兵器工业快速发展。由于具有威力大、射程远等优点，火箭武器在军事上具有非常重要的地位。火箭发动机是火箭武器最重要的组成部分，直接决定着火箭武器的作战性能。因此，在火箭武器的设计过程中，对其火箭发动机进行严格的性能测试是必不可少的。在火箭武器的飞行中，火箭发动机发生过载是一个比较棘手的问题。发动机过载，将会使固体火箭发动机中装填的固体弹药体碎裂，加速弹药的燃烧，从而影响火箭的有效射程，甚至出现爆炸的事故。为了避免这种情况出现，就需要对固体火箭发动机进行过载试验测试，测量出其所能承受的最大加速度。为了准确快速地测出加速度等参数指标，就需要构建一个性能优良的动态测试系统。本文的主要内容，就是设计出火箭发动机过载试验中的加速度测试仪器，以及其测试软件。1.2 课题背景及意义固体火箭发动机自身的特点决定了其在目前乃至今后仍是战役战术导弹武器系统的主要动力装置。这些特点主要有：维护简单、使用方便；长期待命、立即发射；启动迅速、利于作战；结构紧凑、便于装载。在当今世界各国，近170种战役战术导弹之中，采用了固体火箭发动机的有138种，占80%以上。由此可以预见，在今后相当长的时间内，固体火箭发动机仍将在导弹动力装置中占据优势地位，弹道导弹仍是固体推进技术的重要应用领域1。固体火箭发动机，还被应用在增程弹药上，例如底排-火箭复合增程技术。底排-火箭增程技术是20世纪90年代发展起来的一种新型增程技术。在底排弹上加装固体火箭发动机，可以使炮弹达到更大的射程。底部排气、火箭助推、低阻力和复合等增程方式，是火炮弹药提高射程的基本手段。世界上发展的大口径炮弹，有很多是采用这种技术增程的。这些增程弹依靠火炮发射时获得较高的初速度，通过弹上的火箭发动机实现续航或增程的目的。例如比利时的NR265式155mm远程全膛底排弹，射程达40公里，比普通榴弹增程50%；美国研制的105、155和203mm榴弹炮的火箭增程弹，已成为美国远程弹药的主要弹种；美国为海军研制的一种EX-171式127mm火箭增程弹，其最大射程可达120公里，大大提高了舰船对岸纵深攻击和支援陆地部队作战的能力；近年来，法国也已经成为火箭增程迫击炮弹的佼佼者。为了进一步提高射程，扩大打击范围，法国、美国、俄罗斯、南非等国研制的155mm底排-火箭复合增程弹目前已取得突破性进展。发射这种远程弹，可在地方火炮射程外压制敌方火力，从而获得战争的主动权。如南非的VLAP增程弹，就是使用底排与火箭复合增程技术研制的，射程可达52.5公里。采用这种复合增程技术研制的炮弹，已经由研制阶段走向部队装备使用。在未来的战场上，155mm火炮弹药的射程可达到5080公里，将大大提高炮兵对敌纵深打击的能力。固体火箭发动机过载试验，是评价火箭发动机性能指标的重要参考，影响着火箭发动机的整体性能。由于弹药体设计不合理等因素，使得火箭发动机在某一时刻产生的瞬时加速度过大，超出发动机所能承受的范围，便会导致过载现象。在过载试验中，通过测得的加速度及其内部弹药体碎裂情况，即可以判断发动机工作过程中是否发生过载。通过对其弹药柱体进行相关的处理，降低其瞬时加速度，并经过多次过载试验，从而优化火箭发动机的设计，避免其在实际飞行过程中出现过载现象。1.3 国内外发展状况到目前为止，国内的有关兵工研究所和高校已经进行了相关的研究，但是仍没有研制出比较优良的测试途径。过载试验，已经成为限制固体火箭发动机发展的瓶颈项目。国家有关军事部门积极推动着这方面的发展，即将在南京理工大学航空宇航系立项进行相关研究。国外，已有相关研究人员进行了相关的研究，但是其技术仍然不是很成熟。2 测试系统总体方案设计2.1 轻气炮试验平台2.1.1 轻气炮介绍轻气炮，是指用压缩状态下的轻质气体（氢气或氦气）为发射工质，驱动试验弹丸在膛内加速，并使弹丸在炮口处获得所需的高速实验用炮。根据实验所用的弹丸质量及所需的撞击速度决定驱动气体的种类和压力。发射时将注入气室内的压缩气体进行可控的突然释放，把弹丸推出炮膛，进入靶室撞击靶。气炮结构示意图如图2.1.1所示。图2.1.2所示为四川大学高压科学与技术实验室所使用的二级轻气炮实物图。图2.1.1 气炮结构示意图图2.1.2 二级轻气炮实物图2.1.2 具体应用办法一般的轻气炮是用来发射弹丸，弹丸在发射管中进行加速，达到预定加速度时便飞出发射管，最终射向某个目标。与一般的轻气炮不同，这里的轻气炮其发射管较长，且在发射管中前段位置存在很多排气减压孔，发射管的尾端装有可打开的密封塞，其目的是给高速飞行的火箭发动机减速，待试验完成后方便取出而不会导致损坏。在整个过载试验中，固体火箭发动机一直在发射管中运动直至停止，并不飞出发射管外。此处，使用轻气炮进行过载试验，主要是为了使固体火箭发动机获得较高的加速度，以模拟固体火箭发动机在实际飞行过程中所承受的巨大冲击，及其对弹体内弹药的影响。图2.1.3所示即为其试验示意图。测试仪安装在固体火箭发动机的尾端，在过载试验过程中，固体火箭发动机带着测试仪一起运动，在轻气炮发射管中经历了一个较高的加速过程之后，便进入减速的过程。与此同时，测试仪将固体火箭发动机在飞行运动中的加速度及其尾部所收到的压力测量出来。