激光光幕測(cè)速系統(tǒng)溫控裝置設(shè)計(jì)

程日煒，蘭國(guó)峰，嚴(yán)浩銘，黨亞南，馮美娟，趙 輝

(1. 中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051； 2. 上海航天技術(shù)研究院北京研發(fā)中心，北京 100081)

0 引 言

隨著現(xiàn)代火炮武器的發(fā)展，火炮性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)變得越來(lái)越嚴(yán)格，在火炮的眾多性能測(cè)試中，初速度就是其中一項(xiàng)重要的參數(shù)指標(biāo)，它直接關(guān)系到后續(xù)彈丸的射程以及毀傷效果[1-2]. 如何提高火炮初速測(cè)試結(jié)果的精度成為一個(gè)重要的研究課題. 火炮測(cè)試環(huán)境相對(duì)較惡劣，因此對(duì)測(cè)速系統(tǒng)的要求較高，傳統(tǒng)火炮初速測(cè)量方法有： 線(xiàn)圈靶、 通斷網(wǎng)靶、 激光光幕靶等. 其中，線(xiàn)圈靶和通斷網(wǎng)靶對(duì)測(cè)試環(huán)境要求較低，但測(cè)試精度有限，存在一定的局限性[3]. 相較而言，激光光幕靶測(cè)試精度高，在火炮測(cè)試中具有較廣泛的應(yīng)用[4-5]. 但激光光幕靶內(nèi)部的較多器件，如： 半導(dǎo)體激光器、 信號(hào)電路、 電池等，均對(duì)工作溫度有一定要求. 如激光器的輸出波長(zhǎng)受溫度影響較大，當(dāng)工作電流一定時(shí)，溫度的變化會(huì)影響其工作介質(zhì)的折射率[6-7]，導(dǎo)致輸出峰值波長(zhǎng)發(fā)生漂移. 測(cè)速系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，會(huì)受到發(fā)射火光以及周?chē)h(huán)境光的干擾，為了不影響試驗(yàn)結(jié)果，需要在光電探測(cè)器前端安裝濾光片. 濾光片的中心波段需要與激光器的輸出波長(zhǎng)相匹配. 當(dāng)溫度變化導(dǎo)致激光器的輸出波長(zhǎng)與濾波片的中心波段不匹配或超出截止范圍，則會(huì)導(dǎo)致彈丸過(guò)靶信號(hào)過(guò)小，甚至無(wú)法采集. 通常溫度變化1 ℃，波長(zhǎng)產(chǎn)生相應(yīng)0.2 nm～0.3 nm 的改變[8]，圖 1 為激光器的輸出波長(zhǎng)與工作溫度的對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)圖，測(cè)速系統(tǒng)選用的激光器功率為100 mW，室溫下的工作波長(zhǎng)為650 nm.

圖 1 半導(dǎo)體激光器溫度與其輸出波長(zhǎng)的關(guān)系Fig.1 Relationship between semiconductor laser temperature and its output wavelength

傳統(tǒng)測(cè)速系統(tǒng)只適于在常規(guī)環(huán)境中測(cè)試，在極端溫度條件(-30 ℃～50 ℃)下則會(huì)受到影響，為了擴(kuò)大測(cè)速系統(tǒng)的適用范圍，使其可以在不同環(huán)境溫度下進(jìn)行正常工作，除采用在系統(tǒng)外部包裹保溫層等手段外，還需對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行溫度調(diào)節(jié). 常用的溫度控制方式如表 1 所示.

表 1 常見(jiàn)溫控方式性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison of common temperature control methods

傳統(tǒng)的溫控方式(如熱電制冷器(TEC)[7]法以及水冷散熱法[9]等)大多只針對(duì)激光器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，無(wú)法對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部其他器件進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，存在一定的局限性. 同時(shí)，這些方法存在溫度調(diào)節(jié)范圍有限或裝置體積較大等問(wèn)題，無(wú)法適應(yīng)激光光幕靶測(cè)試環(huán)境不同，溫度變化范圍較大且外形尺寸較小的要求. 激光光幕靶存在長(zhǎng)時(shí)間在室外環(huán)境使用的情況，并且無(wú)法提供外接電源，需要采用內(nèi)部電池進(jìn)行供電，這就要求溫控裝置功耗低、 調(diào)節(jié)速度快，可以使測(cè)速系統(tǒng)內(nèi)部溫度穩(wěn)定在 20 ℃ 左右，從而保證測(cè)速系統(tǒng)的正常工作. 基于以上實(shí)際情況以及對(duì)溫度控制的需求，本文設(shè)計(jì)了一款可用于激光光幕測(cè)速系統(tǒng)的溫度控制裝置.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)

整個(gè)溫控裝置主要由三部分組成： 溫度測(cè)量模塊、 系統(tǒng)控制模塊以及溫控執(zhí)行模塊. 如圖 2 所示.

