CN102410781A - 火炮发射次数检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

火炮发射次数检测装置及检测方法，属于炮台发射弹丸的检测技术领域。它解决了火炮发射采用人工计数准确性差的问题。本发明装置包括振动传感器、声音传感器、信号调理模块、单片机微控制器、键盘和数码显示器，振动传感器用于检测火炮发射的振动信号，声音传感器用于检测火炮发射的声音信号，本发明方法为首先设定阈值电压和阈值时间，信号调理模块对其输入的信号进行处理后输入给单片机微控制器，单片机微控制器对输入的信号进行判断，实现计数。本发明用于火炮发射现场对发射次数计数。

Description

火炮发射次数检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种火炮发射次数检测装置及检测方法，属于炮台发射弹丸的检测技术领域。

背景技术

科学技术的发展，大大地推进了军事领域的进步，对火炮的发射速度和频率要求越来越高，采用传统的人工现场记录火炮发射次数的方式越来越不适用。并且，在火炮发射现场，火炮发射时的巨大响声以及相应的振动都会对人体的健康造成伤害，因此，长期进行人工计数会影响工作人员的身体健康。同时，人工计数还存在很多异常现象，如，多计、漏计等，严重影响计数的准确性。此外，人工计数的方式，也使对工作人员的利用率降低，因此，发明一种实用、简单、方便的自动计数装置显得十分迫切。

发明内容

本发明的目的是解决火炮发射采用人工计数准确性差的问题，提供一种火炮发射次数检测装置及检测方法。

本发明所述火炮发射次数检测装置，它包括振动传感器、声音传感器、信号调理模块、单片机微控制器、键盘和数码显示器，

振动传感器用于检测火炮发射的振动信号，声音传感器用于检测火炮发射的声音信号，

振动传感器的振动信号输出端连接信号调理模块的振动信号输入端，声音传感器的声音信号输出端连接信号调理模块的声音信号输入端，

信号调理模块的振动调理信号输出端连接单片机微控制器的振动信号输入端，信号调理模块的声音调理信号输出端连接单片机微控制器的声音信号输入端，单片机微控制器的键盘控制信号输入端连接键盘的控制信号输出端，单片机微控制器的显示信号输出端连接数码显示器的显示信号输入端。

所述单片机微控制器由捕捉计数模块、CPU模块和串口通信模块组成，捕捉计数模块的振动信号输入端为单片机微控制器的振动信号输入端，捕捉计数模块的声音信号输入端为单片机微控制器的声音信号输入端，捕捉计数模块的输出端连接CPU模块的输入端，CPU模块的输出端连接串口通信模块的输入端，CPU模块的键盘控制信号输入端为单片机微控制器的键盘控制信号输入端，CPU模块的显示信号输出端为单片机微控制器的显示信号输出端。

它还包括上位机监控系统，单片机微控制器的串口通信模块的输出输入端连接上位机监控系统的串口通信输入输出端。

本发明所述基于上述装置的检测方法，它包括以下步骤：

步骤一：在信号调理模块内预设定阈值电压，并通过键盘对单片机微控制器预设置阈值时间；

步骤二：使振动传感器和声音传感器开始采集信号，信号调理模块对输入的振动信号和声音信号分别进行放大和滤波，并分别与所述阈值电压进行比较处理，获得与振动信号的最大波峰对应的振动信号脉冲方波和与声音信号的最大波峰对应的声音信号脉冲方波，将此振动信号脉冲方波和声音信号脉冲方波输入给单片机微控制器；

步骤三：当单片机微控制器同时获取到振动信号脉冲方波和声音信号脉冲方波，并且持续时间超过所述阈值时间，则单片机微控制器的计数值加1，并通过数码显示器显示火炮发射次数。

本发明的优点是：本发明是针对火炮发射数量多并且发射速度快，而提供的自动实时计数装置，它采用单片机微控制器的捕捉计数方式，解决了发射现场人工计数困难，计数准确性差，并且人员利用率不高等问题，达到了计数准确、可靠性高、显示清晰、方便灵敏的目的。

本发明通过振动传感器和声音传感器实时采集火炮发射时的声音信号和振动信号，将它们分别与所设阈值电压比较处理后，得到与其中最大波峰对应的脉冲方波。将此方波信号送入单片机微控制器，当检测到超过阈值电压的振动和声音信号同时发生时，并且信号的持续时间超过阈值时间时，即可确定产生了一次发射动作，这种计数方法对火炮发射次数的统计准确性高，并且避免了人工计数产生的种种缺陷。

实验分析表明，经本发明信号调理模块输出的振动和声音信号波形连续、完整，测量相对误差小于2.06％。本发明的设计符合实际需要，并具有反应速度快、检测准确及实用性强等特点，可以广泛推广和应用。

附图说明

图1为本发明装置的原理框图；

图2为信号调理模块的比较及与运算单元的电路原理图；

图3为信号调理模块的振动信号放大电路图；

图4为信号调理模块的声音信号调理电路图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述火炮发射次数检测装置，它包括振动传感器1、声音传感器2、信号调理模块3、单片机微控制器4、键盘5和数码显示器6，

振动传感器1用于检测火炮发射的振动信号，声音传感器2用于检测火炮发射的声音信号，

振动传感器1的振动信号输出端连接信号调理模块3的振动信号输入端，声音传感器2的声音信号输出端连接信号调理模块3的声音信号输入端，

信号调理模块3的振动调理信号输出端连接单片机微控制器4的振动信号输入端，信号调理模块3的声音调理信号输出端连接单片机微控制器4的声音信号输入端，单片机微控制器4的键盘控制信号输入端连接键盘5的控制信号输出端，单片机微控制器4的显示信号输出端连接数码显示器6的显示信号输入端。