图2.1.3 轻气炮过载试验示意图2.2 测量方法2.2.1 压力测量压力的测量方法一般有存储式测量和直接式测量。存储式测量，即是将测得获得的信号在经过调理之后进行采集且存储数据，待测试完成后，取出测试电路，通过通讯接口电路，将测试系统电路与PC机进行通讯，进而读取出测试数据。其示意图如图2.1.1所示。压力信号存储式测量电路PC机测试软件通讯接口图2.1.1 存储式测量方法示意图直接式测量，即是将测量获得的信号在经过调理之后，直接与PC机进行通讯，利用数据采集软件直接采集并存储数据。其示意图如图2.1.2所示。压力信号直接式测量电路PC机测试软件PC机数采软件图2.1.2 直接式测量方法示意图存储式测量电路，携带方便，不需要长距离的电缆通讯，避免了电缆对信号的干扰，而且一般的试验都在野外场地进行，携带PC机不太方便。所以，此处选择存储式测试。2.2.2 加速度测量加速度测量方法一般有存储式测量、无线电传输式测量、光电传输式测量和拖线式测量。存储式测量，即是将测得获得的数据在经过调理之后进行采集且存储，待测试完成后，取出测试电路，通过通讯接口电路，将测试系统电路与PC机进行通讯，进而读取出测试数据。其示意图如图2.2.1所示。压力信号存储式测量电路PC机测试软件通讯接口图2.2.1 存储式测量示意图无线电传输式测量，即是将测量获得的信号通过无线电发射装置，传输到气炮外面，并由无线电接收装置接收，将测量数据送入PC机，进行数据采集，并绘制测试曲线。其示意图如图2.2.2所示。压力信号信号测量处理电路PC机测试软件PC机数采软件无线电发射装置无线电接收装置图2.2.2 无线电传输式测量示意图光电传输式测量，即是将测量获得的信号通过光电发射装置，传输到气炮外面，并由光电接收装置接收，将测量数据送入PC机，进行数据采集，并绘制测试曲线。其示意图如图2.2.3所示。压力信号信号测量处理电路PC机测试软件PC机数采软件光电传输发射装置光电传输接收装置图2.2.3 光电传输式测量示意图拖线式测量，即是在测量电路和PC机之间使用一段足够长的传输导线连接起来，当开始测试时，测量电路获得的数据将会经过传输导线到达PC机，数据采集软件进行数据采集，同时测试软件绘制出测试曲线。其示意图如图2.2.4所示。压力信号拖线式测量电路PC机测试软件PC机数采软件图2.2.4 拖线式测量示意图2.3 存储测试技术及特点存储测试是一种在对被测对象无影响或者影响在允许范围以内的条件下，在被测体内植入微型数据采集与存储测试仪器，现场实时完成信息的快速采集与记忆，事后回收记录仪器并由计算机处理和再现测试信息的动态测试技术。存储测试系统是为了完成存储测试目的而设计的物理系统，它在高温、高压、高过载等恶劣环境和结构紧凑的情况下，能够自动地完成被测信息的实时采集和存储记忆。存储测试系统的主要特点是能够独立地完成动态数据采集和存储记忆，特别是能够在多种恶劣环境和结构紧凑的条件下完成动态参数测试。除了具有存储测试系统一般的特点外，应用于固体火箭发动机过载试验的存储测试系统还具有以下特点：测试过程为瞬态单次过程，被测系统通常为高技术产品，试验成本高；测试空间狭小，要求测试系统体积小，可以放置在测试舱内，并且要求测试系统不影响被测系统正常工作；测试环境恶劣，高温，高压，高过载；测试系统功耗较低，可以长时间工作；测试系统的精度高、可靠性高等。2.4 整体结构设计测试仪的结构设计可分为外部结构设计和内部结构设计，是从总体角度出发，对仪器设计中的各种问题进行的全面考虑和规划。合理的结构设计应该保证产品运行可靠，操作使用方便、外型美观、体积小、重量轻、便于携带，批量生产装配简单、互换性强、调试维修方便，整机及零部件标准化程度高，易于生产，经济实用。合理的结构设计必须对整机的原理方案、使用条件与环境、整机的功能与技术指标及元器件(材料)进行通盘的考虑。2.4.1外部结构设计外部结构设计一般包括机箱和面板的设计，但不是每个仪器的外部结构设计都要包括这两个部分，有些仪器外部结构设计时可以不要机箱或不要面板。具体来说，工作过程中不需要控制的仪器大多不需要面板，而工作过程中无需考虑外界环境影响的仪器可以没有机箱。机箱和面板的作用一目了然，机箱是为了保护内部仪器电路不受外界影响而设计，而面板是为了操作仪器设计。由于测试仪通电即可开始工作，无需人为操作，所以不需要面板设计，所设计的测试仪结构示意图如图2.4.1。图2.4.2为测试仪与发动机的连接示意图。图2.4.1 测试仪结构示意图图2.4.2 测试仪与发动机的连接示意图测试仪与主轴底端用螺纹联接，测量时随主轴同步旋转，它需要有较好的耐压和抗冲击力性能，而且体积要小并可长时间工作。根据测试仪的工作环境和工作特点，设计中将其做成圆柱状封闭型壳体，采用铝合金车削而成。测试仪主要可分为四个部分:1.前端盖;2.后套筒;3.电池盒;4.电路板。1)前端盖前端盖是测试仪和主轴的连接部件，为保证与主轴旋转的同步性和连接的可靠性，将其与主轴的连接方式设计为螺纹连接。为了减少零部件的数量，增加密封性，提高整体部件抵抗较大外力的能力，将前端盖用一个圆柱型铝合金车削而成，并通过八个内六角螺栓与后套筒连接。