導(dǎo)彈貯發(fā)箱便攜式自動補氣設(shè)備設(shè)計

張崇會，徐智明，王彥龍，王述運

（1.92819 部隊，遼寧 大連 116600；2.海軍飛行學(xué)院模擬中心，遼寧 葫蘆島 125001）

導(dǎo)彈作為海軍的主戰(zhàn)武器，在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中備受重視。世界各國在投入大量的人力和財力加強新型導(dǎo)彈研制的同時，也加強了導(dǎo)彈技術(shù)保障的相關(guān)研究。國內(nèi)外現(xiàn)役多型導(dǎo)彈在技術(shù)陣地、彈庫或艦艇上的儲存一般采用貯運發(fā)射箱（以下簡稱貯發(fā)箱）保存，貯發(fā)箱中充滿高壓純潔空氣或高壓氮氣，為了維持氣壓，需要定期對貯發(fā)箱補氣。因此，要充分利用自動控制技術(shù)，傳感器的采樣、標(biāo)校技術(shù)，實時處理技術(shù)和無熱再生吸附式空氣干燥壓縮潔凈技術(shù)等，研制充氣補氣快速、自動程度高、使用簡便、維護簡單、通用性強、便攜式的導(dǎo)彈貯發(fā)箱的補氣設(shè)備。

1 背景分析

一般導(dǎo)彈貯發(fā)箱的充氣或補氣均采用大型的充氣裝置如充氣車，在技術(shù)陣地和導(dǎo)彈倉庫內(nèi)操作，充氣補氣過程煩瑣，且多采用人工觀察的手段，自動化程度低。由于在艦艇上不適合采用大型的補氣設(shè)備[1-2]，在導(dǎo)彈倉庫或技術(shù)陣地補氣是個別的，動用充氣設(shè)備費力、費時且浪費資源。因此，為了提高導(dǎo)彈的技術(shù)保障能力特別是提高導(dǎo)彈離開技術(shù)陣地和導(dǎo)彈倉庫后遂行戰(zhàn)斗任務(wù)時的保障能力，研制新型導(dǎo)彈貯發(fā)箱補氣設(shè)備具有重要的實際意義。

鑒于以上原因和部隊使用貯發(fā)箱充氣補氣的現(xiàn)狀，我們提出申請研制便攜、小型、實用、自動化程度高的補氣設(shè)備方案，目的是向?qū)梻}庫、導(dǎo)彈技術(shù)保障大隊、艦艇部隊提供技術(shù)先進、經(jīng)濟、安全、實用、高效的導(dǎo)彈保障設(shè)備，來增強部隊的導(dǎo)彈保障能力，提高保障水平、縮短保障時間，提高作戰(zhàn)效能，從而填補導(dǎo)彈倉庫、技術(shù)陣地以及艦艇上導(dǎo)彈貯發(fā)箱補氣設(shè)備沒有便攜小型化的自動補氣設(shè)備的空白。

2 總體設(shè)計

2.1 設(shè)計原則及思路

“導(dǎo)彈貯發(fā)箱便攜式自動補氣設(shè)備”應(yīng)具有自動檢測貯發(fā)箱內(nèi)壓力、溫度、濕度等技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)設(shè)定參數(shù)自動補氣到貯發(fā)箱中的功能；該設(shè)備應(yīng)充分體現(xiàn)操作簡便、實用的原則，通用性要強，更換氣源即可用于其他氣體的貯發(fā)箱補氣；該設(shè)備的研制要充分考慮性能指標(biāo)的先進性、研制經(jīng)費的可承受性與研制進度的可能性之間的相互匹配，追求實用性和綜合性能的高效費比；該設(shè)備應(yīng)具有良好的使用性、可維修性和可靠性，方便部隊使用維護，提高利用率；該設(shè)備要滿足標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用化要求；該設(shè)備應(yīng)充分體現(xiàn)體積小、重量輕的特點，一人可攜帶操作；質(zhì)量保證體系與手段貫徹于研制的全階段。

根據(jù)設(shè)備研制內(nèi)容首先進行總體方案設(shè)計，確定各分組間關(guān)系，進行硬件系統(tǒng)及仿真設(shè)計，完成后再進行軟件開發(fā)設(shè)計。最后按總體方案聯(lián)機調(diào)試。

2.2 設(shè)備構(gòu)成

設(shè)備構(gòu)成及分系統(tǒng)研制分為5個部分，即混合信號處理系統(tǒng)的研制、多路傳感器采集系統(tǒng)的研制、空氣凈化壓力生成系統(tǒng)的設(shè)計研制、氣路通道及控制設(shè)計研制、便攜箱體及結(jié)構(gòu)設(shè)計?；旌闲盘柼幚硐到y(tǒng)由單片機組成的結(jié)算控制系統(tǒng)進行控制，并與多路傳感器采集系統(tǒng)進行串口通信，提取多路傳感器采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)；多路傳感器采集系統(tǒng)采集貯發(fā)箱內(nèi)氣體的壓力、溫度、濕度等參數(shù)；空氣凈化壓力生成系統(tǒng)將空氣凈化壓縮，使氣體達到一定壓力強度；氣路通道及控制設(shè)計主要由電磁閥、管路接口、管路、氣壓表等組成。（見圖1）

