一种基于人影高炮作业参数的数字化采集装置及其检测方法

摘要

一种基于人影高炮作业参数的数字化采集装置及其检测方法，涉及人工影响天气炮射作业监测及传感与自动控制技术领域。其装置中的方位检测电路由一个同轴双联互补多圈电位器及相应信号调理电路构成，同轴双联电位器由两个独立电位器构成，其数量检测电路主要由接近开关与4N25光耦合器、中央微处理器构成；中央微处理器通过数据总线/地址总线/控制总线与上述各电路连接。同轴双联电位器是以同轴互补多圈电位器的形式安装在人影高炮方位角控制器的旋转处，接近开关安装在高炮的退弹口处，能完成高炮作业的方位和俯仰角自动检测；实现炮弹发射时间和数量的自动检测，基于TCP/IP的GPRS数据传输。

说明书

技术领域

本发明涉及人工影响天气炮射作业监测及传感与自动控制技术领域，尤其是一种基于人影高炮作业参数的数字化采集装置及其检测方法。 

背景技术

根据人们的意愿，通过人工干预，使某些局地天气现象朝有利于人们预定目的方向转化，以克服或减轻恶劣天气引发的灾害，这种改造自然的科学技术措施称人工影响天气，简称人影。 

随着社会发展和科学技术的进步，人工影响天气中的高炮打雨和打冰雹(以下简称人影作业)的科学有效性越来越受到人们的关注，人影作业信息收集及管理是人工影响天气业务工作的一项日常工作，快捷方便的作业信息收集可大大提高工作效率，让管理部门及时获取作业一线的实时信息，为作业指挥和作业效益评估提供基础数据，解决多年来指挥、作业、评估相互脱节的技术难题。 

目前，人影高炮作业的起止时间、炮弹发射数量及方位角和仰角都是依靠人工的方法获取并通过电话或电台将相关信息上报到人影指挥部门和管理部门，因此，存在作业数据采集困难、设备运行状况无法实时监控等实际情况，耗费大量的人力、物力，由于中间环节太多，人工引起误差和不准确的情况时有发生，急需建立一套基于现代化炮射作业检测系统。发明人曾在2008年针对目前炮射作业系统智能化低、安全性差的问题，提出一种以Cygnal C8051F340单片机、HBR110语音识别芯片为核心，由SANG1000倾角传感器，CANG10电子罗盘以及其他外围电路组成的炮射作业检测系统并发表了一篇相关的文章“气象炮射检测系统设计”(作者：李东、郭维波、樊昌元、黄华)。但是，“气象炮射检测系统设计”中存在很多关键技术缺陷问题： 

1、方位角测量问题：采用电子罗盘测量即方位角传感器CANG10，利用地磁场来实现定向功能的，在实验室能得到高精度方位角测量，由于高炮属于金属，对测量周围的电磁场影响很大，安装到高炮后的电子罗盘测量精度大大下降，有 时误差达到几十度，其精度远远达不到测量要求，且该传感器价格昂贵例如CANG10传感器4800元/只； 

2、炮弹数量的检测问题：通过语音识别的方法获得炮弹数量，炮击声音识别模块采用的是HBR110或RSC-300语音识别芯片，在实验室的识别率都不高不高，且受环境影响很大，该方法不适用于产品； 

3、俯仰角测量问题：采用倾角传感器SANG1000测量，该传感器价格昂贵例如SANG1000传感器4800元/只。 

由于目前尚无人影高炮作业参数数字化采集装置，而“气象炮射检测系统设计”方法具有成本高、精度低等缺点而远远达不到人影高炮作业参数数字化采集装置设计要求。发明人通过潜心研究炮射作业起止时间、炮弹发射数量及方位角和仰角等信息自动采集技术，提出了基于人影高炮作业参数的数字化采集装置及其检测方法，以期通过引入本装置、方法，实时监测作业起止时间、炮弹发射数量及方位和仰角，为作业管理提供科学数据，既能达到科学化、规范化管理的目的，也能为安全生产提供有力的保障。 