2)后套筒后套筒是测试仪的主要壳体，电路板、电池盒都放置在其中。后套筒内部被分为两部分，最外端的空腔作为电池盒的安装区域，内部用于放置电路板。后套筒的端面中心位置开有安装压力传感器的孔槽。另外，后套筒壳体上有一个开关用于控制整个系统的启动，一个插孔用于采集触发的光电控制，一个充电插孔用于对电池进行充电，一个串行接口用于数据传输。3)电池盒电池是测试仪的能量来源。如果没有电池，整个装置将陷入瘫痪状态。本设计将电池固定在电池盒内，并安放在后套筒的外侧空腔。由于采用两节锂电池为测试仪供电，为了保证高速旋转时受力均匀，电池盒设计采用对称方式，如图2.4.3。图2.4.3 电池盒结构示意图4)电路板电路板是测试仪的心脏。本设计中由于高过载加速时要受到拉、压力，所以要求电路板必须能承受较大的冲击载荷。另外电路板必须和套筒的台阶相匹配，这样才可以将其固定在套筒内部。2.4.1内部结构设计内部结构设计应遵循如下原则:1)应便于整机装配、调试、维修;仪器根据原理功能分成若干部件，每个部件为一独立单元，可单独调试;维修时可通过更换单元排除故障。2)零部件的布局要保证整机重心尽量低，并尽量落在底层中心位置;彼此需要相互连接的部件应尽量靠近，避免走线过长和往返走线，避免元器件相互间的电磁干扰;易损零件应布置在更换方便的位置，零部件固定应满足防震要求。3)根据电流大小等因素来选择零部件连接方式，常用方式有插接式、压接式、焊接式三种。4)在内部元件的布置上，尽量减少走线，采用插座形式，易于焊接;变压器因为有很大的电磁效应，对电路有一定的影响，可使用全屏蔽的变压器，或者对电路采取屏蔽措施。综合上述原则，测试仪内部设计如图2.4.4。图2.4.4 测试仪内部结构示意图2.5 传感器的安装此测试系统需要测量压力和加速度两个参数，也就需要在测试仪上安装这两个传感器。传感器的安装是否适当是测试系统能否正常工作的关键，还影响到测量到的数据是否准确。下面简单介绍一下本设计中的传感器的安装。压力传感器安装的位置很大程度上影响了压力测量的准确性，如安装不当，甚至会导致压力测量失败。在本设计中，压力传感器的安装在测试仪后套筒的中心位置，使用螺纹连接方式。如图2.5.1和2.5.2所示。图2.5.1 压力传感器安装示意图图2.5.2 压力传感器安装示意图加速度传感器对安装位置没有过多的要求，只要能够和被测物体同步进行即可。在本设计中，加速度传感器安装测试仪内部，使用螺纹将其固定在后套筒上。如图2.5.3所示。图2.5.3 加速度安装示意图2.6 抗过载灌封技术测试仪的灌封是指在一定温度条件下，采用流动性较好的灌封材料对组装好的仪器内部电路板、传感器和电池进行封装，使其固化成模块。经过封装后，测试系统的抗离心过载能力可以得到很大提高。对于灌封材料的选择和灌封工艺的研究，国内外都作了一些工作。首先，灌封材料要选择保证其具有良好的工艺性。由于测试仪电路元器件封装形式不尽相同，大小不一，并且走线很密，要保证灌封质量就要求灌封材料必须具有良好的工艺性；特别是在常温下的流动性要好，以保证能够填充满；固化收缩率要低，避免产生或尽量减小固化应力，使测试仪具有良好的抗疲劳和持久强度。另外，灌封材料的固化温度最好能够在常温或中温(2070)下进行；固化后强度高，粘结性好，而且要有一定的韧性，具有一定的耐热性和耐热冲击性。目前常见的灌封材料有环氧树脂、聚氨酷、硅橡胶以及其它一些橡胶和树脂类。由于化学结构和分子量大小的不同，它们的物理性能也有很大的差别。硅橡胶的最大特点是韧性好、耐热、耐寒、放水、流动性好，但是其固化时间长、硬度和强度低，不适用于高速加速度过载环境测试中，而适用于低温和潮湿的环境中。环氧树脂是使用较多的一种灌封材料，其最大的特点是粘合力强、强度高、封装工艺简单，但是其固化内应力大，没有弹性，常常需要在其中添加一些其它材料以改善其综合性能。聚氨酷的韧性、弹性和硬度都介于硅橡胶和环氧树脂之间，但是它的液体流动性能不太好，且固化过程中释放的CO2气体会产生气泡，使固化后电路模块的强度和硬渡降低，影响系统的耐冲击性能。在本设计中，电路板调试完毕后放置在经添加剂改良的 704硅橡胶中浸泡，半个小时后取出，自然固化；然后用密封橡胶薄膜把电路板放在测试仪内的固定位置，再在70的温度下用呈流体态的特制灌封料填充，保持一段时间使其均匀填充满每一个空间，然后在常温下进行固化。这样就在电路板表面形成一层均匀的硅橡胶涂层，并能够填充满元器件与电路板以及元器件各引脚之间的缝隙，使电路板具有一定强度、韧性和抗高过载性能。2.7 方案可行性分析本文大体采用上述方案进行设计，在现有的技术条件下进行可行性分析，主要考虑以下三点：1. 简约性简约性要求不仅要考虑系统设计时的经济性，而且还要考虑到测试系统的使用方便等，即使用最简单的、最少元器件的电路来达到设计要求。因此，为了获得较高的性价比，设计系统时没有追求复杂高级的方案，在满足性能要求的前提下，尽可能采用简单的设计方案，方案简单则意味着元减少、可靠性高、经济性好。本文所选的方案就具有使用简单的特点，满足简约性要求。2. 可靠性系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定任务的能力。