基于無線數據傳輸的水火箭動態監測系統的設計與實現*

陳 鵬 黃宇新 張宇智 郭志興 楊正波

(湖北文理學院物理與電子工程學院 湖北 襄陽 441053)

1 研究背景及意義

水火箭作為一種科普教學儀器和動手制作類科技作品,是很多中小學校的特色科技比賽項目,也是中小學開展科技活動的經典項目之一，深受青少年朋友的喜愛.水火箭可以讓青少年直觀了解火箭發射原理、導彈飛行軌跡,可作為中學生探究牛頓第一、第二、第三定律的實驗探究課題.本系統利用高度計、加速度計對高度、加速度等物理量進行監測，能夠實時監測、顯示水火箭飛行狀態，同時還可利用監測數據控制降落傘的打開.增強學生在此活動中積極探究,把科學原理付諸自己設計的項目中去體驗去改進.能很好地激勵青少年學生參與科普創作,促進科學思想、科學精神、科學方法和科學知識的傳播和普及,從而培養青少年學生的科學素養、技術素養、工程素養、數學素養,提高青少年學生的科技興趣[1].

2 系統總體設計

整個水火箭動態監測系統由水火箭、主控監測端、PC端3大部分組成.其中水火箭部分設計了水火箭外形、傘艙的結構和主控、舵機的安裝，該部分需要確保水火箭的正常發射以及舵機的正常開傘.主控監測端主要以STM32RCT6為核心，結合MS5611高度計、MPU6050加速度計、WIFI模塊組成基本的監測系統，它能夠實時監測水火箭的高度、溫度、氣壓、加速度等信息.PC端主要利用WIFI模塊接收由主控監測端傳來的水火箭飛行時的數據信息，并通過上位機軟件將信息用波形圖、柱狀圖等形式展示出來，達到實時監測的目的.PC端也可手動發送控制傘艙門的信號，并反饋至STM32RCT6單片機，使得舵機打角開傘，保證了水火箭更安全的回收.系統的整體結構框圖如圖1所示.

圖1 系統結構框圖

3 硬件設計

3.1 主控部分

主控部分包含STM32RCT6最小系統電路、MS5611氣壓傳感器、加速度傳感器、WIFI模塊、數字舵機、LED顯示電路.系統利用氣壓傳感器、加速度傳感器對飛行中的水火箭進行實時數據監測，WIFI模塊與PC端上位機進行通信，并把姿態信息用直觀的波形圖展示，同時也可以通過PC端上位機向主控板發送開傘的信號使舵機打角開傘，保證水火箭更安全地回收.

3.2 MS5611傳感器

MS5611氣壓傳感器是由MEAS(瑞士)推出的一款SPI和I2C總線接口的新一代高分辨率氣壓傳感器，分辨率可達到10 cm[2].MS5611提供了一個精確的24位數字壓力值和溫度值以及不同的操作模式，可以提高轉換速度并優化電流消耗.高分辨率的溫度輸出無須額外傳感器可實現高度計/溫度計功能.

4 水火箭制作與發射

本系統采用水火箭發射時所需的基本結構方案，即通過組合市面上常見的發射架、打氣筒、塑料結構的水火箭尾翼以及水火箭頭構成水火箭發射的基本結構，如圖2所示.在水火箭頭部設計了橡皮筋網狀結構的傘艙，利用固定后的橡皮筋產生的內部彈力，更利于艙門彈開后降落傘的正常釋放.傘艙設計如圖3所示.

圖2 水火箭發射基本結構

圖3 傘艙結構

5 軟件設計

軟件設計流程圖如圖4所示.

圖4 軟件設計流程圖

5.1 數據測量系統

數據測量系統以STM32F103RCT6作為主控，通過該主控完成對水火箭數據的采集，最后發送給PC端，進行實時顯示.數據測量系統主要分為高度測量和加速度測量兩部分.

高度測量部分采用MS5611氣壓傳感器，通過測量得到氣壓和環境溫度信息，根據該傳感器使用手冊提供的轉換公式，可以得到水火箭當前所處高度.加速度測量部分采用MPU6050傳感器，它可以獲取加速度和角速度信息.單片機得到數據后通過處理，得到水火箭當前加速度數據和姿態信息，并發送給上位機端進行顯示.

5.2 裝置保護系統

為避免裝置在著陸時沖擊地面而導致損壞，我們設計制作了一套保護系統來確保水火箭的可回收性，即裝置保護系統.裝置保護系統可分為開傘檢測和舵機開傘兩種狀態.

開傘檢測是指水火箭從最高點落下后單片機對其進行實時狀態判斷，當降落到一定高度時進入舵機開傘狀態.

舵機開傘狀態是繼開傘檢測的下一狀態，當高

度符合要求時執行舵機開傘，讓舵機轉動，打開降落傘來增加阻力，從而保證裝置的安全著陸.

5.3 上位機監測系統

上位機顯示效果如圖5和圖6所示.

圖5 上位機監測系統效果圖(1)

圖6 上位機監測系統效果圖(2)

上位機在工業控制當中又被稱為HMI,就是一臺計算機，它的作用是監控現場設備的運行狀態，當現場設備出現問題時，上位機上就能顯示出各設備之間的狀態(如正常、報警、故障等).

為了能夠實時觀察水火箭的狀態，我們采用了伏特加上位機與單片機端進行數據交互，主要用它來測量水火箭在空中的數據，其中包括高度、加速度、氣壓、溫度和姿態信息等，并將這些數據進行圖形化顯示，從而達到監測系統狀態的效果.

6 結束語

本文設計了一款基于無線數據傳輸的水火箭動態監測系統.該設計采用STM32F103RCT6單片機進行開發，通過WIFI模塊與PC端上位機保持信號傳輸.本系統利用傳感器采集技術、無線通信技術，設計出一套基于無線數據傳輸的水火箭動態監測系統，該系統能夠實時監測水火箭飛行過程中的數據信息，為水火箭競賽參與者提供了調試方便，也可作為裁判系統輔助裁判與教學輔助.