发明内容

本发明的目的有二，第一、提出并设计一种人影高炮作业参数数字化采集装置；第二、提出一种基于人影高炮的双联同轴互补多圈电位器方位角测量方法。 

为实现上述目的，本发明提供的技术解决方案是，提供一种基于人影高炮作业参数的数字化采集装置，包括中央微处理器U1、方位检测电路U6、俯仰检测电路、数量检测电路U7、GSM模块电路、时钟电路、电源控制电路、铁电存储电路；特别地，所述的方位检测电路由一个同轴双联互补多圈电位器及相应信号调理电路构成，同轴双联电位器由两个独立电位器构成，每一个电位器通过各自的信号调理电路将电阻转变为电信号，电信号经微处理器自带A/D转换后得到相应数字信号；所述数量检测电路主要由IDB40NA接近开关J1与4N25光耦合器U5、中央微处理器U1构成；所述中央微处理器U1通过数据总线/地址总线/控制总线与上述各电路连接。 

所述相应信号调理电路是指第一单路信号调理电路与第二单路信号调理电路并且相同，主要包括同轴双联电位器RPD1、中央微处理器U1，TLC2652高精度运算放大器U2、TL431电压基准源U3、AD8221仪用放大器U4、开关K1、K2； 其开关K1、K2受微处理器U1控制。 

进一步地，提供基于人影高炮作业参数的数字化采集装置的检测方法，尤其是安装方面，所述同轴双联电位器RPD1是以同轴互补多圈电位器的形式安装在人影高炮方位角控制器的旋转处U8。所述IDB40NA接近开关J1是安装在高炮的退弹口处U9，每退出一个弹壳经过IDB40NA接近开关J1时，IDB40NA接近开关J1就输出一个高低电平变化，从而检测出炮弹数量。 

进一步地，提供基于人影高炮作业参数的数字化采集装置的检测方法，尤其是基于人影高炮的双联同轴互补多圈电位器方位角测量方法，包括如下步骤： 

(1)采用基于双联同轴互补多圈电位器方位角测量法，对装置中双联电位器的每一个电位器进行电阻测量，由于双联是互补的可以实现高炮的全方位角测量； 

(2)给双联电位器两端加一合适的电源，电位器中心抽头的电压随电位器旋转而变化，实现了电压测量到角度测量的转换； 

(3)测量中心抽头的电压即可以测量出电位器电阻，从而得到方位角任意角度的测量数据，即人影高炮机械旋转角度的测量数据； 

(4)在中央微处理器LPC2387的指令下，将方位角测量数据存入存储器。 

本发明的主要技术指标见表一： 

表一主要技术指标 

  主要指标   数值范围   方位角精度   ＜1°   俯仰角精度   ＜1°   起止时间   ＜2S   炮弹数量检测   ＞99％   工作电压   12V DC(内部锂电池供电)   工作电流   ＜200MA(平均电流)   工作温度   -20℃+70℃   工作湿度   ＜95％，无凝露   储藏温度   -40℃+85℃   通信频率   900/1800Mhz

[0021] 

  信息交互时间   ＜20S(平均时间)   待机时间   ＞60小时(内部锂电池供电)

与现有技术比较，本发明具有的优点与显著效果如下： 

1、将装置安装在人影高炮上，能完成高炮作业的方位和俯仰角自动检测；实现炮弹发射时间和数量的自动检测，相关数据存储；基于TCP/IP的GPRS数据传输，其系统前端安装在人影高炮作业现场。 

2、能将相关数据实时传输到人影管理部门，让管理部门及时获取作业一线的实时信息，为作业指挥和作业效益评估提供基础数据，解决多年来指挥、作业、评估相互脱节的技术难题，避免因中间环节多，人工引起误差和不准确的情况发生，为气象人影高炮作业科学化、规范化管理提供有力保障。 

3、提出并采用“基于双联同轴互补多圈电位器方位角测量法”使其完成对方位角任意角度的测量，解决了电位器在旋转过程中的盲区，使方位角度的测量从原来的340°左右提高到全角度360°。 

4、该装置具有快捷方便的作业信息收集能力，大大提高工作效率，同时节省大量的人力、物力。 

附图说明

图1是本发明所述硬件电路总体框图示意图。 

图2是本发明所述同轴双联互补多圈电位器单路信号调理电路示意图。 

图3是本发明所述炮弹数量检测电路示意图。 

图4是本发明实施例，所述装置A在人影高炮上的安装部分示意图。 

图5是本发明实施例，所述基于双联同轴互补多圈电位器的安装部分示意图。 

图6是本发明又一实施例，所述IDB40NA接近开关就J1的安装示意图。 

具体实施方式

参见图1～图5，本发明包括中央微处理器U1、方位检测电路U6、俯仰检测电路、数量检测电路U7、GSM模块电路、时钟电路、电源控制电路、铁电存储电路。所述中央微处理器U1通过数据总线/地址总线/控制总线与上述各电路连接。采集装置的中央微处理器U1采用LPC2387芯片，控制整个系统的信息获取和信号处理、通信等处理的操作。LPC2387微处理器是基于一个支持实时仿真的16位/32位ARM7TDMI-S CPU，并带有512kB嵌入的高速Flash存储器，128位宽度 的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。 

