作者：黃福幸，宋輝，李長仁

1、 引言

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)。

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量元件，實(shí)現(xiàn)對模型的精確控制。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。

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用來輸出方波信號(hào)，P1.1和P1.3用來輸出方向信號(hào)。

FB900C系列角位變送器采用自整角機(jī)或旋轉(zhuǎn)變壓器作檢測元件，運(yùn)用最新檢測技術(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位的絕對編碼器測量精度，其性價(jià)比遠(yuǎn)高于編碼器測量方式，是工業(yè)現(xiàn)場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(shè)計(jì)

2.2.1 角度測量程序設(shè)計(jì)

α、β兩個(gè)角度的測量是風(fēng)洞數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的重點(diǎn)，測量角度的精度直接影響到系統(tǒng)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(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)之間相互轉(zhuǎn)換子程序，角度測量程序流程如圖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(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。

程序入口：傳感器編號(hào)存于A中。

程序出口：α角度存于51H、β角度存于53H。

部分程序如下：

MS： CLR EA ;關(guān)中斷

MOV R2，A ;暫存?zhèn)鞲衅骶幪?hào)

MOV SCON，#50H ;設(shè)置串口方式

MOV RCAP2H，#0FFH ;自動(dòng)裝載值

MOV RCAP2L，#0D9H ;

MOV TH2，#0FFH

MOV TL2，#0D9H

MOV T2CON，#34H ;啟動(dòng)波特率發(fā)生器

…… …… ;發(fā)送采集命令、進(jìn)制轉(zhuǎn)換

LCALL FCIV ;調(diào)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算

…… …… ;進(jìn)制轉(zhuǎn)換、存數(shù)據(jù)

SETB EZ ;開中斷

RET

2.2.2 角度控制程序設(shè)計(jì)

風(fēng)洞中模型姿態(tài)的控制分兩部分，一個(gè)是當(dāng)前姿態(tài)的測量，一個(gè)是計(jì)算步進(jìn)電機(jī)需轉(zhuǎn)過的角度，角度的控制是在精確地測量當(dāng)前姿態(tài)的基礎(chǔ)上完成的，程序框圖如圖4所示。

和角度測量相似，模型姿態(tài)需要改變的角度放在累加器中，需要改變的方向放在22H單元中，符號(hào)放在23H單元中，通過計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)模型轉(zhuǎn)動(dòng)給定角度所需要的脈沖數(shù)，以及該方向電機(jī)的控制端口。

部分程序如下：

DJRUN： JZ AOVER

MOV R2，A ; 待轉(zhuǎn)角度存于A中

MOV A，22H ; 模型變化方向

CJNE A，#0Ah，NOAJI

LJMP ADJI ;攻角方向（α角）

NOAJI： CJNE A，#0BH，ERROR5

LJMP BDJI ;側(cè)滑角方向（β角）

ADJI： MOV A，23H

CJNE A，#0Ah，ADJINOZH

LJMP ADJIZH ;α方向 正轉(zhuǎn)

ADJINOZH ：CJNE A，#0BH，ERROR5

LJMP ADJIFU

ADJIZH： SETB AAJFX ;α方向 正轉(zhuǎn)

LJMP AMC_DU

ADJIFU： CLR AAJFX ;α方向 反轉(zhuǎn)

LJMP AMC_DU

AMC_DU： MOV R4，#0AH ;

AMC60： MOV R3，#3CH ;傳動(dòng)比

AMC10： SETB AAJMC

…… …… ; 單個(gè)脈沖產(chǎn)生器

RET

（β方向運(yùn)行程序和α方向相似）

3、 結(jié)論

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)為：使用自整角機(jī)及其變送器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光電編碼器，大大降低了硬件費(fèi)用。此系統(tǒng)成功應(yīng)于某大學(xué)低速風(fēng)洞控制系統(tǒng)中，風(fēng)洞試驗(yàn)中模型的攻角α的變化范圍為-10度～+25度；側(cè)滑角β可在-180度～+180度范圍內(nèi)任選角度；控制精度和測量精度均為0.5度。

責(zé)任編輯：gt