基于AT89C52和FB900C角位变送器设计风洞风速及模型姿态控制系统

作者：黄福幸，宋辉，李长仁

1、 引言

风洞是能人工产生和控制气流，用以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物体现象的一种管道试验设备。风洞在空气动力学研究和飞行器设计中起着十分重要的作用，它的发展与航空航天技术的发展密切相关。

目前的风洞大多以计算机为核心配以其它硬件资源完成风洞的风速及模型姿态控制。本文重点介绍以自整角机及其变送器代替传统的光电编码器作为角度传感器完成模型姿态控制的原理及方法。

2、 硬件总体结构

系统用单片机作控制器，采用定位精确的步进电机作为模型姿态执行元件，高精度的角位移传感器做测量元件，实现对模型的精确控制。系统由微控制器、键盘、显示、攻角及侧滑角采集、姿态控制、风速采集、试验计时等模块组成，总体方案如图1所示。

2.1模型姿态测量与控制单元硬件组成

模型姿态即攻角α和侧滑角β的测量控制如图2所示。所选用FB900C系列角位传感器及变送器其本身为一单片机系统，与系统单片机采用串行通讯。工作过程为通过键盘设置α和β角度，通过角位传感器和变送器测量系统当前角度，计算出要转过的角度，控制两个步进电机转动并送显示。

系统采用Atmel公司的AT89C52单片机，该芯片为51系列增强型，内部有8K Flash Rom，三个16位定时计数器和256字节RAM。

单片机与步进电机接口使用P1.0“P1.3四条口线控制两台步进电机，P1.0和P1.2用来输出方波信号，P1.1和P1.3用来输出方向信号。

FB900C系列角位变送器采用自整角机或旋转变压器作检测元件，运用最新检测技术，将旋转物体转过的角度经微处理器进行处理后换算成角位移或直线位移，然后以4”20mA的模拟量或串行口输出。该变送器用自整角机或旋转变压器组合相当于8“16位的绝对编码器测量精度，其性价比远高于编码器测量方式，是工业现场最为理想的角位测量模块。

2.2 模型姿态测量与控制程序设计

2.2.1 角度测量程序设计

α、β两个角度的测量是风洞数据采集和控制系统的重点，测量角度的精度直接影响到系统的控制精度。因此，测量中的各子程序的要求比较高，又由于角位移传感器的输出为ASCⅡ码，且数据最大为79 9999所以，程序中采用了浮点数运算子程序、整数与浮点数之间相互转换子程序，角度测量程序流程如图3所示。

程序首先从累加器中取得要测量的方向，并把该方向存放在R2中，若R2的值错误，程序直接返回不进行任何操作。通过串口取得相应方向角位置数据后，调用进制转换程序将数据转换为浮点数，此时对R2中的方向值进行判断，获得该方向上的传动比，计算结果转换为十进制后也通过判断R2中的方向值获得数据存放的单元地址。

程序入口：传感器编号存于A中。

程序出口：α角度存于51H、β角度存于53H。

部分程序如下：

MS： CLR EA ;关中断

MOV R2，A ;暂存传感器编号

MOV SCON，#50H ;设置串口方式

MOV RCAP2H，#0FFH ;自动装载值

MOV RCAP2L，#0D9H ;

MOV TH2，#0FFH

MOV TL2，#0D9H

MOV T2CON，#34H ;启动波特率发生器

…… …… ;发送采集命令、进制转换

LCALL FCIV ;调浮点数运算

…… …… ;进制转换、存数据

SETB EZ ;开中断

RET

2.2.2 角度控制程序设计

风洞中模型姿态的控制分两部分，一个是当前姿态的测量，一个是计算步进电机需转过的角度，角度的控制是在精确地测量当前姿态的基础上完成的，程序框图如图4所示。

和角度测量相似，模型姿态需要改变的角度放在累加器中，需要改变的方向放在22H单元中，符号放在23H单元中，通过计算得到驱动模型转动给定角度所需要的脉冲数，以及该方向电机的控制端口。

部分程序如下：

DJRUN： JZ AOVER

MOV R2，A ; 待转角度存于A中

MOV A，22H ; 模型变化方向

CJNE A，#0Ah，NOAJI

LJMP ADJI ;攻角方向（α角）

NOAJI： CJNE A，#0BH，ERROR5

LJMP BDJI ;侧滑角方向（β角）

ADJI： MOV A，23H

CJNE A，#0Ah，ADJINOZH

LJMP ADJIZH ;α方向 正转

ADJINOZH ：CJNE A，#0BH，ERROR5

LJMP ADJIFU

ADJIZH： SETB AAJFX ;α方向 正转

LJMP AMC_DU

ADJIFU： CLR AAJFX ;α方向 反转

LJMP AMC_DU

AMC_DU： MOV R4，#0AH ;

AMC60： MOV R3，#3CH ;传动比

AMC10： SETB AAJMC

…… …… ; 单个脉冲产生器

RET

（β方向运行程序和α方向相似）

3、 结论

本文作者创新点为：使用自整角机及其变送器代替传统的光电编码器，大大降低了硬件费用。此系统成功应于某大学低速风洞控制系统中，风洞试验中模型的攻角α的变化范围为-10度～+25度；侧滑角β可在-180度～+180度范围内任选角度；控制精度和测量精度均为0.5度。

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