基于C8051F352 單片機的彈道參數測量系統設計

李亞楠，王金柱，馬繼存，孫文理

(1.軍械工程學院 彈藥工程系，河北 石家莊050003;2.76316 部隊，廣東 河源517300)

0 引 言

彈道參數測量是彈道修正的關鍵環節［1，2］。根據彈道唯一性理論，初速、射角和彈道系數可以確定出一條彈道。根據43 年阻力定律，初速在音速以下的迫擊炮彈彈道系數可以看做是個常數。因此，只要測量出初速和射角就可以預測出整條彈道，為實現彈道修正提供依據。目前，國內外研究的彈道辨識方法［3～6］主要集中在通過測得特殊時刻速度的方法來推導出初速區間，進而確定射角區間，經過循環迭代來縮小區間，從而得到初速和射角。這些方法采用的彈道參數測量系統結構簡單，但是辨識流程相對復雜，迭代容易產生累積誤差，從一定程度上限制了這類方法的實際應用。

本文以初速和射角分開進行辨識為設計思路，在借鑒其他 測 量 系 統 設 計 的 基 礎 上［7～10］，設 計 了 一 種 基 于C8051F352 單片機的彈道參數測量系統。該系統利用差壓和絕壓傳感器采集彈丸所受的動壓和靜壓數據，經C8051F352 單片機進行處理，得到初速和射角，為彈道修正提供數據支撐。

1 測量系統工作原理

1.1 彈道參數測量方案

基于對現有彈道參數測量方法問題的分析，在彈道初始段，將初速和射角分開進行測量，避免由于循環迭代產生累積誤差，提高彈道參數測量的精度和彈道解算的速度。本文提出的彈道參數測量方案，如圖1 所示。

圖1 彈道參數測量方案圖Fig 1 Trajectory parameters measuring scheme

1.2 初速的測量

利用差壓傳感器獲取彈道初始段的彈丸所受動壓，得到一組彈丸飛行時間和動壓數據(pdi，ti)。通過單片機進行多項式擬合，求得多項式系數ai

將t=0 代入多項式，即可求得初速pd0=a0。

根據空氣動力學原理，按照標準氣象條件有［11］

式中 v 為標準氣象條件下的海平面處的音速;p0為標準氣象條件下海平面的大氣壓，則

1.3 射角的測量

利用絕壓傳感器獲取彈道初始段彈丸所受的靜壓psi(即大氣壓pi)，得到一組彈丸飛行時間和靜壓數據(psi，ti)。通過單片機進行多項式擬合，求得多項式系數bi

由外彈道模型中

則

將t=0 代入多項式，即可求得速度的垂直分量的初始值

再利用1.2 中式(3)測量出的初速v0，得到射角

2 測量系統設計

2.1 測量系統組成與工作原理

本文設計了以C8051F352 單片機為核心的彈道參數測量系統，其整體結構如圖2 所示。差壓傳感器和絕壓傳感器感受彈丸所受的動壓和靜壓，并分別將其轉換為相應的電壓信號。經信號調理電路，對差壓、絕壓傳感器的輸出信號進行濾波和放大。A/D 轉換器將經過調理電路后的模擬電壓信號轉換為數字信號，并送入解算控制單元，最后，由解算控制單元通過執行內部解算程序，解算出測量的動壓和靜壓，進而得到初速和射角。

圖2 測量系統組成硬件原理框圖Fig 2 Hardware principle block diagram of measurement system constitution

2.2 測量系統硬件電路設計

2.2.1 壓力傳感器

本設計選用GE 公司NPC—1220—15D 型差壓傳感器和NPC—1220—15A 型絕壓傳感器。量程為0 ～10psi(1 psi=1bf/in2)=6 894.76 Pa，非線性誤差為±0.1%FSO，壓力遲滯為±0.1%FS，工作溫度為－40 ～125 ℃。該傳感器具有優良的溫度特性，溫度補償范圍為0 ～60 ℃。其體積小、精度高、功率小、頻率響應高等特點非常適用于飛行速度測量需求。

2.2.2 信號調理電路

經仿真分析可知，在0 ～1.5 s 內，動壓在1.51 ～54.03 kPa范圍內變化，靜壓在94.94 ～101.33 kPa 范圍內變化，差壓傳感器的輸出電壓信號范圍為0.73 ～26.12 mV。絕壓傳感器的輸出電壓信號范圍為45.90 ～48.99 mV。為使其滿足后面A/D 轉換器的輸入要求，必須對該信號進行放大調零處理。本系統選用LM358 放大器。該放大器有線性度高、失調電壓及溫度漂移小、功耗小等特點。

2.2.3 A/D 轉換器

本系統采用的單片機C8051F352 含有16 位的A/D 轉換器，共有8 個模擬輸入通道，動壓和靜壓傳感器輸出信號經信號調理電路后，分別接到單片機的兩個模擬輸入通道。C8051F352 的可編程轉換速率達到1 ksps，CPU 系統時鐘為50 MHz，因此，動壓和靜壓的采樣時差約為1 ms。即使當迫擊炮彈速度達300 m/s 時，1 ms 的時間迫擊炮彈運動距離也僅為0.3 m。相對于整個彈道，可以認為動壓和靜壓的值是在一個點上進行采樣得到的。因此，直接利用C8051F352 的A/D 轉換器，而不附加額外的A/D 轉換器。

2.2.4 解算控制單元

本設計中的解算控制單元采用Cygnal 公司的C8051F352 單片機。該單片機采用32 管腳的LQFP 封裝，具有高速度、高性能、高集成等特點，并能與8051 單片機兼容。此外，片內還集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件和其他數字外設及功能部件。

2.3 測量系統軟件程序設計

本系統的軟件主要包括3 個部分:系統控制程序、數據采集和保存程序，以及彈道參數解算程序。系統控制程序是用于控制整個軟硬件系統的工作流程，保證系統正常運行。數據采集和保存程序是用于差壓傳感器和絕壓傳感器數據的采集、轉換和保存。彈道參數解算程序是用于數據的處理，輸出解算的初速和射角。程序流程圖見圖3、圖4和圖5。

圖3 系統控制程序流程圖Fig 3 Flow chart of system control program

3 實驗測試

在實驗室條件下，利用本系統對某型號迫擊炮彈，不同初速和射角范圍條件下的射擊，進行了半實物仿真實驗，測試結果如表1 所示。

圖4 數據采集和保存程序流程圖Fig 4 Flow chart of data collection and preservation program

圖5 彈道解算程序流程圖Fig 5 Flow chart of trajectory calculating program

表1 彈道參數測量結果Tab 1 Trajectory parameter measurement results

從表1 可以看出:利用該系統解算出的初速和射角精度較高，解算的彈道射程最大誤差不超過0.5 m，相對誤差不超過0.07%，說明測量系統具有較高的準確性，達到了預期的設計要求。

4 結 論

本文設計了一種基于C8051F352 單片機的彈道參數測量系統，利用差壓傳感器和絕壓傳感器采集彈丸所受的動壓和靜壓數據，經單片機對采集數據的處理，解算出初速和射角。對測量系統的軟硬件設計進行了詳細描述。在實驗室條件下，進行了測試實驗。測試結果表明:該系統測量精度高，滿足彈道辨識的精度要求。與其他彈道參數測量系統相比，該系統具有測量精度高，解算速度快、系統結構簡單等特點，適合實際工程應用。

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