圖 2 溫控裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Overall structure diagram of temperature control device

溫度測(cè)量模塊的溫度傳感器1～3分別監(jiān)測(cè)激光器、 信號(hào)電路以及腔體內(nèi)壁的溫度. 系統(tǒng)控制模塊主要為STM32，負(fù)責(zé)系統(tǒng)溫度的測(cè)量、 顯示以及對(duì)后續(xù)溫控執(zhí)行模塊的控制. 溫控執(zhí)行模塊主要包括： 繼電器開(kāi)關(guān)、 風(fēng)扇以及加熱器. 為了提升溫控裝置的調(diào)節(jié)效率，溫控執(zhí)行模塊分為3組，與相應(yīng)的溫度傳感器對(duì)應(yīng)，分別安裝在激光器、 信號(hào)處理電路以及系統(tǒng)內(nèi)壁附近，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度調(diào)節(jié).

溫控裝置工作流程圖如圖 3 所示. 系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，各溫度傳感器對(duì)相應(yīng)器件進(jìn)行溫度采集. 測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸至STM32，將測(cè)量值與預(yù)置的溫度范圍進(jìn)行比較. 因各器件對(duì)環(huán)境溫度的要求不同，為了提高溫控精度，根據(jù)不同器件的工作特點(diǎn)，設(shè)置了各自的溫度調(diào)節(jié)范圍. 激光器的溫控范圍為15 ℃～35 ℃，當(dāng)溫度超出此范圍，STM32控制溫控執(zhí)行模塊開(kāi)始工作，當(dāng)溫度調(diào)節(jié)(加熱/降溫)至停止閾值25 ℃時(shí)，溫度調(diào)節(jié)停止. 同理，信號(hào)電路溫控范圍為10 ℃～40 ℃，停止閾值為25 ℃； 系統(tǒng)內(nèi)壁溫度范圍為10 ℃～35 ℃，停止閾值為20 ℃，其中系統(tǒng)內(nèi)壁溫度會(huì)通過(guò)顯示屏進(jìn)行顯示.

圖 3 溫控裝置工作流程圖Fig.3 Working flow chart of temperature control device

1.2 理論計(jì)算

溫控裝置通過(guò)加熱器和風(fēng)扇來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部溫度的調(diào)節(jié)，其中系統(tǒng)內(nèi)壁升溫所需熱量最高，因此，選用加熱器功率為20 W的半導(dǎo)體加熱器. 激光器以及信號(hào)電路選用的加熱器功率均為5 W，溫控裝置的總加熱功率為30 W. 熱量的計(jì)算公式為

Q=cmΔt,

(1)

式中：Q為加熱器所產(chǎn)生的熱量值；c為系統(tǒng)內(nèi)部空氣比熱容，c=1.0×103J/(kg℃)；m為加熱空氣的質(zhì)量； Δt為系統(tǒng)內(nèi)部加熱前后溫度的差值. 測(cè)速系統(tǒng)內(nèi)部的空氣密度為1.29 kg/ m3，空間大小約為0.23 m×0.23 m×0.2 m，則系統(tǒng)內(nèi)部空氣升溫1 ℃所需的能量為13.65 J/ ℃. 1 W=1 J/s, 即使用1 W的加熱器將該體積空氣加熱升溫1 ℃ 需要13.65 s. 假設(shè)將環(huán)境溫度由-30 ℃ 升溫至20 ℃，內(nèi)壁加熱器功率為20 W，則理論計(jì)算所得加熱時(shí)長(zhǎng)為34 s. 同理，根據(jù)激光器以及電路附近的空氣體積計(jì)算可得它們的加熱時(shí)間分別為16 s和28 s. 因?yàn)閷?shí)際使用中存在熱量損失等問(wèn)題，所以加熱、 溫升時(shí)間大于理論值. 通過(guò)對(duì)理論和實(shí)際結(jié)果以及使用需求的分析，表明系統(tǒng)所采用的加熱方式完全能夠滿(mǎn)足實(shí)際測(cè)試環(huán)境對(duì)于升溫時(shí)間的要求.

