1、 第 1 页 共 28 页火药燃速测定系统的设计摘 要在火药生产过程中，火药的燃烧速度是衡量火药质量指标的一个重要参数，在以往燃速是用机械秒表来测量的，由于人为因素的影响，测量精度较低，后来改用数字电路测量燃速，虽然使测量精度得到了提高，但对于监测点火线路的状态，点火，启动计数等全部过程都要手工操作，因而降低了工作效率。本系统是基于 AT89C51 单片机的 5 路火药速度测量系统，包括了电热丝检测电路、熔丝检测电路、自动和手动点火电路以及人机接口部分，能够根据需要切换自动点火和手动点火两种模式，并且可以将测量得到的速度值由数码管显示出来。关键词： AT89C51,火药燃速,74LS164第
2、2 页 共 28 页AbstractIn the process of powder production, the burning rate of gunpowder is an important parameter that measure the quality indicators. In the past, the burning rate is measured by a mechanical stopwatch, but the accuracy is low due to human factors. Then the burning rate is measured by
3、digital circuit. Though the measurement accuracy is improved, the whole process of ignition, start counting to monitoring the ignition circuit should be operated manually. So the efficiency is reduced. In our study, the system is based on AT89C51 microcontrollers 5 Road gunpowder speed measurement s
4、ystem which includes heating wire detection circuit, a fuse detection circuit, automatic and manual ignition circuit and the part of human-machine interface. It can switch to automatic or manual ignition modes according to the need, and the measured velocity can be displayed by the digital tube.Keyw
5、ords：AT89C51,Gunpowder burning rate,74LS164第 3 页 共 28 页1 概述1.1 系统背景火药的化学变化主要有热分解、燃烧、爆轰等形式。这些化学变化形式既有区别又有联系,每一种变化的初始阶段都要发生火药组分分子内化学键的一定程度的断裂。因此,也可以说火药组分分子内化学键的总体结构也就会在很大程度上决定了火药的热分解、燃烧、爆轰等方面的有关特性 1。近几十年来，火药燃烧研究工作非常活跃，课题广泛，资料丰富，火药的稳态燃烧研究包括各种燃烧理论的建立、燃速及燃速的压力指数、温度系数的影响与控制，火焰区的结构、反应热的释放和温度分布的测定等。在火药燃烧方面对
6、催化剂特别是平台催化剂的作用研究比较深入，对压力指数和温度控制也作了一定的探索性实验 2,4。虽然我国在火药燃烧方面开展了比较深入的研究，但与国外相比还有一定的距离。为了适应现代战争环境对发射药应具有的要求，同时缩短与国外技术的差距，深入开展火药燃烧性能研究具有重要的现实意义和战略意义 5。在火药生产过程中，火药的燃烧速度是衡量火药质量指标的一个重要参数，在以往燃速是用机械秒表来测量的，由于人为因素的影响，测量精度较低，后来改用数字电路测量燃速，虽然使测量精度得到了提高，但对于监测点火线路的状态，点火，启动计数等全部过程都要手工操作，因而降低了工作效率另外，在抗干扰方面仍然存在缺陷，在电力设备
