本科毕业设计论文基于单片机的多参数气动参数测试系统的设计.docx

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本科毕业设计论文基于单片机的多参数气动参数测试系统的设计

基于单片机的多参数气动参数测试系统设计

摘要

本文介绍了一种基于单片机的多参数气动参数测试系统。

针对飞行器在研制过程中，气动力分析、结构的静态和动态载荷强度（刚度）等数值计算与分析非常重要，本文结合大量的文献资料，在指导老师的帮助下，对传感器的结构及性能进行了研究，设计了一种多传感器气动参数测试系统，即对风洞吹风实验中的翼型模型表面压力、温度等多参数进行测试和采集。

文中介绍了数据采集部分、控制部分、显示部分的设计细节，即依据设计要求的测试点密集、测试面小等条件，分析了现有各种压力、振动、温度传感元件的优缺点，根据课题需要选用小尺寸的传感元件，再对采集的传感器模拟信号进行调理,最后得到需要的测试结果.

关键字：

单片机；多传感器；气动参数

Thedesignofaerodynamic-parametertestingsystemofmulti-parameter

Abstract

Thispaperdescribesamicrocontroller-basedmulti-parametertestsystemaerodynamicparameters.Foraircraftinthedevelopmentprocess,aerodynamicanalysis,structuralstrengthofthestaticanddynamicloads（stiffness）andothernumericalcalculationandanalysisisveryimportant,thispaper,alotofliterature,intheinstructor'shelp,onthestructureandpropertiesofthesensortheresearch,designaerodynamicparametersofamulti-sensortestsystem,namelywindtunnelexperimentairfoilmodelsurfacepressure,temperatureandotherparametersaretestedandacquisition.

Thispaperdescribesthedataacquisitionpart,controlpart,showingsomeofthedesigndetails,whichaccordingtothedesignrequirementsofthetestpointintensive,smalltestsurfaceconditionssuchasanalysisoftheexistingkindsofpressure,vibration,temperaturesensingelementadvantagesanddisadvantages,accordingtothetopicsneedtousesmallsizeofthesensingelement,andthenthecollectedsensorwithanalogsignalconditioning,andfinallygetdesiredresults.

Keywords:

SCM;multi-sensor;aerodynamicparameters

1绪论1

1.1本课题研究的目的及意义1

1.2国内外研究现状及趋势2

1.2.1传感器发展现状2

1.2.2气动参数测试现状3

1.3本课题的主要研究内容4

2多传感器气动参数测试系统总体设计5

3多传感器气动参数测试系统硬件设计6

3.1采集部分硬件设计6

3.1.1传感器测试单元设计6

3.1.2温度、气压测试单元设计7

3.1.3振动测试单元设计9

3.3采集控制单元设计15

3.4显示电路的设计16

4多传感器气动参数测试系统软件设计20

4.1I2C协议原理20

4.2BMP085模块的软件设计：

测量温度和气压22

4.2.1器件和寄存器地址22

4.2.2开始温度压力测量22

4.2.3读取A/D转换器的结果和E2PROM中的数据23

4.3ADXL345模块设计：

测量振动24

4.4PCF8591模块25

4.4.1控制字25

4.4.2A/D转换25

5总结28

附录A：

采集部分原理图和PCB图29

附录B：

部分程序30

参考文献：

34

致谢36

1绪论

1.1本课题研究的目的及意义

随着国防工业的不断发展，飞机、导弹等飞行器的结构无论在外形、受力情况及边界条件等方面都变得十分复杂[1]。

飞行器在研制的过程中，空气动力分析、结构的静、动态载荷强度（刚度）等参数的计算与分析非常重要[2]。

目前，在通常情况下，空气动力参数测试只能采用普通压力传感器、温度传感器、振动传感器在风洞实验中进行，在飞行器表面粘贴或打孔后将传感器嵌入被测飞行器表面，然后进行试验，无法在实际飞行中实施测试。

且在一次风洞实验需要数目多达数百只的功能不同的传感器，系统布线复杂、体积庞大，目前还无法使用大面积多点测试的方法来获取物理参数的分布场，再者由于传感器体积较大，会严重影响被测体自身的表面流场中的空气动力参数特性，这样会使测得的表面压力载荷场的分布参数不准确，因此风洞实验也就无法模拟真实气动效应，更法满足飞行器要适应复杂气动条件与实弹验证的设计需求，这点会直接影响飞机、导弹等飞行器的精度、强度、速度、可靠性等重要特性[3][4]。

在新条件下的飞行气动参数的测试显得越发重要，同时弹体的飞行姿态、时空位置、转速、加速度、速度以及执行机构与控制输出等参数是飞行控制的关键，在武器系统的设计、研制及验收过程中都需要提供真实可靠的测试数据。