加熱器選用的供電電池容量為28 000 mAh，輸出電壓為12 V，則根據(jù)公式P=UI和Q=It計(jì)算可得得到加熱器的供電電流為2.5 A，電池可為加熱器供電的時(shí)長(zhǎng)大于10 h，這完全可以滿(mǎn)足測(cè)速系統(tǒng)每天室外工作時(shí)長(zhǎng)的使用需求. 系統(tǒng)溫控裝置選用的加熱器能耗小、 加熱效率高且體積小巧，便于安放在系統(tǒng)內(nèi)部，可以較好地維持內(nèi)部溫度穩(wěn)定.

1.3 溫度場(chǎng)仿真

為了驗(yàn)證所選用加熱器的功率、 安裝位置是否合適，以及測(cè)試溫控裝置能否對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行快速溫度調(diào)節(jié)，進(jìn)行了系統(tǒng)內(nèi)部溫度場(chǎng)的仿真實(shí)驗(yàn).

通過(guò)Solid Works對(duì)測(cè)速系統(tǒng)進(jìn)行幾何建模，然后將模型導(dǎo)入ANSYS中，將系統(tǒng)面板的材料屬性設(shè)置為6 061鋁合金，之后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所構(gòu)建的有限元模型單元數(shù)為135 065，節(jié)點(diǎn)數(shù)為244 077. 圖 4 為建立的離散化有限元模型.

圖 4 測(cè)速系統(tǒng)溫度仿真模型Fig.4 Temperature simulation model of speed measurement system

對(duì)加熱器功率和位置等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，將加熱器分別放置在系統(tǒng)側(cè)壁、 上面板以及底板中間，其中側(cè)壁加熱器功率為20 W, 上下面板加熱器功率為5 W.

圖 5 為加熱前系統(tǒng)內(nèi)部的溫度分布云圖，此時(shí)環(huán)境溫度設(shè)定為-10 ℃.

圖 5 系統(tǒng)加熱前溫度云圖Fig.5 Temperature cloud diagram before system heating

加熱器工作一段時(shí)間后，系統(tǒng)內(nèi)部溫度達(dá)到穩(wěn)定，圖 6 為系統(tǒng)內(nèi)壁以及信號(hào)電路對(duì)應(yīng)加熱器的溫度場(chǎng)分布.

(a) 系統(tǒng)內(nèi)壁溫度場(chǎng)示意圖

(b) 信號(hào)電路溫度場(chǎng)示意圖圖 6 系統(tǒng)加熱溫度場(chǎng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of system heating temperature field

從圖 6 中可以看出，面板溫度可達(dá)30 ℃以上，證明所選加熱器的功率滿(mǎn)足要求，完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)速系統(tǒng)的加熱. 從溫度云圖來(lái)看，系統(tǒng)整塊面板的熱量分布較均勻，加熱器的安裝位置也符合設(shè)計(jì)要求. 同時(shí)，通過(guò)軟件模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部溫度不再變化且環(huán)境溫度達(dá)到靜態(tài)平衡時(shí)，整個(gè)過(guò)程用時(shí)約為28 min，證明溫控裝置的溫度調(diào)節(jié)耗時(shí)較短，效率較高.

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度傳感器電路

溫度傳感器能否快速準(zhǔn)確地進(jìn)行溫度測(cè)量，直接關(guān)系到裝置是否可以高效工作，因此，溫度傳感器的選型是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵. 測(cè)速系統(tǒng)室外工作的環(huán)境溫度一般為-30 ℃～50 ℃. 基于以上需求，本設(shè)計(jì)選用DS18B20溫度傳感器，該傳感器的測(cè)溫范圍為-55 ℃～125 ℃，滿(mǎn)足環(huán)境測(cè)溫需求. 同時(shí)，傳感器響應(yīng)速度為750 ms，精度可達(dá)0.25 ℃，性能優(yōu)良. 傳感器內(nèi)部可直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，降低了外圍電路的設(shè)計(jì)要求. 該傳感器體積較小，便于安放在測(cè)速系統(tǒng)內(nèi)部，不會(huì)過(guò)多占用內(nèi)部空間.

系統(tǒng)所選用的溫度傳感器為同一型號(hào)，只是在與單片機(jī)引腳的接線(xiàn)處有所區(qū)別，因此，以激光器溫度傳感器外部電路為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖 7 所示，VCC 和 GND 兩引腳為傳感器提供電源回路，供電端接入電容進(jìn)行濾波，以保證工作電壓穩(wěn)定和防止干擾造成誤差. DQ 為數(shù)據(jù)通信引腳，在VCC端串聯(lián)一個(gè)電阻，為 DQ 管腳提供靜態(tài)偏置，將DQ端與STM32連接以后就可以進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的寫(xiě)入或讀取操作.