7、频繁启停的工作现场，测量药柱的利用率仅有 35%左右，其余均因干扰而得不到测量数据，这既浪费了材料，又浪费了人力，若采用单片机作为主控芯片，由于单片机逻辑运算功能较强，能很方便地实现自动监测系统，自动控制整个测量过程，因此可以在很大程度上减除繁琐的人工操作，在抗干扰方面可以软硬件并用，大幅度提高滤波效果，进而提高设备的抗干扰能力6,10。第 4 页 共 28 页1.2 系统概述本系统是基于 AT89C51 单片机的 5 路火药速度测量系统，包括了人机接口部分，可以选择自动点火和手动点火两种模式，并且可以将测量得到的速度值由数码管显示出来。系统工作的整个过程如下：第一步：人工检测电热丝、熔丝的连
8、接状况是否良好并测量得到每一路的两根熔丝之间的实际距离；第二步：将需要测量的 5 路火药连接到测试系统，包括 5 根电热丝和 10 根熔丝；第三步：选择系统的工作模式，是自动模式还是手动模式；第四步：给系统上电开始电热丝和熔丝的检测；第五步：点火；第六步：由得到的时间和开始测量得到的距离算出速度值并由数码管显示；第七步：开始第 2 路到第 5 路的测量。2 系统总体设计2.1 系统功能介绍本系统是测量火药的燃烧速度，火药测速的示意图如图 2-1 所示，1 和 2 之间是电热丝，当有较大电流通过时可以点燃火药；3 和 4 之间，以及 5 和 6 之间是熔丝，安装时确定出这两根熔丝之间的距离，那么
9、火药从上往下燃烧时，我们只要测出从 3 和 4 之间的熔丝位置到 5 和 6 之间的熔丝位置火药燃烧的时间即可算出火药的燃烧速度。实际上，我们的测量过程也是当 3 和 4 之间的熔丝烧断时定时器开始计时，当 5 和 6 之间的熔丝烧断时定时器停止计时，这样我们就得到了相对精确的时间，从而可以算出火药的燃烧速度。当然，程序里面还会加一些抗干扰措施。另外，系统可以通过两种方式来控制电热丝将火药点燃，一种是手动方式，即通过手动按键的方式触发点火；另一种是自动方式，即单片机根据对检测信号的判断后自动发出点火信号触发点火。第 5 页 共 28 页图 2.1 火药测速的示意图2.2 系统总体框图系统设计的
10、总体框图如图 2.2 所示。A T 8 9 C 5 1熔丝检测电路电热丝丝检测电路点火电路键盘 （ 手动点火 ）显示电源 、 复位 、振荡电路图 2.2 系统设计的总体框图2.3 系统总体电路设计系统总体电路设计包括了以下几个部分：（1）电源滤波电路的设计（2）振荡复位电路的设计（3）数码管显示电路的设计（4）电热丝检测以及点火电路的设计（5）熔丝检测电路的设计第 6 页 共 28 页2.4 系统抗干扰措施在计算机控制系统中经常存在电和磁的干扰而使系统不能正常工作，该系统的工作环境恶劣，另外可能又有一些大容量的用电设备，这些大容量的用电设备势必对该系统产生各种电和磁的干扰在抗干扰设计时一般应遵
11、循以下几点原则 ：（1）抑制干扰源直接消除干扰产生的原因；（2）切断电磁干扰的传递途径；（3）提高传递途径对电磁干扰的衰减作用。通过上述的抗干扰设计，可以消除干扰源和受扰源系统之间的耦合，加强受扰系统抵抗电磁干扰的能力，降低其对干扰信号的敏感度，所以为了防止干扰对系统的不利影响，保证系统正常和可靠地运行，该系统在硬件设计和软件设计中采用了一些措施以减少干扰的影响 11。3 系统硬件设计3.1 元器件的选择3.1.1 单片机的选择控制芯片种类繁多，有 PIC 系列、Motorola 系列、Intel 系列 8051 类单片机等。各个系列的单片机各有所长，在处理速度、稳定性、IO 能力、功耗、功能
12、、配套硬件资源、价格等方面各有优劣。Atmel 公司生产的 51 系列芯片具有功能强大、价格低廉、体积小、开发工具易操作等特点，在市场中占有很大的份额，是一种比较通用而且经济实惠的产品。因而本控制系统中选用 40 管脚的 51 单片机AT89C51 作为主控芯片。AT89C51 是一种带 4KB 闪烁可编程可擦除只读存储器(Flash Programmable and Erasable Read Only Memory，FPEROM)的低电压、高性能 CMOS 型 8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS.51 指令集和输出管脚相