可靠性指标除了可用完成概率表示以外，还可以用平均无障碍时间、故障率、失效率或者平均寿命来表示。在本设计中，可靠性主要体现在测试系统能否在高过载、高加速度的环境下正常工作，同时采集到的信号值是否是有效的压力和加速度信号。为了达到所需要的可靠性要求，在设计系统时，需要在硬件电路和软件设计方面采用一些独特的方法，这是本设计的主要任务之一。3. 操作方便在系统的硬件和软件设计的过程中，还应当考虑到操作简单方便，尽量降低对操作人员专业性的要求，以便测试系统的推广使用。系统的控制部分不能复杂，操作程序应当简介明了。3 测试系统硬件设计本测试系统硬件电路主要有传感器电路、信号调理电路、模数转换电路、数据存储电路、通讯接口电路、电源电路以及启停控制电路组成。其中，信号调理电路包括放大电路、滤波电路。测试系统测量获得的压力和加速度的数据存储在存储电路中，当试验完成后取出测试系统电路，运用单片机串口通讯接口将数据读入PC机，通过编制的测试软件绘制出测试曲线。测试系统硬件电路系统框图如图3.1所示。另外，在本设计中需要两个通道的数据，这里采用各自独立的信号调理和模数转换电路，以确保两通道数据都可以被精确获取。压力传感器信号调理模数转换加速度传感器信号调理模数转换单片机串口通讯计算机数据存储图3.1 测试系统硬件电路系统框图3.1 传感器的选择3.1.1 压力传感器的选择测压传感器是压力测试系统的核心环节，它是将压力信号转换成电信号的器件。随着转换形式的不同，测压传感器有：应变式、压电式、压阻式、电容式、电感式等多种3。压电式压力传感器的最大特点是固有频率高，适于测量动态压力。压电式压力传感器的非线性，一般情况下都可以达到小于1%7。电阻应变式传感器其频响不如压电式和压阻式高，但是它的精度高，长期稳定性好，抗干扰能力强3。压阻式压力传感器的特点是灵敏度高，频率响应高；测量范围宽，可测低至10Pa的微压到高至60MPa的高压；精度高，工作可靠，其精度可达0.2%0.02%；易于为小型化6。本测试系统所需要测量的压力量程为5MPa，且压力的变化速率相对比较低，且对体积没有太大的要求。综上所述，此处选用压阻式压力传感器。3.1.2 加速度传感器的选择依据对加速度计内检测质量所产生的惯性力的检测方式来分，加速度计可分为压电式、压阻式、应变式、电容式、振梁式等。其中，应变式加速度传感器已很少使用。由于在传感器内部半导体应变片已按电桥形式接好，只需供给电源和将输出信号放大即可。由于电桥的输出阻抗低，压阻式加速度计具有较高的输出电平，所以有很高的信噪比3。另外，压阻式加速度计具有频率响应高，灵敏度较高，体积小、质量轻、便于集成化，耐振、耐冲击、耐腐蚀，抗干扰能力强的特点。在过载试验中，火箭发动机将会产生较大的瞬时加速度，选用的传感器将要承受比较大的冲击，如不能则可能会损坏传感器，从而影响试验的进行。而且，为了减少加速度测试存储电路的质量对火箭发动机的加速度产生的影响，就应该选用体积小、质量轻、便于将整个电路集成化的传感器。故此处选用压阻式加速度传感器。3.2 信号调理电路3.2.1 放大电路传感器输出的测量信号一般都比较微弱，因而在大多数情况下都需要放大电路。放大电路主要用来将传感器输出的测量信号进行放大，为测试系统提供高精度的模拟输入信号，它对测试系统的精度起着关键作用。本信号放大电路采用以AD620测量放大器为主来实现放大功能。（1）AD620简介AD620是Analog Device 公司生产的低成本、低功耗集成仪用放大器，这是一个典型的三运放同相并联差动放大器的集成，该芯片仅需外接一个电阻即可设定放大器的增益，增益调节范围是11000。主要性能如下：（1）输入失调电压50V；（2）输入失调电压漂移0.6V/；（3）输入失调电流1.0nA；（4）共模抑制比CMRR100dB；（5）建立时间为15s5。AD620有8脚DIP封装和SOIC封装两种。本设计选用8脚DIP封装，其芯片的引脚如图3.2.1所示。图3.2.1 AD620引脚图引脚说明：1,8RG：外部电阻RG接入端；2IN-：负电压输入端；3IN+：正电压输入端；4En：负电源端；5REF：参考端；6OUT：输出端；7Ep:正电源端。（2）具体实现方法在基本连接方式下，电路的输入输出关系为：VO=（1+49.4k/ RG）（Vin2-Vin1）。此处放大倍数选为100倍200倍，则RG=49.4k/(AV-1)，使用220电阻和500滑动变阻器的组合来实现，调节滑动变阻器R2，使得放大倍数合适即可。具体连接电路如图3.2.2所示。图3.2.2 放大电路原理图3.2.2 滤波电路滤波电路是传感器信号调理电路中十分重要的组成部分。从传感器送来的信号往往是十分微弱的，而且可能含有大量不能忽略的噪声，为了取出有用的信号并抑制噪声，必须使用滤波电路。根据火箭发动机常规试验中的信号频率范围主要在20KHZ以下，频率较低的特点，因此应该选择允许低频信号通过、高频信号截止的低通滤波器。此处选用集成有源滤波器MAX280为核心来构建滤波电路。