超聲波測距在螺旋槳軌跡測試中的應用研究

李寶國，左正軍，李忠良

（1.中國民用航空飛行學院廣漢分院，四川 廣漢 618307；2.成都工貿職業技術學院，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；另一類是固定翼飛機。固定翼飛機可分為噴氣式飛機與螺旋槳式飛機，也可以分為定距螺旋槳飛機與可變距螺旋槳飛機。對可變距螺旋槳固定翼飛機而言，每當飛機進行過螺旋槳拆裝工作后，按照飛機維修手冊要求，必須對其螺旋槳軌跡(即槳葉角間隙及槳葉活動間隙)進行檢查。當前飛機制造廠家給出的檢查方法是通過一根鋼板尺進行測量，如圖1所示，但精度不易控制。為了解決該問題，本研究設計了一種以STC89C52單片機為控制核心，采用超聲波傳感器對螺旋槳軌跡進行測量的設備，并通過LCD1602液晶顯示器將測試數據進行實時顯示。維修人員通過對比三次測得的數據的差值來判斷發動機螺旋槳軌跡是否達標。測試結果表明該設計可以提高測試精度與工作效率。

圖1 螺旋槳軌跡測試

1 系統總體設計

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、聲波效能較為集中，可以用來危險環境測距、倒車雷達、殺毒、清洗等，因此廣泛應用在農業、醫學、工學中[1-4]。本研究以STC89C52單片機為控制單元，通過超聲波模塊對螺旋槳軌跡進行測量，并將測量結果實時顯示在LCD1602液晶顯示器中。電位計模塊用來調節LCD液晶顯示器對比度，電池通過電源模塊降壓穩壓處理后為單片機、超聲波測距模塊、顯示模塊提供穩定工作電壓，最后通過對比測量值的差值Δd來判斷螺旋槳軌跡是否滿足飛機維修手冊要求。系統總體結構框圖如圖2所示。

圖2 系統總體結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 單片機最小系統

單片機最小系統由STC89C52單片機、晶振電路、復位電路，電源電路組成。STC89C52單片機較STM32單片機功耗更低、價格更加低廉[5-6]。STC89C52單片機負責接收超聲波測距模塊的回波信號，通過接收到的回波信號時間來完成距離計算，并控制LCD1602顯示器實時將距離值進行顯示。由于該單片機工作電壓為4.5-5.5 V，因此本次設計采用移動電源為該系統供電。晶振電路為單片機提供時鐘脈沖信號，確保單片機可以正常工作，本次設計使用的是12 MHz晶振，故其機器周期為1 μs。當測試設備出現異常情況時，可通過長按復位按鈕接通復位電路，強制單片機從頭開始執行程序，解決測試過程中的異常問題[7-8]。單片機最小系統如圖3所示。

圖3 單片機最小系統

2.2 超聲波測距原理

超聲波測距是利用了超聲阻礙的特點[9]來進行距離的測量的。具體原理為：當超聲波發射器發出聲波信號后，聲波會在空氣中傳播，當聲波遇到障礙物時會被障礙物反射回來，返回的聲波被超聲波接收器接收。經分析可知：只要記錄下從超聲波發射至接收到返回聲波的時間差Δt，知道聲波在空氣中的傳播速度v，就可以計算出超聲波發射器距離障礙物的距離

2.3 超聲波測距模塊

通過對比紅外測距、激光測距、毫米波測距得知超聲波在短距離測距方面，成本低廉、適應能力更強[10]。設計采用的超聲波測距模塊型號為US-015，該模塊分辨率可達0.5 mm，測距精度高，重復測量一致性好，測距穩定可靠，可實現2 cm—4 m非接觸測距功能，電氣參數見表1[11-12]。

表1 US-015超聲波測距模塊電氣參數

該模塊可由單片機GPIO端口直接驅動進行測距，與單片機硬件連接如圖4所示。從圖4可以看出超聲波測距模塊共有4根管腳，這里對部分管腳做如下說明：Trig管腳連接至單片機的P1.6口，當P1.6口輸出一個10 μs以上的高電平時，可觸發超聲波模塊測距。Echo管腳連接至單片機P1.7口，當超聲波測距模塊測距結束時，Echo管腳會向單片機P1.7口輸入一個高電平，電平的寬度為超聲波往返時間之和[11]。

