基于SCA100T的某型導彈水平調整裝置設計與實現*

郭 含 楊 雷 王 茜 邵曦浩

（1.空軍勤務學院 徐州 221000）（2.中國空空導彈研究院軍事代表室 洛陽 471000）（3.93088部隊 赤峰 024000）

1 引言

某型導彈進行技術維護時，為了確保其測試結果的準確可靠，需要使導彈軸線與大地水平面平行。現用的水平調整裝置主要由調整架和光學傾角儀組成。測量時，調整架固定在導彈的兩個吊掛上，然后將傾角儀置于調整架上，根據傾角儀的測量結果調整導彈位置。

由于采用機械結構，在調整調節過程中存在以下問題：第一，操作繁瑣，使用時至少需要兩人操作，一人觀察傾角儀的測量結果，另一人進行導彈位置的調整；第二，調整架和傾角儀分別放置于不同的箱內，而且調整架的體積較大，不符合小型化、便攜式的保障趨勢，不便轉移運輸；第三，由于傾角儀采用水泡式結構，不能有效判斷需要調整的幅度大小，導致調整時間較長，制約保障效率提升。因此，需要設計一種適用于該型導彈的便攜式水平調整裝置，解決上述出現的問題和不足，提高導彈的保障效率。

2 總體設計

對于該型導彈的水平調整裝置要滿足以下要求：1）具有較高的檢測精度（誤差不大于0.1°），保證測量結果的準確性；2）具有低電流、低功耗、防靜電和電磁干擾等特點，防止對導彈本身產生影響，或者外部干擾影響到儀器的測量結果；3）具有較強的環境適應能力（溫度、濕度等）；4）裝置體積較小、便于轉移運輸。

另外，從操作的簡便性來說，還應具有傾角顯示和到位報警提示功能，這樣，可以使操作人員及時了解需要調整的幅度大小，以減少調整的時間。根據測量需求，該型便攜式水平調整裝置總體設計如圖1所示。

圖1 某型導彈便攜式水平調整裝置總體設計

3 硬件設計

便攜式水平調整裝置硬件系統設計如圖2所示。傾角傳感器用于采集導彈在測試架（車）上的傾斜角度，通過信號調理電路對采集到的信號進行放大、濾波等處理，將處理的信號送入A/D轉換模塊進行信號轉換，轉換后的數字信號送入單片機［1～2］。單片機是整個測量系統的核心，用于對整個系統進行控制和數據的存儲與處理，單片機將處理后的傾角信息通過顯示器反饋給操作人員，指導人員進行導彈水平調整。當調整到一定的范圍內，報警提示電路工作，提示操作人員此時導彈的水平已經滿足要求。

圖2 水平調整裝置硬件系統設計

3.1 硬件選型

1）傾角傳感器選型

SCA100T-D01是一款基于3D-MEMS技術，測量范圍為±30°的高分辨率X、Y雙軸傾角傳感器芯片。主要有以下特點：（1）體積小、質量輕（＜1.2g），抗震性強，可承受20000g的機械沖擊，穩定性高；（2）采用+5V直流單電源供電，工作電流4mA；（3）內置信號調理電路，能對采集的信號進行處理，以線性模擬電壓輸出，模擬量（帶寬10Hz）輸出分辨率 0.0035°，輸出靈敏度為 4V/g；（4）工作溫度-40℃～125℃，內置溫度傳感器可自動實現溫度補償［3-5］。綜合分析，該型傾角傳感器符合測量需求。

其作用原理如圖3所示，當SCA100T-D01放置于光滑平面時，只受重力作用；當傳感器位于XOY斜面時，X、Y軸方向分別受到g·sinα和g·cosα的分量作用（其中g表示重力加速度，α表示水平傾角），然后分別將X、Y軸測得的力的作用轉化為電壓信號輸出［6］。

圖3 傾角傳感器作用原理

根據下列公式可將輸出的電信號轉化為X軸和Y軸方向的傾斜角度。

其中，V0是設備在0°時的電壓輸出值，Sensitivity是設備的靈敏度，SCA100T-D01的offset值為2.5V，靈敏度為4V/g。

2）其他器件選型

STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能COMS8位微控制器。內置8KB系統可編程Flash程序存儲器，512字節RAM，32個通用I/O接口，看門狗定時器，2個數據指針，3個16位定時器/計數器和1個6向量中斷結構。采用ADC0809逐次逼近式A/D轉換器，其價格較為便宜，操作安裝簡單，功率消耗較低，由單個+5V電源供電。LCD1602液晶顯示器，是一種低壓、微功耗的元件，可顯示2行，每行16個字符，采用數字式接口，方便與單片機進行連接，常用于便攜式測量儀器。通過分析，可利用該顯示器顯示X和Y軸傾角［7～8］。