（1） MAX280简介MAX280只要使用一个外部电阻和电容，就能将集成电路与直流信号通路隔开，从而提供精确的电流。片外电阻和电容连同芯片上的4阶开关电容滤波器组成5阶低通滤波器。滤波器的截止频率由内部时钟来设定，该时钟也可以由外部驱动。时钟频率对截止频率的比值为100:1，这使得时钟引起的波纹很容易被滤除。MAX280有8脚DIP和16脚SOIC两种封装形式。这里选用的是8脚DIP封装，其引脚排列如图3.2.3所示。图3.2.3 MAX280引脚图引脚说明：1FB：反馈端。外部电容通过FB脚耦合到芯片。2AGND：模拟地输入端。对于双电源，AGND脚连接到系统地；而对单电源，AGND脚连接到电源中点，且用一大电容旁路；3V-：负电源电压输入端；4DIV(DIVIDER RATIO):分频比电压输入端。振荡器的分频取决于DIVIDER RATIO脚的电压，如果接到V+,时钟频率与截止频率的比为100:1（1分频）；接到地，则为200:1（2分频）；接到V-，则为400:1（4分频）5COSC：外部时钟输入端。采用内部时钟时，在脚和地之间连接一个外部电容器。6V+:正电源电压输入端。7OUT：信号输入端，也是芯片内缓冲放大器的输入端。8BOUT：缓冲放大器输出端。（2）具体实现方法此设计中，MAX280主要用于消除20kHZ高频干扰的影响，初步选定截止频率C=2kHZ。在此设计部分中，电阻R取其典型值20k，为了获得最大平坦的幅度响应，外部电阻电容的选择应遵循公式：C/1.62=1/(2RC),式中，C为滤波器的剪切频率。所以，电容的大小为C6446pF，取为6.5uF。在这里使用内部时钟，为了获取最大平坦幅度响应，时钟频率应该是所需截止频率的100倍（即1分频，4脚接V+），所以时钟频率OSC=100C=20kHZ。其内部的标称时钟为140kHZ，在COSC引脚对地接入一电容与内部33pF电容并联，即可改变内部振荡器的输出频率。外加电容为COSC=(140kHZ/OSC-1)33pF198Pf,取为200pF。滤波电路原理图如图3.2.4所示。图3.2.4 滤波电路原理图3.3 A/D转换电路 传感器输出的模拟信号，需要转换成数字信号，才可以被计算机识别和处理，这时就要用到A/D转换电路。A/D转换在测控系统中是非常重要的环节，在以单片机和计算机为核心的系统中是不可或缺的一部分。一般分为串行A/D和并行A/D,后者虽然传输速率高，但是它的引脚多、体积大、占用单片机的口线较多，常需要对单片机I/O接口进行扩展；而串行A/D随着技术的发展，其传输速率也可以很高，可以满足一般的的需要，而且其由于体积小、占用口线少，应用也越来越广泛。此处，信号变速率快，需要采样/保持电路，且以串行数据输出的A/D转换器具有引脚少，体积小的特点，接口所需的I/O位数也比较少，有利于提高集成度和减少体积。因此，我们选用MAX1241为核心来实现A/D转换功能。（1）MAX1241简介MAX1241是美国MAXIM公司生产的12位逐次逼近式A/D转换器，优点有低功耗，低电压，最大非线性误差小于1LSB,转换时间为9us。采用三线式串行接口，内置快速采样/保持电路。内置采样/保持电路能在A/D转换开始时，自动捕捉信号，最大捕捉时间1.5us。MAX1241有8脚DIP、SO两种封装形式。这里选用8脚DIP封装，其引脚排列如图3.3.1所示。图3.3.1 MAX1241引脚图表3.3.1 MAX1241管脚功能管 脚名 称功 能参 数 VDD电源输入+2.7+5.2V2Ain模拟电压输入0VREF3节电方式控制端“0”节电方式“1”或浮空工作4REF参考电压VREF输入端1.0VVDD5GND模拟、数字地6DOUT串行数据输出三态7芯片选通“0”选通“1”禁止8SCLK串行输出驱动时钟输入频率范围：02.1MHz（2）具体实现方法在此部分设计中，1通道的A/D转换使用P1口的P1.0、P1.1以及P1.2，2通道使用P1口的P1.5、P1.6以及P1.7。图3.3.2为1通道模数转换电路原理图。在本设计中，用P1.0提供驱动时钟脉冲，P1.1提供选通信号，P1.2作为数据输入端。调节电位器W2，选择适当的参考电压。每次转换，在驱动时钟SCLK为低电平时，由芯片选通信号的下降沿触发。A/D转换开始之后，内部控制逻辑首先将采样/保持电路切换为保持状态，并使输出数据线DOUT变低，表示转换开始，转换结束时DOUT由低变高。转换结束之后，由驱动时钟SCLK的下降沿触发一位数据输出，数据输出从最高位开始，每个SCLK脉冲下降沿输出一位，第12个SCLK的下降沿输出最低位。此处，A/D转换是作为子程序被主程序调用的，不必连续转换。图3.3.2 A/D转换电路原理图3.4 单片机基本电路在本设计中，有很多处需要用到单片机：通过单片机控制模数转换器MAX1241并存储已转换好的数据至外部数据存储器；通过单片机控制数据采集的启停；通过单片机的串行口与PC机进行通讯。单片机是整个测试电路的控制核心，其相互关系如图3.4.1所示。这里选用的单片机是ATMEL公司的AT89C51。