超聲波測(cè)距在螺旋槳軌跡測(cè)試中的應(yīng)用研究

李寶國(guó)，左正軍，李忠良

（1.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院廣漢分院，四川 廣漢 618307；2.成都工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611731)

目前服役的通用航空器大致分兩類：一類是旋翼機(jī)；另一類是固定翼飛機(jī)。固定翼飛機(jī)可分為噴氣式飛機(jī)與螺旋槳式飛機(jī)，也可以分為定距螺旋槳飛機(jī)與可變距螺旋槳飛機(jī)。對(duì)可變距螺旋槳固定翼飛機(jī)而言，每當(dāng)飛機(jī)進(jìn)行過螺旋槳拆裝工作后，按照飛機(jī)維修手冊(cè)要求，必須對(duì)其螺旋槳軌跡(即槳葉角間隙及槳葉活動(dòng)間隙)進(jìn)行檢查。當(dāng)前飛機(jī)制造廠家給出的檢查方法是通過一根鋼板尺進(jìn)行測(cè)量，如圖1所示，但精度不易控制。為了解決該問題，本研究設(shè)計(jì)了一種以STC89C52單片機(jī)為控制核心，采用超聲波傳感器對(duì)螺旋槳軌跡進(jìn)行測(cè)量的設(shè)備，并通過LCD1602液晶顯示器將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。維修人員通過對(duì)比三次測(cè)得的數(shù)據(jù)的差值來判斷發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳軌跡是否達(dá)標(biāo)。測(cè)試結(jié)果表明該設(shè)計(jì)可以提高測(cè)試精度與工作效率。

圖1 螺旋槳軌跡測(cè)試

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

頻率超過20 kHz的聲波被定義為超聲波，其常見頻率有幾十千赫到幾十兆赫，超聲波由于方向性好、穿透力強(qiáng)、聲波效能較為集中，可以用來危險(xiǎn)環(huán)境測(cè)距、倒車?yán)走_(dá)、殺毒、清洗等，因此廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、工學(xué)中[1-4]。本研究以STC89C52單片機(jī)為控制單元，通過超聲波模塊對(duì)螺旋槳軌跡進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在LCD1602液晶顯示器中。電位計(jì)模塊用來調(diào)節(jié)LCD液晶顯示器對(duì)比度，電池通過電源模塊降壓穩(wěn)壓處理后為單片機(jī)、超聲波測(cè)距模塊、顯示模塊提供穩(wěn)定工作電壓，最后通過對(duì)比測(cè)量值的差值Δd來判斷螺旋槳軌跡是否滿足飛機(jī)維修手冊(cè)要求。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路，電源電路組成。STC89C52單片機(jī)較STM32單片機(jī)功耗更低、價(jià)格更加低廉[5-6]。STC89C52單片機(jī)負(fù)責(zé)接收超聲波測(cè)距模塊的回波信號(hào)，通過接收到的回波信號(hào)時(shí)間來完成距離計(jì)算，并控制LCD1602顯示器實(shí)時(shí)將距離值進(jìn)行顯示。由于該單片機(jī)工作電壓為4.5-5.5 V，因此本次設(shè)計(jì)采用移動(dòng)電源為該系統(tǒng)供電。晶振電路為單片機(jī)提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)，確保單片機(jī)可以正常工作，本次設(shè)計(jì)使用的是12 MHz晶振，故其機(jī)器周期為1 μs。當(dāng)測(cè)試設(shè)備出現(xiàn)異常情況時(shí)，可通過長(zhǎng)按復(fù)位按鈕接通復(fù)位電路，強(qiáng)制單片機(jī)從頭開始執(zhí)行程序，解決測(cè)試過程中的異常問題[7-8]。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 超聲波測(cè)距原理

超聲波測(cè)距是利用了超聲阻礙的特點(diǎn)[9]來進(jìn)行距離的測(cè)量的。具體原理為：當(dāng)超聲波發(fā)射器發(fā)出聲波信號(hào)后，聲波會(huì)在空氣中傳播，當(dāng)聲波遇到障礙物時(shí)會(huì)被障礙物反射回來，返回的聲波被超聲波接收器接收。經(jīng)分析可知：只要記錄下從超聲波發(fā)射至接收到返回聲波的時(shí)間差Δt，知道聲波在空氣中的傳播速度v，就可以計(jì)算出超聲波發(fā)射器距離障礙物的距離