圖 7 激光器溫度傳感器電路示意圖Fig.7 Schematic diagram of laser temperature sensor circuit

2.2 繼電器控制電路

繼電器主要用來(lái)控制相應(yīng)的溫控器件. 當(dāng)溫度測(cè)量值大于溫度范圍上限時(shí)，繼電器接通風(fēng)扇進(jìn)行冷卻降溫； 當(dāng)溫度測(cè)量值小于溫度范圍下限時(shí)，繼電器接通加熱器進(jìn)行加熱升溫. 所選用的繼電器1～3的型號(hào)均相同，控制激光器溫度調(diào)節(jié)的繼電器及相應(yīng)電路如圖 8 所示.

圖 8 繼電器電路及引腳示意圖Fig.8 Relay circuit and pin diagram

由于單片機(jī)輸出引腳的驅(qū)動(dòng)電流較小功率不足，無(wú)法驅(qū)動(dòng)繼電器，因此在外接電路中添加三極管以驅(qū)動(dòng)繼電器. 三極管的作用一是放大單片機(jī)的輸出，二是作為開(kāi)關(guān)控制. 由單片機(jī)控制IN端的輸入. 當(dāng)溫度測(cè)量值超出設(shè)定閾值時(shí)，單片機(jī)輸出低電平至IN，控制繼電器接口閉合，溫控執(zhí)行模塊開(kāi)始工作. 當(dāng)溫度回到正常范圍時(shí)，IN輸入高電平，停止溫度調(diào)節(jié). 外設(shè)電路中，繼電器外接的續(xù)流二極管用來(lái)保護(hù)三極管，防止繼電器開(kāi)關(guān)時(shí)線(xiàn)圈所產(chǎn)生的反生電動(dòng)勢(shì)損壞三極管.

STM32通過(guò)繼電器開(kāi)關(guān)來(lái)控制加熱器，當(dāng)器件溫度低于設(shè)定值時(shí)，對(duì)應(yīng)加熱器開(kāi)始工作； 達(dá)到設(shè)定溫度值，加熱停止. 為了保障系統(tǒng)安全，防止因溫度傳感器檢測(cè)或STM32溫控裝置控制失效，引起加熱溫度過(guò)高，使測(cè)速系統(tǒng)損壞，本設(shè)計(jì)在各加熱器和電源之間設(shè)置了突跳溫控開(kāi)關(guān)，如圖 9 所示，當(dāng)內(nèi)部溫度超過(guò)溫控開(kāi)關(guān)設(shè)定值時(shí)，突跳開(kāi)關(guān)會(huì)斷開(kāi)電路，進(jìn)一步保障加熱安全可控.

圖 9 突跳開(kāi)關(guān)接線(xiàn)示意圖Fig.9 Wiring diagram of jump switch

圖 10 為激光器溫控裝置加熱仿真電路圖，顯示屏所顯示溫度為當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)壁的溫度. 圖中溫度傳感器測(cè)得的激光器溫度值為12 ℃，低于溫控范圍閾值下限15 ℃. 單片機(jī)PB14引腳輸出低電平至繼電器IN端口，控制繼電器NO與COM接口短接電路導(dǎo)通，加熱器開(kāi)始工作. 當(dāng)加熱溫度達(dá)到25 ℃時(shí)，單片機(jī)PB14輸出高電平控制繼電器斷開(kāi)電路，加熱停止.

圖 10 溫控裝置加熱仿真圖Fig.10 Heating simulation diagram of temperature control device

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)溫控裝置軟件運(yùn)行流程如圖 11 所示，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，初始化溫度傳感器端口，檢測(cè)連接狀態(tài).

開(kāi)始運(yùn)行溫度讀取流程： 首先訪(fǎng)問(wèn)ROM, 讀取溫度傳感器地址信息,發(fā)送低電平進(jìn)行復(fù)位操作，將引腳設(shè)置為輸入模式等待響應(yīng)，有數(shù)據(jù)傳回時(shí)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制溫度. 之后進(jìn)行溫度判斷，根據(jù)器件設(shè)定的溫度范圍進(jìn)行判斷. 激光器的溫控范圍為15 ℃～35 ℃，信號(hào)電路的溫控范圍為10 ℃～40 ℃，系統(tǒng)內(nèi)壁的溫控范圍為10 ℃～35 ℃.