MUC(AT89C51)复位电路串行通讯接口电路数据采集存储电路时钟电路图3.5.1单片机电路系统框图3.5.1 AT89C51的简介AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机,片内带有4K字节的快速可擦写的只读程序存储器（PENROM）,和128字节的随机存取数据存储器（RAM）。可以提供以下标准功能：4K字节闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器以及时钟电路。AT89C51有40脚PDIP、44脚PQFP/TQFP、44脚PLCC等封装形式。这里选择40脚PDIP，图3.5.1和图3.5.2为其引脚图和实物图。 图3.4.1 AT89C51引脚图 图3.4.2 AT89C51实物图引脚说明：1)电源44VCC：电源电压输入端；22GND：电源接地端；2）时钟20XTAL2：振荡器反相放大器的输出端；21XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端；3）4根控制线10RST:复位输入信号，高电平有效；32：片外程序存储器选通信号；33ALE/：地址锁存信号输出端；35/VPP：/VPP是内部和外部程序存储器ROM的选择线，低电平有效；4）I/O口P0口：是一组8位漏极开路双向I/O口，即地址/数据总线复用口。作为输出口时，每一个管脚都能够驱动8个TTL电路。P1口：P1口一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。P2口：P2口是一个内部带有上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。P3口：P3口是一组带有内部电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲故可驱动4个TTL电路。P3口除了作为一般的I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.4.1所示：表3.4.1 P3口第二功能说明端口引脚第二功能P3.0RXD（串行口输入端）P3.1TXD（串行口输出端）P3.2（外部中断0请求输入端，低电平有效）P3.3（外部中断1请求输入端，低电平有效）P3.4T0（定时器/计数器0的计数脉冲输入端）P3.5T1（定时器/计数器0的计数脉冲输入端）P3.6（片外数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）P3.7（片外数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）3.4.2 时钟电路时钟电路是单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。它产生一定频率的脉冲信号作为整个系统的时钟，在这个时钟下，单片机系统所进行的所有的操作都按着此节拍有序的进行着。任何一个计算机系统，包括嵌入系统，都需要有一个时钟电路。MCS-51系列单片机芯片内都有一个由反相放大器所构成的振荡电路。XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端。时钟产生的方式有两种：外部方式和内部方式。外部方式的时钟电路如图3.4.3所示。XTAL2浮空，XTAL1接外部振荡源。一般只有当整个单片机系统已有时钟或者为了取得时钟上的同步，可以采用此方式。图3.4.3 外部时钟方式内部方式时钟电路如图3.4.4所示。在XTAL1和XTAL2之间外接晶振原件，内部振荡电路就会产生自激振荡。外接振荡电路的原因，是因为晶振的集成度很低，很难将其集成到芯片中，所以大多数芯片厂商都是将晶振电路做成外接形式，使用时只需要在XTAL1和XTAL2之间接上一定频率的晶振就可以和芯片内部的振荡电路作用产生所需要的振荡脉冲。图3.4.4 内部时钟方式在本系统中，并没有可以使用的时钟，而且没有必要取得时钟上的同步，因此该测试电路的时钟方式采用内部方式。外接晶振以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中，这时内部振荡器就会产生自己振荡。外部电容C1和C2的取值，虽然没有严格的要求但是电容的大小多少会影响振荡频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性。C1和C2的典型值在20pF100pF之间选取，通常选择30pF左右；外接陶瓷谐振器时，C1和C2的典型值约为47pF。在设计印刷电路板的时候，需要注意将晶振和电容尽量靠近单片机，以减少寄生电容的影响。电容的大小对振荡频率有微小的影响，可以起到频率微调的作用。3.4.3 复位电路复位电路的核心作用就是保证RST引脚上出现10ms以上稳定的高电平，这样才可以实现可靠的复位。单片机应用系统在工作时，由于故障或者其他原因，会经常要求进入复位工作状态，因此系统的复位电路必须准确、可靠的工作。