2.3 超聲波測(cè)距模塊

通過對(duì)比紅外測(cè)距、激光測(cè)距、毫米波測(cè)距得知超聲波在短距離測(cè)距方面，成本低廉、適應(yīng)能力更強(qiáng)[10]。設(shè)計(jì)采用的超聲波測(cè)距模塊型號(hào)為US-015，該模塊分辨率可達(dá)0.5 mm，測(cè)距精度高，重復(fù)測(cè)量一致性好，測(cè)距穩(wěn)定可靠，可實(shí)現(xiàn)2 cm—4 m非接觸測(cè)距功能，電氣參數(shù)見表1[11-12]。

表1 US-015超聲波測(cè)距模塊電氣參數(shù)

該模塊可由單片機(jī)GPIO端口直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)行測(cè)距，與單片機(jī)硬件連接如圖4所示。從圖4可以看出超聲波測(cè)距模塊共有4根管腳，這里對(duì)部分管腳做如下說明：Trig管腳連接至單片機(jī)的P1.6口，當(dāng)P1.6口輸出一個(gè)10 μs以上的高電平時(shí)，可觸發(fā)超聲波模塊測(cè)距。Echo管腳連接至單片機(jī)P1.7口，當(dāng)超聲波測(cè)距模塊測(cè)距結(jié)束時(shí)，Echo管腳會(huì)向單片機(jī)P1.7口輸入一個(gè)高電平，電平的寬度為超聲波往返時(shí)間之和[11]。

圖4 硬件接線圖

2.4 顯示模塊

顯示模塊主要是向設(shè)備使用者實(shí)時(shí)顯示超聲波傳感器距槳葉背面的距離值，理論分析可知當(dāng)槳葉角改變時(shí)，此距離值也會(huì)隨之改變。設(shè)計(jì)采用目前使用最為廣泛的一種顯示模塊LCD1602，該模塊是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)的點(diǎn)陣型液晶模塊，它由若干個(gè)5×7或者5×10點(diǎn)陣字符位組成，可直接顯示ASCII碼對(duì)應(yīng)字符，可以滿足本次設(shè)計(jì)對(duì)字符顯示的要求，并且價(jià)格低廉，使用方便，模塊主要電氣參數(shù)見表2[13]。該模塊同樣可由單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)行字符顯示，硬件連接如圖5所示。從圖5中可以看出LCD1602共有16個(gè)引腳，其各引腳功能見表3。

圖5 硬件接線圖

表2 LCD1602電氣參數(shù)

表3 引腳功能

這里對(duì)部分引腳做下說明：

3號(hào)引腳：用來調(diào)節(jié)模塊背光的對(duì)比度，過高過暗都會(huì)影響顯示效果，本次設(shè)計(jì)中使用電位計(jì)模塊來調(diào)整偏壓信號(hào)。

4號(hào)引腳：當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，引腳DB0～DB7傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是要顯示的內(nèi)容。當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，引腳DB0～DB7傳輸?shù)氖敲睿饕脕沓跏蓟壕K。

5號(hào)引腳：控制數(shù)據(jù)傳輸方向，由于本次設(shè)計(jì)是命令模塊顯示數(shù)據(jù)，因此需要將該引腳保持低電平。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件代碼是在Keil開發(fā)環(huán)境中由C語言完成編寫的，程序由三部分組成：主程序、超聲波模塊測(cè)距程序、LCD1602模塊顯示程序。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序主要負(fù)責(zé)初始化定時(shí)器T0/T1的工作方式，并裝載計(jì)數(shù)器初始值，開啟定時(shí)器及定時(shí)器中斷和總中斷，測(cè)量超聲波模塊Echo回響端高電平信號(hào)時(shí)長(zhǎng)，完成距離的計(jì)算，主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.2 測(cè)距程序設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距模塊由控制電路、超聲波發(fā)射電路、接收電路組成。超聲波測(cè)距模塊時(shí)序圖如圖7所示，給該模塊的Trig引腳輸入一個(gè)大于10 μs的高電平信號(hào)，發(fā)射電路會(huì)發(fā)送8個(gè)40 Hz方波信號(hào)，方波信號(hào)會(huì)被前方障礙物反射回來，當(dāng)接收電路檢測(cè)到信號(hào)返回時(shí)，Echo引腳輸出高電平信號(hào)，且該高電平信號(hào)脈沖寬度t與所測(cè)距離s成正比，通過計(jì)算Echo高電平信號(hào)脈沖寬度t，可求得距離s=vt/2，v是超聲波在空氣中的傳播速度，為340 m/s[15-16]。測(cè)距程序流程圖如圖8所示。