圖1 設(shè)備總體設(shè)計框圖

3 設(shè)備設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

設(shè)備采用C8051F310 混合信號處理器作為主控制器完成設(shè)備的整體控制與顯示；采用C8051F310混合信號處理器完成多路傳感器參數(shù)的采集測量；系統(tǒng)選用了小型無熱再生空氣干燥器，保證凈化空氣的充足供應(yīng)，取消了氣瓶充氣搬運工作；采用進口小型直流齒輪泵，直接提供壓縮空氣，替代了壓縮機和氣瓶，體積大大減小，重量大大減輕。

3.1.1 設(shè)備內(nèi)部氣路設(shè)計

充氣系統(tǒng)由三大部分組成：自動充氣臺、空氣壓縮機和空氣凈化器。系統(tǒng)內(nèi)部氣路主要由進氣口、直通穿板、三通、四通、管接頭、真空泵、壓力開關(guān)、減壓閥、壓力傳感器、溫濕度傳感器、過濾器、出氣口等組成。（見圖2）

圖2 設(shè)備內(nèi)部氣路原理圖

3.1.2 傳感器數(shù)據(jù)讀取

傳感器采集板實時測試“大氣壓力”、“環(huán)境溫度”、“環(huán)境濕度”、“輸入氣體壓力”、“氣體濕度”，并在顯示器相應(yīng)位置顯示；自動計算理論壓力并顯示[3]；控制板通過串口發(fā)測試指令給傳感器采集板，傳感器采集板根據(jù)接收到的有效指令碼測量相應(yīng)參數(shù)，回傳命令碼和數(shù)據(jù)。（見表1）

控制板首先發(fā)出指令碼，采集板根據(jù)此地址發(fā)送對應(yīng)通道數(shù)據(jù)（3字節(jié)），分別為：1字節(jié)指令碼，2字節(jié)BCD采集數(shù)，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后。（若數(shù)據(jù)為負值，則數(shù)據(jù)第一位為E，例如：?0.1，則發(fā)送：通道地址、E0H、01H）。當(dāng)某路傳感器數(shù)據(jù)超差時顯示提示窗。

表1 參數(shù)測量指令碼

3.1.3 傳感器采集板

傳感器采集板是智能采集模塊，選用C8051F310混合信號處理器做信息處理中心，具有A/D轉(zhuǎn)換接口、數(shù)字I/O口、串行通訊口。不需外圍電路即可完成模擬傳感器的A/D采樣和數(shù)字傳感器的I2C標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)讀取。[4]

大氣壓力傳感器、3路壓力傳感器為模擬信號，經(jīng)C8051F310處理器A/D采樣，換算后獲得壓力數(shù)據(jù)；2路溫濕度傳感器為I2C標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字傳感器，經(jīng)C8051F310處理器數(shù)字傳輸獲取后，經(jīng)補償計算獲得溫度、濕度數(shù)據(jù)。在采集板通過TTL-RS232串口收到命令碼后，采集相應(yīng)通道數(shù)據(jù)，回傳命令碼和數(shù)據(jù)[5]，格式為：三字節(jié)二進制碼，第1字節(jié)為命令嗎，2、3字節(jié)為壓縮BCD碼，如果數(shù)據(jù)為負，2字節(jié)高位為E。（見圖3）

圖3 傳感器采集板原理框圖

傳感器是測量元件，為保證測試精度，定期需要標(biāo)校，傳感器廠家工藝保證其線性和穩(wěn)定性，但由于環(huán)境狀態(tài)變化傳感器測試有一定的變化，經(jīng)過補償后，一定時間相對穩(wěn)定，但長期使用可能會有一定的漂移。所以，要進行標(biāo)校，[6]根據(jù)傳感器參數(shù)特點，標(biāo)校方式不同。

大氣壓力、溫度、濕度偏移補償標(biāo)校；壓力傳感器點標(biāo)校。大氣壓力、溫度、濕度分別測得當(dāng)時數(shù)據(jù)，對比標(biāo)準(zhǔn)儀表，控制板傳送真實值傳給采集板，采集板經(jīng)過計算偏移值，存儲到FLASH存儲器內(nèi)。參數(shù)采集時將偏移值計算在內(nèi)，得出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

壓力傳感器點標(biāo)校：傳感器零壓時，給采集板命令碼，采集板采集數(shù)據(jù)，并存儲零壓值；壓力傳感器1、2加30 kPa壓力（壓力傳感器3為100 kPa）、采集板命令碼，采集板采集數(shù)據(jù)并存儲，傳感器確定了壓力換算關(guān)系，做為計算參數(shù)，可獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。（見圖4）