圖4 硬件接線圖

2.4 顯示模塊

顯示模塊主要是向設備使用者實時顯示超聲波傳感器距槳葉背面的距離值，理論分析可知當槳葉角改變時，此距離值也會隨之改變。設計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、數字、符號的點陣型液晶模塊，它由若干個5×7或者5×10點陣字符位組成，可直接顯示ASCII碼對應字符，可以滿足本次設計對字符顯示的要求，并且價格低廉，使用方便，模塊主要電氣參數見表2[13]。該模塊同樣可由單片機直接驅動進行字符顯示，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

表3 引腳功能

這里對部分引腳做下說明：

3號引腳：用來調節模塊背光的對比度，過高過暗都會影響顯示效果，本次設計中使用電位計模塊來調整偏壓信號。

4號引腳：當該引腳為高電平時，引腳DB0～DB7傳輸的數據是要顯示的內容。當該引腳為低電平時，引腳DB0～DB7傳輸的是命令，主要用來初始化液晶模塊。

5號引腳：控制數據傳輸方向，由于本次設計是命令模塊顯示數據，因此需要將該引腳保持低電平。

3 系統軟件設計

系統軟件代碼是在Keil開發環境中由C語言完成編寫的，程序由三部分組成：主程序、超聲波模塊測距程序、LCD1602模塊顯示程序。

3.1 主程序設計

主程序主要負責初始化定時器T0/T1的工作方式，并裝載計數器初始值，開啟定時器及定時器中斷和總中斷，測量超聲波模塊Echo回響端高電平信號時長，完成距離的計算，主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.2 測距程序設計

超聲波測距模塊由控制電路、超聲波發射電路、接收電路組成。超聲波測距模塊時序圖如圖7所示，給該模塊的Trig引腳輸入一個大于10 μs的高電平信號，發射電路會發送8個40 Hz方波信號，方波信號會被前方障礙物反射回來，當接收電路檢測到信號返回時，Echo引腳輸出高電平信號，且該高電平信號脈沖寬度t與所測距離s成正比，通過計算Echo高電平信號脈沖寬度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]。測距程序流程圖如圖8所示。

圖7 超聲波測距模塊時序圖

圖8 測距程序流程圖

3.3 液晶顯示程序設計

液晶顯示程序主要為測試設備使用人員提供實時距離顯示，方便飛機維修人員記錄數據，LCD1602顯示模塊操作步驟由三部分組成：初始化、寫命令(設置顯示坐標)、寫數據。此部分程序首先根據模塊時序圖封裝了兩個常用函數即寫命令與寫數據函數，這兩個函數僅RS引腳電平不同。當需要寫命令時，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正跳變，寫指令完成；當需要寫數據時，首先將RS引腳拉高，RW引腳拉低，然后將數據送給DB0～DB7端口，同樣給使能引腳一個正跳變，寫數據完成。液晶顯示模塊初始化工作主要由這兩個函數實現，初始化流程如圖9所示。

圖9 顯示模塊初始化流程圖

4 性能測試與分析

理論分析可知：當槳葉角發生改變時，超聲波測距模塊返回的距離值應會隨之發生改變。受實驗條件限制，本研究使用一塊與槳葉寬度相似的擋板來進行測試，具體測試方法為：改變擋板正對超聲波測距模塊的角度(模擬槳葉角改變)，示意圖如圖10所示(俯視圖)，記錄距離值s，看其是否會隨著角度θ變化而變化，測試結果見表4。

圖10 測試示意圖(俯視圖)

表4 測試結果

由表4數據可知：當槳葉角存在至少2°變化時，超聲波測距模塊測得距離值s會發生改變，因此可以判斷超聲波測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可變距三葉螺旋槳飛機進行測試實驗。依據飛機維修手冊要求，將測距設備放置在距離葉尖后緣4英寸位置處進行測量，如圖11所示，并記錄下測試數據如表5所示，Da、Db、Dc為測距儀測得的距離值(測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 驗 數 據 表 明：Δd1、Δd2、Δd3均小于維修手冊數據要求，說明槳葉角間隙和槳葉活動間隙正常。

表5 槳距測試數據

圖11 螺旋槳軌跡測試

5 結束語

通過研究超聲波測距技術在螺旋槳軌跡測試中的應用，本研究設計了一種基于STC89C52單片機的螺旋槳軌跡測試設備，并完成了與該設備相關的硬件及軟件設計。實驗數據表明，該測試設備工作穩定、操作方便，可以應用在螺旋槳軌跡測量工作中。與廠家提供的測量方法相比較，該設備對提高螺旋槳軌跡檢查工作效率及測量精度具有一定的推廣價值和實用意義。