圖7 超聲波測(cè)距模塊時(shí)序圖

圖8 測(cè)距程序流程圖

3.3 液晶顯示程序設(shè)計(jì)

液晶顯示程序主要為測(cè)試設(shè)備使用人員提供實(shí)時(shí)距離顯示，方便飛機(jī)維修人員記錄數(shù)據(jù)，LCD1602顯示模塊操作步驟由三部分組成：初始化、寫命令(設(shè)置顯示坐標(biāo))、寫數(shù)據(jù)。此部分程序首先根據(jù)模塊時(shí)序圖封裝了兩個(gè)常用函數(shù)即寫命令與寫數(shù)據(jù)函數(shù)，這兩個(gè)函數(shù)僅RS引腳電平不同。當(dāng)需要寫命令時(shí)，首先將RS引腳、RW引腳拉低，然后將指令送給DB0～DB7端口，最后給使能引腳一個(gè)正跳變，寫指令完成；當(dāng)需要寫數(shù)據(jù)時(shí)，首先將RS引腳拉高，RW引腳拉低，然后將數(shù)據(jù)送給DB0～DB7端口，同樣給使能引腳一個(gè)正跳變，寫數(shù)據(jù)完成。液晶顯示模塊初始化工作主要由這兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，初始化流程如圖9所示。

圖9 顯示模塊初始化流程圖

4 性能測(cè)試與分析

理論分析可知：當(dāng)槳葉角發(fā)生改變時(shí)，超聲波測(cè)距模塊返回的距離值應(yīng)會(huì)隨之發(fā)生改變。受實(shí)驗(yàn)條件限制，本研究使用一塊與槳葉寬度相似的擋板來進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試方法為：改變擋板正對(duì)超聲波測(cè)距模塊的角度(模擬槳葉角改變)，示意圖如圖10所示(俯視圖)，記錄距離值s，看其是否會(huì)隨著角度θ變化而變化，測(cè)試結(jié)果見表4。

圖10 測(cè)試示意圖(俯視圖)

表4 測(cè)試結(jié)果

由表4數(shù)據(jù)可知：當(dāng)槳葉角存在至少2°變化時(shí)，超聲波測(cè)距模塊測(cè)得距離值s會(huì)發(fā)生改變，因此可以判斷超聲波測(cè)距模塊可以感知槳葉角的變化。最后本研究又選擇了一架雙發(fā)可變距三葉螺旋槳飛機(jī)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。依據(jù)飛機(jī)維修手冊(cè)要求，將測(cè)距設(shè)備放置在距離葉尖后緣4英寸位置處進(jìn)行測(cè)量，如圖11所示，并記錄下測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示，Da、Db、Dc為測(cè)距儀測(cè)得的距離值(測(cè)距儀分別距離三片槳葉的距離)，其中Δd1=Da-Db、Δd2=Da-Dc、Δd3=Db-Dc。實(shí) 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 表 明：Δd1、Δd2、Δd3均小于維修手冊(cè)數(shù)據(jù)要求，說明槳葉角間隙和槳葉活動(dòng)間隙正常。

表5 槳距測(cè)試數(shù)據(jù)

圖11 螺旋槳軌跡測(cè)試

5 結(jié)束語

通過研究超聲波測(cè)距技術(shù)在螺旋槳軌跡測(cè)試中的應(yīng)用，本研究設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)的螺旋槳軌跡測(cè)試設(shè)備，并完成了與該設(shè)備相關(guān)的硬件及軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該測(cè)試設(shè)備工作穩(wěn)定、操作方便，可以應(yīng)用在螺旋槳軌跡測(cè)量工作中。與廠家提供的測(cè)量方法相比較，該設(shè)備對(duì)提高螺旋槳軌跡檢查工作效率及測(cè)量精度具有一定的推廣價(jià)值和實(shí)用意義。