當(dāng)測(cè)量溫度值超出各自對(duì)應(yīng)的溫控范圍時(shí)，單片機(jī)對(duì)繼電器控制端輸出低電平，相應(yīng)溫控執(zhí)行模塊開(kāi)始運(yùn)行. 待溫度調(diào)節(jié)至停止閾值后，單片機(jī)對(duì)繼電器控制端輸出高電平，相應(yīng)溫控執(zhí)行模塊停止工作.

圖 11 軟件設(shè)計(jì)流程圖

單片機(jī)與溫度傳感器之間需進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的傳輸與轉(zhuǎn)換，流程如圖 12 所示. 首先單片機(jī)對(duì)溫度傳感器發(fā)送復(fù)位脈沖，短暫延時(shí)后進(jìn)入接收模式，之后單片機(jī)發(fā)送讀取存儲(chǔ)器命令，依次讀取低八位、 高八位連續(xù)兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù). 將采集數(shù)據(jù)乘以0.625轉(zhuǎn)換得到十進(jìn)制溫度數(shù)值，讀取數(shù)據(jù)符號(hào)位判斷回傳溫度的正負(fù)，確定溫度值.

圖 12 溫度讀取及轉(zhuǎn)換流程圖Fig.12 Flow chart of temperature reading and conversion

4 實(shí)測(cè)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)裝置對(duì)測(cè)速系統(tǒng)內(nèi)部溫度的控制能力，對(duì)系統(tǒng)的溫控執(zhí)行模塊進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn). 以系統(tǒng)內(nèi)壁溫度為例，當(dāng)內(nèi)壁溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的溫度滿(mǎn)足工作要求，則其他器件均處在工作溫度范圍內(nèi)，圖 13 為測(cè)速系統(tǒng)溫度顯示裝置實(shí)物圖.

圖 13 溫度顯示裝置測(cè)試圖Fig.13 Test diagram of temperature display device

將系統(tǒng)分別放置在-2 ℃以及40 ℃環(huán)境下進(jìn)行升溫以及降溫試驗(yàn)，每隔2 min對(duì)溫度值進(jìn)行記錄，待溫度傳感器檢測(cè)到內(nèi)壁溫度達(dá)到20 ℃時(shí)，溫控裝置停止運(yùn)行. 圖 14 為系統(tǒng)升溫以及降溫試驗(yàn)的溫度變化曲線(xiàn)圖.

(a) -2 ℃升溫

(b) 40 ℃降溫圖 14 系統(tǒng)內(nèi)壁溫度變化圖Fig.14 Temperature variation diagram of system inner wall

系統(tǒng)升溫試驗(yàn)用時(shí)約14 min，共測(cè)得8組數(shù)據(jù)，由圖14(a)可知，試驗(yàn)最初溫度上升較平緩，隨著加熱時(shí)間的增加，溫度上升速度明顯加快，這是由于測(cè)速系統(tǒng)各個(gè)面板溫度也會(huì)有所上升. 降溫試驗(yàn)用時(shí)約12 min，共計(jì)7組數(shù)據(jù)，由圖14(b) 可知，前期溫度下降相對(duì)較快，當(dāng)內(nèi)部溫度接近環(huán)境溫度時(shí)，溫度下降逐漸變緩.

試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以在較短的時(shí)間內(nèi)將系統(tǒng)內(nèi)部的溫度調(diào)節(jié)至20 ℃，調(diào)節(jié)速度較快且結(jié)果準(zhǔn)確，待溫度調(diào)節(jié)完成后，激光器的輸出波長(zhǎng)可以穩(wěn)定在650 nm，滿(mǎn)足溫控裝置的設(shè)計(jì)要求，可以保證激光光幕測(cè)速系統(tǒng)在室外高低溫環(huán)境中正常工作.

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的激光光幕測(cè)速系統(tǒng)溫控裝置，該裝置可同時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部器件進(jìn)行多點(diǎn)溫度調(diào)節(jié). 通過(guò)對(duì)加熱器的功率進(jìn)行理論計(jì)算，并對(duì)系統(tǒng)的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了所選加熱器的功率以及安裝位置滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求. 對(duì)系統(tǒng)內(nèi)壁溫控執(zhí)行模塊進(jìn)行實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，整個(gè)升溫過(guò)程用時(shí)約14 min，降溫試驗(yàn)用時(shí)約12 min，均可在15 min 內(nèi)完成對(duì)內(nèi)壁溫度的調(diào)節(jié). 試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置溫度調(diào)節(jié)速度快，適用于不同溫度環(huán)境，同時(shí)具有能耗低、 體積小等特點(diǎn)，滿(mǎn)足測(cè)速系統(tǒng)對(duì)溫度控制裝置的實(shí)際需求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值.