3.2 內部電路設計

STC89C52單片機時鐘信號可由內部方式產生，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時元件，內部振蕩器就產生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯諧振回路。晶振頻率選擇12MHz，外加電容可以對頻率起微調作用。復位電路可在上電或芯片工作的任何時候對單片機進行復位，引腳上出現2個機器周期的高電平即可使單片機復位，設計中采用手動按鍵復位方式。報警提示電路中由PNP三極管驅動蜂鳴器來實現，基極接單片機，當X、Y軸傾角＜0.1°時，端口變成低電平，驅動三極管導通，VCC電壓加載到蜂鳴器使其發聲。

電源可用LM7805穩壓器來產生穩定的5V電壓，該電路中（如圖4所示），由電池產生6V電壓，經LM7805穩壓器而產生穩定的+5V電壓，其中C5是極性電容，起到穩壓的作用，C4是非極性電容，濾除輸出電壓中不是直流的成分。經探針測試，可穩定輸出+5V直流電壓。

圖4 電源電路設計

綜合上述分析，并結合設計的實際情況，將各硬件通過電路連接，得到該測量裝置的整體電路設計。

4 軟件設計

4.1 主程序設計

系統主程序如圖5所示，程序運行時，首先對單片機、LCD液晶顯示器和傾角傳感器初始化［10-11］。測量開始后，傳感器將實時采集的角度信息經轉換后傳入單片機，單片機根據運算程序得到當前傾角值，通過調用顯示子程序將測量值顯示在LCD液晶顯示器，操作人員根據顯示的角度信息進行導彈位置調整。當精度不滿足要求時，重復上述信號采集、處理、顯示的過程，直到精度滿足＜0.1°的要求時蜂鳴器報警，導彈位置調整完畢。

4.2 顯示程序設計

1602液晶顯示器內部CG ROM已存儲160個不同的點陣字符圖形，每一個字符都有一個對應的固定的代碼［12］。如圖6，程序運行時，首先將LCD顯示器初始化，程序查詢LCD的工作狀態，當LCD處于空閑狀態時，單片機與LCD建立相應的通訊控制關系，然后單片機將處理后的信息寫入LCD中，LCD對數據進行顯示。

圖5 系統主程序

圖6 顯示模塊子程序

4.3 報警程序設計

報警提示程序就是將實際測量的角度值與導彈要求的角度值（＜0.1°）作比較。如果實際測量角度較大，則繼續進行測量，蜂鳴器不工作；當測量的角度值小于0.1°時，滿足導彈要求，此時，報警電路工作［13］。具體子程序如下：

if（Angle_Value_Result＜0.1）

｛

BEEP_Cnt=5；

｝

5 結構設計

裝置外觀結構如圖7，上部是裝置本體外加一高精度水平泡，用于調整，防止測量誤差過大。下部為金屬底座，通過鎖緊螺釘使裝置的定位面和導彈吊掛的下表面貼緊，保證裝置時刻與導彈處于同一角度。上、下部通過轉接臺連接，轉接臺可以根據人員操作位置進行旋轉，使顯示屏面向操作人員，方便操作。裝置外殼可采用鋅合金鑄造，以提高裝置的抗沖擊性和耐磨性，同時，金屬外殼也可起到一定的防靜電和屏蔽外部電磁干擾的作用。另外，整個裝置功耗低、電流很小，產生的電磁輻射很小，滿足導彈測試要求。

圖7 裝置外觀結構示意圖

6 實驗驗證

利用初步設計的裝置對該型導彈水平進行了6次水平調整實驗，并記錄每次調整所需時間，每次調整后用原調整裝置檢驗。如果原裝置測量合格，則說明便攜式裝置適用于該導彈的測量，精度也滿足要求。為判斷工作效率，另外使用原裝置對導彈水平進行6次調整，同樣測量出每次所需的時間，得到測試結果對比如圖8所示。

圖8 利用兩種裝置調節水平耗時對比

經對比分析，6次實驗便攜式裝置的測量精度都滿足要求，可以用于該型導彈水平調整工作。從測量時間上看，便攜式裝置比原裝置提高了約50%，主要因為便攜式裝置安裝快速、讀數方便、操作簡單和有到位提示功能。綜上分析，設計的便攜式水平調整裝置能初步滿足該型導彈的水平調整需求，并且在保障效率上有較大提高。

7 結語

當前，戰爭模式的深入變革對武器裝備保障效率提出了更高的要求，促使保障裝備向通用化、便攜化、信息化加速發展，以適應未來戰爭需要。以單片機和雙軸高精度傾角傳感器為核心的便攜式水平調整裝置具有結構簡單、方便使用等優點，并通過實驗初步驗證，可滿足某型導彈水平調整的需求，在調整時間上比原裝置大幅減少，對該型導彈保障效率的提高有一定意義。