基于藍(lán)牙的人影火箭發(fā)射控制器的仿真設(shè)計

晁增元

（石家莊市人工影響天氣中心，石家莊 050081）

1 引言

火箭作業(yè)系統(tǒng)是目前人工影響天氣（以下簡稱“人影”）工作中使用的重要作業(yè)裝備之一，而且其發(fā)展呈逐年上升的趨勢，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。火箭作業(yè)系統(tǒng)主要包括火箭彈、火箭發(fā)射架、發(fā)射控制器和其他附件。其中發(fā)射控制器是提供火箭彈發(fā)射指令和火箭彈點火能量的設(shè)備，具有識別火箭彈發(fā)射通道線路通斷狀況和檢測線路電阻的功能，并為火箭彈安全可靠的發(fā)射提供點火沖能。

目前，在用的各種型號的發(fā)射控制器均存在智能化水平不高、功能單一不易升級、體積笨重不宜攜帶等問題。本文設(shè)計的以單片機(jī)為核心的發(fā)射控制器，在具備通道阻抗檢測、點火儲能等基本功能的基礎(chǔ)上，增加了電壓實時監(jiān)測、通道自動選擇等多項智能化定制功能，同時依托智能手機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和低功耗藍(lán)牙通信技術(shù)，以更便捷的方式實現(xiàn)了對發(fā)射控制器的遙控操作。

2 電路總體設(shè)計

基于藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)射控制器主要由單片機(jī)、藍(lán)牙模塊、檢測電路、發(fā)射電路、通道選擇電路和電源構(gòu)成。電路組成框圖如圖1所示。

圖1 火箭發(fā)射控制器組成框圖

終端用戶的智能手機(jī)與火箭發(fā)射控制器之間通過藍(lán)牙建立無線連接，并在作業(yè)安全距離（＞30m）下通過APP 遠(yuǎn)距離控制火箭發(fā)射控制器。在“檢測模式”下，檢測電路和通道選擇電路在單片機(jī)的控制下對火箭彈發(fā)射通道逐個進(jìn)行阻值檢測，并將檢測數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊實時傳送至用戶的智能手機(jī)；在“發(fā)射模式”下，發(fā)射電路開始儲存點火能量，當(dāng)儲能達(dá)到要求時停止工作。通道選擇電路根據(jù)用戶的選擇接通相應(yīng)的發(fā)射通道，從而激發(fā)火箭彈點火發(fā)射。

2.1 檢測電路設(shè)計

檢測電路的主要功能是產(chǎn)生恒定的微電流，用以檢測火箭彈發(fā)射通道的電阻值是否滿足發(fā)射要求，并將各個發(fā)射通道的檢測電壓值經(jīng)過放大處理后發(fā)送到單片機(jī)進(jìn)行采樣計算處理。檢測電路原理圖如圖2所示。

圖2 檢測電路原理圖

運(yùn)算放大器LM324的U1A、U2B 和外圍元件組成的1mA 的恒流源電路。其中U1A 構(gòu)成差動電壓放大器，U2B 構(gòu)成電壓跟隨器，檢測電流通過圖中的TV 端輸送至通道選擇電路。基于安全考慮，當(dāng)檢測電壓大于0.7V 時，三極管Q1導(dǎo)通，從而防止火箭彈意外點火。

發(fā)射通道阻抗要求≤5Ω，檢測電流為1mA 時檢測電壓值≤5mV。運(yùn)算放大器U3C、U4D 和外圍元件組成的信號調(diào)理電路，完成對檢測電壓的放大（200倍）處理。其中U3C 放大100倍，U4D 在放大2倍的同時在其同相端輸入由TL431產(chǎn)生的2.5V 基準(zhǔn)電壓，從而構(gòu)成加法電路，以保證單片機(jī)對檢測電壓值的精準(zhǔn)采樣。

繼電器K0的常閉觸點接地時，對放大電路輸出的失調(diào)電壓進(jìn)行采集和計算；K0的常開觸點接通發(fā)射通道時開始采集檢測電壓，最終由單片機(jī)程序完成對放大電路的實時“調(diào)零”處理，從而保證了對發(fā)射通道阻抗檢測的準(zhǔn)確度。

2.2 發(fā)射電路設(shè)計

發(fā)射電路的主要功能是為火箭彈安全可靠的發(fā)射提供能量。電路采用推挽式DC/DC 變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠的特點。發(fā)射電路原理圖如圖3所示。