圖4 壓力傳感器曲線圖

3.1.4 無熱再生吸附式空氣干燥壓縮

采用無熱再生吸附式空氣干燥器（見圖5）和空氣壓縮機共同完成潔凈空氣的壓縮，使壓縮氣體達到一定壓力。無熱再生吸附式空氣干燥器由左干燥塔再生、右干燥塔干燥、出口梭閥、進口梭閥、再生氣調(diào)節(jié)閥、左右再生氣體排放閥等組成[7]。

空氣經(jīng)無熱再生吸附式空氣干燥器后由空氣壓縮機將干燥后的氣體升到一定氣壓后，將氣體送到貯發(fā)箱中。

圖5 無熱再生吸附式空氣干燥器原理組成圖

3.2 軟件設(shè)計

整個充氣過程使用程序選擇樹進行自動控制。操作人員通過功能選擇鍵，按動“選型”、“充氣”、“箱內(nèi)壓力”、“功能”實現(xiàn)功能。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，主要分為系統(tǒng)主程序和自動充氣子程序。

設(shè)備啟動后，C8051F310單片機[8]初始化，傳感器讀取“大氣壓力”、“環(huán)境溫度”、“環(huán)境濕度”、“輸入氣體壓力”、“氣體濕度”等參數(shù)，并在顯示器相應(yīng)位置顯示，若此時設(shè)備發(fā)生故障，則提示排除故障，反之，則提示選擇自動充氣子程序（或可以選擇傳感器標(biāo)校、箱型選擇、理論氣壓輸入和測試箱內(nèi)壓力和濕度等選項），充氣完畢后，提示輸入箱內(nèi)理論氣壓，并與傳感器測試的箱內(nèi)氣壓比較，若壓力符合要求則結(jié)束，否則返回主程序再次充氣。（見圖6）

圖6 設(shè)備主程序框圖

當(dāng)選擇自動充氣子程序[9-10]時，設(shè)備自動測量壓縮機生成的干燥空氣或外接輸入氣源的壓力并與該型導(dǎo)彈貯發(fā)箱充氣要求比較，若不滿足充氣要求則提示調(diào)整輸入壓力，反之則測量箱內(nèi)氣體壓力并與理論氣壓比較，若高于理論氣壓則退出到主程序，反之則計算壓力差值并確定充氣時間。提示打開充氣閥充氣并開始計時，充氣過程中適時判斷是否達到設(shè)備計算的充氣時間，該次充氣結(jié)束則跳回測量箱內(nèi)壓力，若高于理論氣壓則退出到主程序，反之循環(huán)充氣至高于理論氣壓。（見圖7）當(dāng)充氣完畢時發(fā)出聲光提示。

圖7 自動充氣子程序框圖

4 結(jié)束語

“導(dǎo)彈貯發(fā)箱便攜式自動補氣設(shè)備”的設(shè)計實現(xiàn)，為我軍導(dǎo)彈倉庫、導(dǎo)彈技術(shù)保障大隊和艦艇提供了一套技術(shù)先進、經(jīng)濟、安全、便攜、實用和高效的導(dǎo)彈保障設(shè)備，增強了部隊的導(dǎo)彈保障能力，提高了保障水平、縮短了保障時間，結(jié)束了導(dǎo)彈倉庫和技術(shù)陣地以及艦艇上導(dǎo)彈貯發(fā)箱補氣設(shè)備沒有便攜小型化的自動補氣設(shè)備的歷史。該設(shè)備的應(yīng)用將會取得顯著的經(jīng)濟效益和軍事效益。

[1]中國船舶重工集團公司.海軍武器裝備與海戰(zhàn)場環(huán)境概論[M].北京:海洋出版社,2007:468-477.

[2]馬麗娥.艦船武器裝備環(huán)境適應(yīng)性研究與分析[J].船舶科學(xué)技術(shù),2006,28(2):45-48.

[3]范茂軍.傳感器技術(shù)——信息化武器裝備的神經(jīng)元[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008:25-38.

[4]來清民.傳感器與單片機接口及實例[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008:115-138.

[5]童長飛.C8051F系列單片機開發(fā)與C語言編程[M].北京:北京航天航空大學(xué)出版社,2005:60-79.

[6]索雪松,紀(jì)建偉.傳感器與信號處理電路[M].北京:水利水電出版社,2008:88-106.

[7]黃軍徽,秦宏波,胡壽根.新型無熱再生干燥器在壓縮空氣系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].節(jié)能與環(huán)保,2008(7):178-201.

[8]張雄偉,曹鐵勇.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000:4-9.

[9]姜立東.VHDL語言程序設(shè)計及應(yīng)用[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2008:78-89.

[10]王振紅.VHDL數(shù)字電路設(shè)計與應(yīng)用實踐教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004:117-123.