13、兼容。由于将多功能8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，能够进行 1 000 次写擦循环，数据保留时间为 10 年。它是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。因此，在智能化电子设计与制作过程中经常用到 AT 89C51芯片。其大部分总线在芯片内部，不易受干扰，具有较高可靠性，体积小功能强，市场上货源充足，容易产品化 11。其基本特征如下：第 7 页 共 28 页(1)与 MCS51 产品兼容，8 位 CPU；(2)片内时钟振荡器，最高时钟频率为 12MHz24MHz；(3)4KB 程序存储器 EEPROM，可进行 1000 次写擦除操作；(4)片内 12
14、8 字节的数据存储器 RAM；(5)可寻址外部程序存储器和数据存储器空间均为 64KB；(6)21 个特殊功能寄存器 SFR；(7)4 个 8 位并行 I，O 口，共 32 根加线，1 个双工串行口；(8)2 个 16 位定时器计数器，5 个中断源，能设置两个优先级：(9)具有位寻址功能，适用布尔运算。其双列直插式的引脚配置如图 3.1 所示。图3.1 双列直插式的引脚配置图第 8 页 共 28 页3.1.2 隔离芯片的选择由于光电耦合器是采用光来传输信号的 故这样就切除了测试电路和点火电路之间的电气联系 从而干扰从点火电路窜入测试电路 保证了系统的正常运行。该系统在控制回路和测试回路间严格采
15、用了光电耦合器进行隔离。TLP521是可控制的光电耦合器件，广泛用于各种电路之间的信号传输，从而使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰。其中TLP521.2内部结构如图3.2所示。图3.2 TLP521.2内部结构图3.1.3 74LS164介绍74LS164为8位移位寄存器（串行输入，并行输出）。当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QAQH）均为低电平。 串行数据输入端（A，B）可控制数据。当 A、B 任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下 Q0 为低电平。当A、B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在 CLOCK 上升沿作用
16、下决定Q0 的状态。第 9 页 共 28 页HQGFEQAQBCDQV C C C L E A R C L O C KA BG N DS E R I A L I N P U T S O U T P U T SO U T P U T S1 4 1 3 1 2 1 1 1 0 9 81 2 3 4 5 6 7图 3.3 74LS164 结构图3.1.4 74LS08介绍74LS08为四组 2 输入端与门（正逻辑）。目的是为了保证能够在适当的时候让数码管显示，这里加了74LS08与门来屏蔽或者选通74LS164的时钟信号，进而控制显示电路。74LS08的内部结构如图3.4所示。1 4 1 3 1 2
17、 1 1 1 0 9 812 3 45 67V C C B 4 A 4Y 4B 3 A 3 Y 3A 1B 1Y 1 A 2 B 2 Y 2 G N D第 10 页 共 28 页图 3.4 74LS08 的内部结构图（注：1A-4A 为输入端，1B-4B 为输入端，1Y-4Y 为输出端。）3.2 电源滤波电路设计由电源供电线路引入的和电源自身产生的干扰，是计算机控制系统的重要干扰源，故电源电路的抗干扰是否完善是整个系统抗干扰的关键，该系统对电源电路的抗干扰措施采用了低通滤波器以消除电源电网中的高次谐波对检测电路的干扰。电源电路原理图如图3.5 。图 3.5 电源滤波电路设计原理图（注： J1
18、是电源输入接口，为整个系统提供电源，C1,C2 为滤波电容，L1 为电源指示灯。 ）3.3 振荡复位电路单片机复位的原理是在时钟电路开始工作后，在单片机的 RST 引脚施加 24 个时钟振荡脉冲（即两个机器周期）以上的高电平，单片机便可以实现复位。在复位期间，单片机的 ALE 引脚和 PSEN 引脚均输出高电平。当 RST 引脚从高电平跳变为低电平后，单片机便从 0000H 单元开始执行程序。在实际应用中，采用外部复位电路来进行单片机复位，一般在 RST 引脚保持10ms 以上的高电平，保证单片机能够可靠地复位。单片机的复位电路可以有上电复位、手动上电复位、看门狗复位，以及一些复杂的复位电路。本系统选用手动上电复位电路，如图 3.6 所示。