所述方位检测电路U6由一个同轴双联互补多圈电位器及相应信号调理电路构成，所述相应信号调理电路是指第一单路信号调理电路与第二单路信号调理电路并且电路相同，主要包括同轴双联电位器RPD1、中央微处理器U1，TLC2652高精度运算放大器U2和电压基准源U3TL431、开关K1、K2；其开关K1、K2受中央微处理器U1控制。同轴双联电位器由两个独立电位器构成，每一个电位器通过各自的信号调理电路将电阻转变为电信号，电信号经微处理器自带A/D转换后得到相应数字信号；图2中RPD1为同轴双联电位器中的一个电位器，测量电路采用4线制的方式进行设计，而4线制的电路中需要精密的恒流源，另外，由于单元测量电路的输出信号较弱，需要将信号放大，放大后再进行A/D转换。图2中U1为LPC2387中央处理器，RPD1选用WDD35导电塑电位器，恒流源电路设计中选用TLC2652高精度运算放大器和电压基准源TL431。 

在图2中，开关K1、K2受微控制器控制，当处于图示位置时，电压基准源U3使得U2的V₊端输入电压为2.5V，根据理想运放特点，有V₊＝V_-＝2.5V且V_-端无电流流出，则流过R1的电流为0.5mA。R3和R4中无电流，则有电位器RPD1中的电流等于R1电流为0.5mA，即流经电位器RPD1电流为0.5mA的恒流源，差分放大电路运方为TLC2652。R0和R1选用具有相同温漂的高精密电阻，当开关K1、K2均处于另一位置时，流经R0的电流也为恒定的0.5mA，将为温度补偿和校准用。 

图3中，数量检测电路U7的功能是完成高炮作业用弹量的自动检测，电路主要由IDB40NA接近开关J1与4N25光耦合器U5、中央微处理器U1构成；J1为接近开关IDB40NA，炮弹弹壳经过时，输出电平发生改变，U5为4N25光耦合器，主要作用是抗干扰和完成电平匹配，接近传感器工作电压为12伏，中央处理器工作电压3.3伏，U1为LPC2387中央处理器，完成对接近开关的高低低电平的实时检测，以获得炮弹数量的实时检测。 

此外，俯仰检测电路主要完成高炮作业的俯仰角自动检测，电路主要由倾角传感器BX-1XN-232和相应接口电路构成。GSM模块电路主要完成高炮作业结束后将作业的方位角、俯仰角、用弹量、作业起止时间等数据通过TCP/IP方式实时传输到人影管理部门，电路由GTM900和相应的接口电路组成。 

时钟电路得到电路运行的时钟，提供高炮作业起止时间，电路由DS1302和相应的电路组成。电源控制电路完成电池的容量检测、充电自动控制、电池低电量和环境高低温的自动保护等功能。串口电路完成液晶显示功能按键或计算机与本装置的数据通信接口，主要由MAX232及外围电路构成。铁电存储电路实现装置参数设置和高炮作业重要数据的长时间存储，电路主要由FM25H20和相应外围电路构成。 

液晶显示及功能按键部分主要完成所有信息显示和对装置人机交互操作，包括系统参数设置、时钟调校、方位俯仰角定标指令TCP/IP地址设置等功能。该模块电路可以独立于采集装置外。 

图4、图5提供了一种基于人影高炮作业参数的数字化采集装置的检测方法，尤其是安装方面。图4显示了所述装置在人影高炮上的安装位置，人影高炮上有2个6mm的孔，正好适合该设备安装。另外，俯仰传感器就设计到设备中，不需要单独安装。图5显示了所述同轴双联电位器RPD1是以同轴互补多圈电位器的形式安装在人影高炮方位角控制器的旋转处U8。所述IDB40NA接近开关J1是安装在高炮的退弹口处U9，每退出一个弹壳经过IDB40NA接近开关J1时，IDB40NA接近开关J1就输出一个高低电平变化，从而检测出炮弹数量。 

