基于單片機的風(fēng)洞模型姿態(tài)控制系統設計

　　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?chē)鷼怏w的流動(dòng)，并可量度氣流對物體的作用以及觀(guān)察物體現象的一種管道試驗設備。風(fēng)洞在空氣動(dòng)力學(xué)研究和飛行器設計中起著(zhù)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(diǎn)介紹以自整角機及其變送器代替傳統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、硬件總體結構

　　系統用單片機作控制器，采用定位精確的步進(jìn)電機作為模型姿態(tài)執行元件，高精度的角位移傳感器做測量元件，實(shí)現對模型的精確控制。系統由微控制器、鍵盤(pán)、顯示、攻角及側滑角采集、姿態(tài)控制、風(fēng)速采集、試驗計時(shí)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，與系統單片機采用串行通訊。工作過(guò)程為通過(guò)鍵盤(pán)設置α和β角度，通過(guò)角位傳感器和變送器測量系統當前角度，計算出要轉過(guò)的角度，控制兩個(gè)步進(jìn)電機轉動(dòng)并送顯示。

　　圖2模型姿態(tài)控制系統方框圖

　　系統采用Atmel公司的AT89C52單片機，該芯片為51系列增強型，內部有8K Flash Rom，三個(gè)16位定時(shí)計數器和256字節RAM。

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

　　FB900C系列角位變送器采用自整角機或旋轉變壓器作檢測元件，運用最新檢測技術(shù)，將旋轉物體轉過(guò)的角度經(jīng)微處理器進(jìn)行處理后換算成角位移或直線(xiàn)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變壓器組合相當于8~16位的絕對編碼器測量精度，其性?xún)r(jià)比遠高于編碼器測量方式，是工業(yè)現場(chǎng)最為理想的角位測量模塊。

　　2.2模型姿態(tài)測量與控制程序設計

　　2.2.1 角度測量程序設計

　　α、β兩個(gè)角度的測量是風(fēng)洞數據采集和控制系統的重點(diǎn)，測量角度的精度直接影響到系統的控制精度。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，且數據最大為79 9999所以，程序中采用了浮點(diǎn)數運算子程序、整數與浮點(diǎn)數之[2]間相互轉換子程序，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(jìn)行任何操作。通過(guò)串口取得相應方向角位置數據后，調用進(jìn)制轉換程序將數據轉換為浮點(diǎn)數，此時(shí)對R2中的方向值進(jìn)行判斷，獲得該方向上的傳動(dòng)比，計算結果轉換為十進(jìn)制后也通過(guò)判斷R2中的方向值獲得數據存放的單元地址。