李菊葉，紀留利

（1.陜西理工學院物理與電信工程學院，陜西漢中 723003;

2.中航工業(yè)飛機起落架有限責任公司燎原分公司，陜西漢中 723200）

光電測速裝置的設計

李菊葉1，紀留利2

（1.陜西理工學院物理與電信工程學院，陜西漢中 723003;

2.中航工業(yè)飛機起落架有限責任公司燎原分公司，陜西漢中 723200）

主要闡述了橇載光電測速裝置的基本原理和具體結構及功能實現(xiàn).整套裝置由光電組件、主控部分及擋光板3部分組成.光電組件和擋光板為裝置提供激光信號作為有用信號，主控部分對信號進行判斷、采集、存儲.

區(qū)截裝置;斷靶;火箭橇;單片機;串口讀數(shù)

1 設計原理

在以往的火箭橇測速中，常采用斷靶方式測試，其原理是以測試點為中心，前后各布設一個斷靶，斷靶由斷靶線和斷靶支架組成，當火箭橇通過時，割斷斷靶線便會依次產生一個啟動信號和一個停止信號.根據地面記錄裝置記錄2個信號的時間間隔，再測出2個斷靶線之間距離，依照速度計算公式V=S/t，便可獲得所求值.光電測速裝置與斷靶的測速原理基本相同，只是光電測速裝置以橇體運動起點為測試零點，所測各擋光板時間信號均以此測試零點為時間參考零點.安裝在火箭橇上的光電組件經過軌旁擋光桿產生擋光桿時間信號，主控電路內部的單片機記錄下這些有用信號的具體時間，并直接將數(shù)據存入存儲器.實驗完畢，將數(shù)據通過串口讀出，并利用距離差和時間差算出具體位置的速度.光電組件、主控部分安裝在橇體上，擋光板安裝在地面軌道一側.

1.1 光電組件設計原理 光電組件作為有用信號的提供者是整個裝置設計的關鍵部分，由激光發(fā)射部分和激光接收部分組成.原理簡圖如圖1所示.

激光發(fā)射部分將激光持續(xù)發(fā)射至激光接收部分.火箭橇軌道旁的確定位置裝有擋光板，當火箭橇行進至裝有擋光板的軌道區(qū)域時，激光被擋光桿遮住.激光接收部分的內部電路感應到這一通光量的變化，產生一個下降沿的脈沖信號.這樣依次通過擋光板，激光接收部分將產生一連串下降沿脈沖信號，如圖2所示.

圖1 系統(tǒng)原理圖

圖2 脈沖信號

1.2 主控部分設計原理 主控部分的核心是單片機.利用單片機內部計數(shù)器的計時功能，結合P1端口，獲取每個脈沖時間，并通過并口將數(shù)據存入存儲器中.同時，利用外部中斷程序，當要求串口讀數(shù)時，進入中斷允許程序，通過串口讀取數(shù)據.整個工作基本通過單片機編程來完成.具體設計思路如下:當火箭橇開始運動時，測速裝置通過單片機內部程序開始工作，定時器計時開始.當橇體到達各擋光桿位置時，主控部分讀取該點時刻并存儲至非易失性存儲芯片.試驗完畢后，再通過中斷程序控制主控部分串口讀數(shù).

2 結構設計

2.1 光電組件 為了保證激光通光量變化范圍能達到最大，無論裝置的結構設計還是電路設計都在這方面予以關注.結構方面，要求將激光發(fā)射頭與接收頭保持在同一直線上.為確保發(fā)射管發(fā)出的所有激光都能照射到接收管上，專門設計了安裝平臺和可調位置的調整圓盤.由于發(fā)射管選用的是激光二極管，故發(fā)射部分電路比較簡單，與普通發(fā)光二極管設計一致.接收部分電路由激光接收管、開關電路及整形電路3部分組成.激光接收管將激光的通光量變化轉變成變化的電信號.三極管組成的開關電路為系統(tǒng)提供了下降沿脈沖.由于向下一級主控部分提供的有用信號要求下降沿要陡，且信號干凈無毛刺，所以在下一級加入整形電路.芯片Lm311其核心是一個比較運算放大器，當通光量變化引起的電壓變化低于設定電壓時，將產生一個負沿信號.芯片Lm311的反應時間很短，信號干凈，符合設計要求.具體電路如圖3所示.