单片机的复位是靠外部电路实现的，在时钟电路工作之后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机即可实现复位。为了保证应用系统可靠地复位，再设计复位电路时，通常使RST引脚保持10ms以上的高电平。只要RST一直保持高电平，则单片机循环复位；当RST从高电平变成低电平之后，单片机从0000H地址开始执行程序。在复位有效期间，ALE、PSEN引脚输出高电平。复位操作有上电自动复位、按键电平复位和外部脉冲复位三种方式。在此部分设计中，选用上电自动复位，通过外部复位电路的充电来实现复位的。单片机的复位电路如图3.4.5所示。图3.4.5 单片机复位电路图3.5 数据采集存储电路3.5.1 触发电路触发电路方式有多种，如手动控制触发、计时触发、红外触发等等。手动控制触发是需要人为地拨动开关来触发测试系统的采集，譬如我们常见的按钮开关；计时控制是指在上电后不需要人为拨动开关，当达到电路设定时间后，采集系统开始工作；计时触发又分为振荡器计时触发和单片机计时触发等多种。红外触发最典型的应用就是电视机控制器。由于测试仪在高速旋转状态下工作，因此采用何种方式来触发电路进行采集也是必须要解决的问题。很明显，上述前两种触发方式不适合应用于测试仪中。若使用手动控制触发，则需在过载试验之前就需要合上开关，这时采集已经开始，而固体火箭发动机却需要轻气炮的薄膜打开后才能工作，因此该种触发方式无法准确地测出发动机的压力和加速度。而计时触发控制的方式也存在设定时间不好确定的问题。若时间设定过短，则可能会出现和手动开关控制相同的问题；若时间设定太长，则测试仪可能还没有来得及采集数据，过载试验就可能已经结束。红外触发是一种很好的触发方式。但在本设计中，由于固体火箭发动机高速运动，可能会对红外信号造成干扰；而且红外触发的成本比较高，需要在电路板上安装双向发射和接收装置，这会造成测试仪体积增大，因此红外触发也没有被采用。本设计将外部控制电路固定在轻气炮的外壁上，并利用普通的发光二极管对准测试仪发光，测试仪通过光敏管接收到光信号后送给MCU鉴别；当确定为低电平后，仪器采集开始工作。这种触发方式简单、实用、方便，而且成本较低。触发电路如图3.5.1所示。图3.5.1 触发方式电路图3.5.2 数据存储电路本测试系统需要采集并存储大量的数据，但是单片机AT89C51内部RAM太小，远不能满足测量要求，故需对外部数据存储器进行扩展。此处选用Intel公司的6264RAM芯片。（1）6264简介Intel 6264是采用CMOS工艺制造，容量为8KB，28引脚双列直插式芯片。其引脚图为图3.5.1所示。图3.5.1 6264引脚图引脚说明：1NC:空脚；103、25、54、21、23、2A0A12：地址线，可寻址8KB的存储空间； 1113、1519D0D7：数据线，双向，三态；22：读选通信号信号输入线，低电平有效；27：写允许信号输入线，低电平有效；261：片选信号输入线1，在读/写方式时为低电平；20CS2：片选信号输入线2，在读/写方式时为高电平；28VCC：工作电源，电压为+5V；14GND：信号地端。（2）具体实现方法6264的片选1接AT89C51的P2.7，第二片选信号CS2接高电平，保持一致有效的状态。因6264为8KB容量的RAM，故只用到13根地址线，6264的地址范围为6000H7FFFFH，共8KB。AT89C51的P0口作为数据线，P0口和P2口的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4构成地址线。具体连接方法如图3.5.2所示。图3.5.2 数据存储电路原理图3.6 通讯接口电路在现代智能测试系统中，其核心单元基本上都采用单片机以实现数据处理和系统控制。随着应用范围的扩大和实际问题的需要，对某数据需要进行较复杂的处理，但是单片机的运算功能较差，借助PC机来进行数据的处理已经显得尤为重要。此测试系统需要测量的数据量较大，还要绘制曲线图。因此，在实际的系统中采用AT89C51的串行接口与PC机的串行接口COM1（或COM2）进行串口通信，将采集的数据传送到PC机进行处理和生成图形，实现绘制p-t和v-t曲线。3.6.1 串口通信概述串口通信是指通信的发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根数据线上，以每次一个二进制位移动的。它的优点是只需一对传输线进行传送信息，因此其成本低，适用于远距离通信。串行通信有异步通讯和同步通讯两种基本方式，同步通信适用于传送速度高的情况，其硬件复杂。而异步通信应用于传送速度在50到19200波特之间的，是比较常用的传送方式。RS232C是使用最早，应用最多的一种异步串行通信总线，它是美国电子工业协会（Electronic Industries Association）于1962年公布，1969年最后一次修订而成。其中，RS是Recommended stander的缩写，232是该标准的标示，C代表修改的次数。目前，广泛应用于计算机与外围设备的串口异步通信接口中。