多传感器测试系统，是一种新型感知、探测型的智能化多传感器（即柔性带式传感器）测试系统，它是将数百只多种参数的微型压力、温度、振动等数字化传感器，高密度的嵌入、封装到导弹或飞机及舵翼等翼型模型的表面，同时将所有传感器通过柔性电路总线互连，随导弹或飞机一起进行实弹空中试验或进行风洞吹风模拟实验，用以获取飞行器的表面多种物理参数、数千个测试点分布的压力、温度、振动、应变等准确数据，并记录下来[5]。

多传感器气动参数测试系统可一次获取大量数据，容易操作，可靠性高，并且可以监测和测试飞行器全寿命飞行过程中的实际大气环境参数，为飞行器的空气动力设计、研究及实验监测提供了重要的测试手段[6]。

由于飞行器表面具有压力、温度、振动等多物理参数、数百个测试点场分布和获取巨大测试数据量的特点，本课题所研究的多传感器测试系统和基于嵌入式以太网技术高速通信记录仪，加强对高速数据采集、记录的研究，能够实时、精确的获得现场测试数据，以便反映实时、真实的情况。

1.2国内外研究现状及趋势

1.2.1传感器发展现状

基于单片机的多参数气动参数测试系统的设计核心是各传感器测试单元的的准确测试，它们决定着系统的精度和灵敏度。

所以本文传感器国内外的现状及发展将主要介绍压力、温度、应变和振动传感器四个方面:

1、压力传感器

压力传感器可根据输出信号及体内是否装入放大电路分为：

压力传感器和压力变送器。

根据其是否能测量腐蚀性介质及适应恶劣环境可分为：

通用式和隔离式液体传感器[7]。

压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、便于集成化的优点,可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制。

除此以外,还广泛应用于水利、地质、气象、化工、医疗卫生等方面。

由于该技术是平面工艺与立体加工相结合,又便于集成化,所以可用来制成血压计、风速计、水速计、压力表、电子称以及自动报警装置等。

压力传感器已成为各类传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一类传感器[8]。

目前国内外关于压力传感器的研究主要有光纤压力传感器、电容式压力传感器耐高温压力传感器、硅微机械加工传感器、具有自测试功能的压力传感器、多维力传感器五种类型。

其中电容式真空压力传感器因自熔焊接圆环的特殊作用可以防止泄露任何污染介质等具有广泛的应用前景[9]。

2、温度传感器的发展现状

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展[10]。

温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：

一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。

接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡。

这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。

但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差[11]。

非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。

常用的是辐射热交换原理。

此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大[12]。

21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

3、应变式传感器发展现状

自1930年电阻应变片初次出现以来，至今已有80年历史。

经过多年的研究与实践，电阻应变式传感器的设计与计算等基本技术已经趋于成熟，目前它的的发展侧重于工艺研究和应用研究，在产品标准化、系列化、工程化设计和规模化生产工艺等方面寻求突破，例如在结构与工艺设计中引入计算机拟实技术和虚拟技术，在稳定处理中移植振动时效、共振时效新工艺，在测试检定中创造自动快速检测和动态比对方法等[13]。

同时，应用技术研究也有很大进展，例如传感器模块的组件化设计，能够“即插即用”，可减少由于偏重、热效应影响，偶然超载等引起的称重误差，并可承受由于振动、冲击、搅拌或其它外力引起的偏重[14]。

4、振动式传感器

随着半导体加工工艺的日渐完美,微电子技术的迅速发展,微机化机械加工技术和工艺的不断更新,现代振动与冲击测量传感器正朝着更小、更轻、更价廉物美、更高可靠性和更坚固耐用的方向发展[15]。

也正是因为具有了这些优点,才使得振动传感器在更多的领域得以应用。

航空、航天等尖端技术的发展促进了振动测量传感器的研制与开发,采用新的微工艺加工的振动传感器无疑是对原有传感器的一次重大变革[16]。

而与此同时,传统的压阻、压电式加速度传感器的加工水平也在不断改进提高,这就使得测振传感器的发展和应用有了更广阔的空间。

1.2.2气动参数测试现状

常规气动参数测试系统用于风洞稳静态试验，是指常规测力、测压试验。

一般采用巡回扫描式采集系统结构的形式，针对于大模型，一个系统有几十个到几百个数据采集点，利用多路采样开关共用一个A/D转换器。

目前，国内外风洞中正在使用的常规数据采集系统有:

Neff62O数据采、HD2000数据采集系统、PRESTON数据采集系统、ODYSSEY数据采集系统、PC机数据采集系统、PAC数据采集系统。

目前风洞常规试验要求系统速度100ks/s，通道数从64路～128路，精度0.02%。

传感器精度不提高，过高的提高系统精度是没有意义的。

气动参数测试系统另一个重要方面是信号的采集、显示、存储、传输和处理的软件技术，在此基础上，产生了虚拟仪器技术，可以灵活集成数据采集系统。

对系统用软面板进行操作和控制，实时监视被测量参数或者数据处理结果（如平均值、谱分析FFT、数字滤波、工程单位转换等）。

还