圖3 光電組件電路圖

2.2 主控部分 這部分是整個裝置的核心部分.主要包括硬件設計和軟件編程2個部分.

2.2.1 硬件設計主控部分中，實現(xiàn)全部功能的單片機選用51系列的89S51，其優(yōu)點在于可在線編輯芯片內部程序.為了保證信號在掉電情況下再次加電依然存在，存儲器選擇了存儲量為8K×8的非易失性存儲芯片HK1225.此類型芯片內部封有電池，可保證數(shù)據二次加電時數(shù)據仍在.通過74HC373與單片機并口相連，可存儲計算所得的速度數(shù)據.

通過串口讀數(shù)和在線編程，也是此次設計的重要環(huán)節(jié).考慮到串口讀數(shù)程序使用較廣、操作簡便、實用性強等優(yōu)點，在設計時，利用了單片機的串口，接入串口轉換芯片RS232及輸出端口.同時設計出專門的在線編程口，如圖4所示.

2.2.2 單片機程序設計單片機程序設計部分是整套系統(tǒng)中最核心的部分.本程序的精髓在于利用單片機內部時鐘的可隨時讀取性.以往使用單片機時大都用定時器來定時，當時間到達后啟動某種控制.本次設計是利用定時器在定時計數(shù)的過程中，讀取定時器內部數(shù)據寄存器TL0和TH0來獲得有用數(shù)據.依照前面程序流程圖和系統(tǒng)電路圖設計，具體執(zhí)行程序如下:

圖4 主控部分電路設計原理圖

由于整個程序是在定時器工作的情況下訪問TL0和TH0，故為了測試程序運行取數(shù)時對定時器工作有無干擾，對主控部分作了實驗室基準測試和野外斷靶測試2項檢測工作.利用實驗室測標儀打出具體脈沖間隔，單路檢測測試數(shù)據的獲取是否準確.測試結果表明，所測數(shù)據與測標儀時間標定時間相同.在火箭橇試驗中，聯(lián)接四路斷靶至P1端口，檢測主控部分在多通道短時內獲取數(shù)據的可靠性.試驗獲得準確數(shù)據，無丟數(shù)、亂記等現(xiàn)象.

3 小 結

光電測速裝置作為專門應用于火箭橇測速的測速裝置比較以往的傳統(tǒng)斷靶測速，具有以下優(yōu)點:1）數(shù)據獲得可靠;2）數(shù)據被存儲，可隨時讀取;3）外界干擾因素少;4）可較為準確地獲得時間－位移－速度三者之間的對應曲線;5）減少試驗儀器數(shù)量，降低測試人員勞動強度等.其各部分的功能實現(xiàn)均已在實驗室里驗證，下一步將對其整體的可靠性及精度作進一步研究.

［1］胡乾斌，李光斌，李玲，等.單片機微型計算機原理與應用［M］.武漢:華中科技大學出版社，1997.

［2］宋德玉.可編程序控制器原理及應用系統(tǒng)設計技術［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1999.

［3］林明星.電氣控制及可編程控制器［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

Design of Velocity Measuring Device

LI Ju-ye1，JI Liu-li2

（1.School of Physics and Telecommunication Engineering，Shanxi University of Technology，Hanzhong 723003，China;
2.AVIC LANDING-GEAR LAMC，Hanzhong 723200，China）

In the paper，the basic principles and specific structure and function realization of the sled carrier photoelectric measuring device were elucidated.The entire device is composed of three parts，photoelectric components，main control part and a blocking board.Photoelectric components and blocking board provide laser signal as a useful signal，and which are judged，collected and stored by main control part.

cut device;off the target;the rocket sled;SCM;serial reading

V 416.8

A

1004－1729（2012）01－0066－05

2011－11－16

李菊葉（1979－），女，陜西西安人，陜西理工學院物理與電信工程學院實驗師，碩士.