圖3 發(fā)射電路原理圖

發(fā)射電路以SG3525集成PWM 控制芯片為核心。變壓器T1初級中心抽頭連接電源，SG3525 的11 和14 引腳輸出31kHz 驅(qū)動脈沖控制Q2和Q3的交替開通，在變壓器T 的次級輸出的高頻脈沖電壓經(jīng)過整流后為儲能電容充電。取樣電阻R29和R30對儲能電容的電壓UCL 分壓后，送至單片機(jī)的模擬比較器端口AIN0與AIN1進(jìn)行比較。當(dāng)UCL≥85V 時，單片機(jī)輸出高電平至SG3525的第10引腳關(guān)閉驅(qū)動脈沖，防止UCL 持續(xù)升高擊穿儲能電容。當(dāng)通道選擇電路接通相應(yīng)的發(fā)射通道時，UCL 迅速釋放，從而激發(fā)火箭彈點火發(fā)射。

2.3 單片機(jī)與藍(lán)牙模塊電路設(shè)計

以Atmega16單片機(jī)和HC-08藍(lán)牙模塊構(gòu)成控制和通信電路，是發(fā)射控制器的核心電路。其主要功能是通過接收和解析用戶的指令，從而完成對其他各個功能電路的控制管理，并將相關(guān)信息實時發(fā)送至智能手機(jī)。單片機(jī)控制電路如圖4所示。

HC-08是基于低功率藍(lán)牙系統(tǒng)單晶片CC2540的藍(lán)牙串口通信模塊。單片機(jī)與HC-08通過串口電路完成數(shù)據(jù)的傳輸，智能手機(jī)通過BLE 藍(lán)牙實現(xiàn)與HC-08之間的通信連接。

穩(wěn)壓二極管D1和分壓電阻R2、R3組成電池電壓檢測電路。檢測時，單片機(jī)的PB0引腳輸出高電平，經(jīng)電阻R2、R3分壓后的電壓輸入PA0引腳，最終由單片機(jī)完成對輸入電壓的采樣和計算處理，并將電壓值通過藍(lán)牙模塊發(fā)送到智能手機(jī)端。

圖4 單片機(jī)控制電路原理圖

2.4 通道選擇和電源電路設(shè)計

通道選擇電路由達(dá)林頓管陣列ULN2003A 和繼電器組成，其主要功能是在單片機(jī)的控制下，實現(xiàn)發(fā)射電路或檢測電路與發(fā)射通道之間的電氣連接。以2個發(fā)射通道為例，電路原理圖如圖5所示。

圖5 通道選擇電路原理圖

ULN2003A 用以驅(qū)動連接各個發(fā)射通道的繼電器。繼電器K1的常閉觸點連接檢測電路輸出端口TV；常開觸點連接發(fā)射電路的輸出端口FV。繼電器K2、K3的公共腳連接負(fù)載RL1（火箭彈1）和RL1（火箭彈2）；常閉觸點接地，防止在非工作狀態(tài)下火箭彈意外點火。

3 軟件設(shè)計

單片機(jī)的軟件采用C 語言設(shè)計，并遵循模塊化設(shè)計思路。根據(jù)功能劃分為：系統(tǒng)初始化、串口通信、采樣處理和電壓監(jiān)測等多個模塊。軟件流程圖如圖6所示。

串口通信模塊的功能包括：配置藍(lán)牙模塊的基本參數(shù)、接收和解析用戶指令、發(fā)送數(shù)據(jù)等。

采樣處理模塊主要是對發(fā)射通道的阻抗測量電壓值進(jìn)行采樣和數(shù)字濾波處理，并根據(jù)檢測電路的放大倍數(shù)和失調(diào)電壓的比例關(guān)系換算出發(fā)射通道的阻抗值。

4 仿真測試

圖6 單片機(jī)軟件流程圖

利用Saber 和Proteus 分別對發(fā)射電路、檢測電路、單片機(jī)控制電路和通道選擇電路進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明電路設(shè)計符合技術(shù)指標(biāo)要求。發(fā)射電路仿真波形如圖7所示。

圖7 發(fā)射電路仿真波形

藍(lán)牙模塊HC-08與智能手機(jī)之間的通信進(jìn)行了實際測試，在空曠無遮擋的環(huán)境下可實現(xiàn)在安全距離（＞30m）內(nèi)的無線通信，完全滿足操作發(fā)射控制器的的要求。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種基于藍(lán)牙通信的無線火箭發(fā)射控制器的設(shè)計方法。該發(fā)射控制器是以Atmega16單片機(jī)為核心，結(jié)合HC-08藍(lán)牙模塊和其它功能電路模塊組成的一套智能控制系統(tǒng)，具有成本低廉、集成度高、智能化、易升級的特點，適用于多種型號的火箭彈。通過仿真分析，電路設(shè)計方案有效可行，能夠滿足工程應(yīng)用的技術(shù)要求。