本发明还提供基于人影高炮作业参数的数字化采集装置的检测方法，尤其是基于人影高炮的双联同轴互补多圈电位器方位角测量方法，包括如下步骤： 

(1)采用基于双联同轴互补多圈电位器方位角测量法，对装置中双联电位器的每一个电位器进行电阻测量，由于双联是互补的可以实现高炮的全方位角测量； 

(2)给双联电位器两端加一合适的电源，电位器中心抽头的电压随电位器旋转而变化，实现了电压测量到角度测量的转换； 

(3)测量中心抽头的电压即可以测量出电位器电阻，从而得到方位角任意角度的测量数据，即人影高炮机械旋转角度的测量数据； 

(4)在中央微处理器LPC2387的指令下，将方位角测量数据存入存储器。所述方位角检测设计是采用“基于双联同轴互补多圈电位器方位角测量法”。 

炮射作业方位角测量是采集器的关键技术，通过采用“基于双联同轴互补多圈电位器方位角测量法”可以精确测量高炮的方位角，由于电位器机械旋转，其 电阻不一样，通过测量电阻就可以测量器旋转的角度，事实上多圈电位器的机械旋转角度为360°，而电器角度达不到360°，通常只有340°左右，特别高级的其价格也非常昂贵，可以达到350°左右，这样就有测量盲区，由此提出“基于双联同轴互补多圈电位器方位角测量法”，通过对双联电位器的每一个电位器的电阻测量，由于双联是互补的就可以实现高炮的方位角测量；电阻的测量通常是给电位器两端加一合适的电源，电位器中心抽头的电压随电位器旋转而变化，通过测量中心抽头的电压就可以测量出电位器电阻，从而得到机械旋转角度，解决了电位器在旋转过程中的盲区。 

算法设计原理：一个电位器在旋转过程中有一个盲区，比如电器测量范围为比如0°～330°就有30°的盲区，在这个盲区内，测量值全是0，无法达到系统设计的要求。因此系统采用双联电位器来完成对任意角度的测量。 

电位器是以同轴互补的形式进行安装，给它们加上电源后，它们同时都会对电压分压，两片AD芯片也都会对所分得的电压进行采样，什么时候该以第一个电位器为基准？什么时候又该以第二个电位器为基准？如何避开盲区电压无法测量的问题？这两个电位器该如何协调工作来共同完成对角度的测量？这里就牵涉到一个门限设定的问题。设定门限为U_L～U_H(如果电位器电压为3.3伏，可选为0.9～2.7伏)。当电位器1实时分得的电压在U_L和U_H之间时，此时就以电位器1来测量角度；当电位器1实时分得的电压值在门限值以外，此时就以电位器2来测量角度。 

设总电压为U₀，电位器1实时分得的电压为U₁，电位器2实时分得的电压为U₂。当电位器1实时所分得的电压在门限以内，即U_L≤U₁≤U_H时： 

$\theta =\frac{U_1-U_L}{U_0}\times 360---\left(1\right)$

当电位器1实时分得的电压在门限以外，即U₁＜U_L或者U₁＞U_H时： 

$\theta =\frac{U_2-U_{2B}+U_H-U_L}{U_0}\times 360---\left(2\right)$

其中，θ——方位角，零刻度可以根据实际安装位置来修正； 

U_2B——当电位器1测得的电压是U_H时电位器2的电压值，而这个值是可以准确测量出来的。 

计算出后θ，就得到相对方位角，设备安装到高炮上通过零刻度校正后就可以得到高炮实际方位角。 

本发明装置安装后的使用过程： 

装置及传感器安装在高炮上，打开电源开关，检查各指示灯，指示灯正常后，装置就已经进入实时自动检测高炮的方位角和俯仰角，此时即可进行高炮作业，当高炮完成第一炮作业的同一时刻，就自动记录作业的开始时间和此发炮弹的方位角、俯仰角，同时启动定时器，如果20秒(此时间可根据需要来设置)内没有作业就将最后一次作业时间记录下来，并通过短信或TCT/IP的方式将此次作业的起止时间、每发炮弹的方位角俯仰角数据发射到管理中心。整个过程，除处理开关电源外，其余过程全是自动完成的。