由于51系列单片机本身就存在一个异步串行通讯接口，因此该系列单片机使用RS232C串行总线非常方便。在本设计中，测试电路与PC机的串行串行通讯对数据传输率要求不高，距离短，因此采用RS232C标准，并且选用MAX232芯片。常用的RS232接口有两种：25针和9针。实际上，25针的连接器仍然只有9根线使用。这里选用9针接口。表3.6.1是RS232接口引脚定义。表3.6.1 RS232C接口常用引线信号定义9针25针符号方向功能32TXD输出发送数据23RXD输入接收数据74RTS输出请求发送85CTS输入清除发送66DSR输入数据设备准备就绪57GND信号地18DCD输入数据载体检测420DTR输出数据终端准备就绪922RI输入振铃提示使用RS232总线连接系统的时候，有近程通信方式和远程通信方式之分。近程通信是指传输距离小于15m的通信，这时可以使用RS232电缆直接连接。15m以上的长距离通信需要使用调制解调器。当两台PC系列机进行近距离点对点通讯，或者PC系列机与外部设备进行串行通讯时，可以将两个数据终端设备直接连接，从而省去作为数据通讯设备的调制解调器，这种方式被称为另调制解调器连接。在这种连接中，计算机往往貌似调制解调器，从而能够使用RS232C标准。在本设计中，由于采用的是近程通信，因此采用最简单的连接方式。3.6.2 通讯电路设计 单片机与PC机进行通讯，就是利用转换芯片将RS-232C标准的电平与TTL电平进行互相转换。从单片机AT89C51上的串口输出的信号，需要经过转换芯片将电平从TTL电平转换为RS-232C标准的电平；从PC机到单片机AT89C51的串行信号也需要从RS-232C标准转换为TTL标准。(1)MAX232简介MAX232芯片是MAXIM公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。其引脚图如图3.6.1所示。芯片内部包含两路接收器和驱动器的IC芯片，和一个电源电压转换器，可以把输入的+5V单电源转换为RS-232输出电平所需的-10V+10V电压，因此使用此芯片接口的串行通讯系统仅需要单一的+电源即可。其价格适中，硬件接口简单，所以应用比较广泛。图3.6.1 MAX232引脚图引脚说明：1、2、3、4、5、6C1+、Vs+、C1_、C2+、C2_、Vs_：和4只电容构成电荷泵电路，产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平；7、8、9、10T2OUT、R2IN、R2OUT、T2IN：第二数据转换通道，TTL/CMOS数据从T2IN输入转换成RS-232数据从T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R2OUT输出；11、12、13、14T1IN、R1OUT、R1IN、T1OUT：第一数据转换通道，TTL/CMOS数据从T1IN输入转换成RS-232数据从T1OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT输出；15、16GND、VCC：电源地端，电源端（+5V）。 (2)具体实现方法此设计部分只需要一组数据转换通道，在此选用MAX232的第一数据转换通道，图3.6.2所示即为通讯接口电路原理图。图3.6.2 通讯接口电路原理图不过，此处需要注意的是，MAX232芯片只是进行电平转换，将单片机输出的TTL电平转换成计算机的COMS电平，或者反之。3.7 电源电路设计为了满足测试系统的存储式要求，整体电路就需要采用内部电源供电的方式，即使用电池为测量电路提供电源电压。为了保证测试系统能够稳定地正常工作，选用何种电池、所选用电池的性能就显得非常重要。电池的能量通常以Ah（安时）为单位，它表示电池所能工作的时间。负载电流越大，则其工作时间越短；负载电流越小，则其工作时间越长，它们之间是反比的关系。电池的种类有很多，常用的有铅蓄电池、铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池。锂离子电池、银锌电池以及积层电池等。每种电池都有其适用环境。铅蓄电池应用极其广泛，可以反复利用，其内阻极小，可以提供很大的电流，用它给汽车的发动机供电，瞬时电流可达二十多安培，这是迄今为止其他任何电池都不可替代的，但是体积太大，不方便携带。铅酸电池，其容量没有锂电池大，同样容量的铅酸电池的体积是锂离子电池体积的几倍，但由于其价格便宜，而且可以充电反复使用，因此在工业控制中使用较为广泛。镍镉充电电池，其外观和锰锌电池干电池一样，只不过是其材料是镍钢，成本高，但是可以反复充电使用。镍镉电池电压只有1.2V，在某些场合不适合使用。镍镉其电阻小，当电流较大时，路端电压很大；但是其缺点就是存在残留记忆性。也就是说，当电池还有1/2还没有用完时就进行充电，只能充进总容量的1/2，而且下一次的放电量也只是这次冲入的电量，以前的1/2空间就会被堵死，再也不能充电使用了。因此，虽然理论上说充电可达上千次，但是一般充放电数百次之后便不宜再使用。锂电池拥有高能量密度，供电量较大