本实施方式所述的检测装置属军事领域炮台发射弹丸的检测管理技术，涉及振动和音频传感器、信号的比较、处理和单片机计数应用技术。

火炮发射系统主要由炮身和炮架组成。在火炮发射时，由于火药燃气的载荷作用，火炮结构发生机械振动并伴有巨大的响声，本实施方式即是利用检测这些振动信号和声音信号来判断是否有弹丸发出。因为在火炮发射现场，常会有多个炮台同时进行火炮发射，为了确保是一个炮台发出的弹丸且计数准确，所以本实施方式在声音信号和振动信号同时发生时，才进行计数。

由于振动传感器1和声音传感器2的输出信号都比较弱，因此，信号调理模块3需要对其进行放大和滤波。由此可以得到与火炮发射动作所对应的信号波形，振动信号和声音信号的波形的一般形式如图1中所示，均为一个较大波峰和若干较小波峰的组合，将它与所设阈值电压比较处理后，得到与其中最大波峰对应的脉冲方波。

本实施方式的硬件电路分为模拟和数字两部分。模拟部分主要是对传感器输出的信号进行调理，转换成单片机可以进行采样的标准信号。数字部分主要是通过单片机进行采样和捕捉等工作，实现对火炮发射次数的计数显示，及与上位机通信等功能。

单片机微控制器4需要采样信号调理模块3的输出波形，计数脉冲信号，并可与上位机系统实时通信。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述单片机微控制器4由捕捉计数模块、CPU模块和串口通信模块组成，捕捉计数模块的振动信号输入端为单片机微控制器4的振动信号输入端，捕捉计数模块的声音信号输入端为单片机微控制器4的声音信号输入端，捕捉计数模块的输出端连接CPU模块的输入端，CPU模块的输出端连接串口通信模块的输入端，CPU模块的键盘控制信号输入端为单片机微控制器4的键盘控制信号输入端，CPU模块的显示信号输出端为单片机微控制器4的显示信号输出端。

具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式二的进一步说明，本实施方式还包括上位机监控系统7，单片机微控制器4的串口通信模块的输出输入端连接上位机监控系统7的串口通信输入输出端。

本实施方式所述的检测装置，主要由四个部分组成，分别为传感器模块、信号调理模块、单片机处理模块以及上位机监控模块。单片机微控制器4采集到的数据最后上传到上位机监控系统7中，能够实现系统的自动化远程监控。

具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，本实施方式还包括电源模块8，电源模块8为振动传感器1、声音传感器2、信号调理模块3、单片机微控制器4、键盘5和数码显示器6提供工作电源。

具体实施方式五：本实施方式为对实施方式一、二、三或四的进一步说明，所述振动传感器1的型号为MEAS3031。

本实施方式选用振动传感器MEAS3031将振动信号转换为电信号。该传感器合并了第三代MEMS传感元件，具有长期的稳定性。此外，该传感器内部设有过载保护装置，防冲击能力可达10,000g。其原理是基于内部桥路输出，当有振动信号发生时，引起电桥不平衡从而有电压输出。MEAS3031振动传感器的量程有两种：50g和100g。由于信号形式不定，考虑到振动强度的范围很大，本发明可选用100g型；其灵敏度可达60mV，输出电压范围在2～10V。

振动传感器1将检测到的加速度转换为电压信号输出，火炮发射引起的加速度范围在±10g，对应的传感器输出电压的幅值在4mV左右，需要经信号调理模块3再放大400-600倍。

振动传感器1利用内部不平衡电桥的两个桥臂输出差分测量信号，信号上叠加了较大的共模干扰，需要使用高共模抑制比仪用放大器对差分信号进行放大。在放大器选型时，需要满足在较大的频率宽度内无失真放大的要求。所以这里选用精密轨对轨仪用放大器AD623完成放大功能。而单级AD623在放大400倍时带宽仅有5kHz，故这里采用两级运放，前级放大50倍，后级放大10倍可调，可在实际调试时灵活地改变增益，具体电路见图3。

具体实施方式六：本实施方式为对实施方式一、二、三、四或五的进一步说明，所述声音传感器2采用驻极体传声器。

本实施方式所采用的声音传感器2为驻极体传声器，其内部原理是驻极体振动薄膜与金属极板之间构成一个电容，当声音信号到来时，薄膜振动引起电容两端的电场发生变化，从而产生随声波变化而变化的交变电压，并通过内部的场效应管放大输出。其工作灵敏度可以满足本发明使用要求。

驻极体传声器将声音信号转换为电信号。与振动传感器不同，它的输出电压幅值较大，输出幅值达到3V以上，无需放大即可直接使用，但是由于输出叠加了直流分量，需要加入隔直电容，以取出与音频信号相对应的交流量。在此之后，为了进行阻抗匹配，后级需要连接一级跟随器。具体电路见图4所示。

当驻极体的输出电压接近电源电压时，会进入非线性区，测量精度会降低。所以需要在必要时减小其输出电压，可以通过增大驻极体的分压电阻R24或减小隔直电容的负载电阻R30来实现。

具体实施方式七：本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五或六的进一步说明，所述单片机微控制器4的型号为C8051F060。

本实施方式采用高速混合信号微控制器C8051F060实现控制功能。它内部集成两路1Mbit/s的16位精密AD，及可编程的16位计数阵列PCA模块，完全能够满足本发明的使用要求。

C8051F060利用PCA模块测量方波信号的高电平时间，在信号的上升和下降沿产生捕捉中断，通过记录定时器的值来完成计时功能。此外，可以通过键盘进行设置阈值时间及清零计数值等操作；可采用三位数码管显示实时的计数值，最大可达999；通过RS232串口实现与上位机的远程通信。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式为基于实施方式一所述火炮发射次数检测装置的检测方法，它包括以下步骤：

步骤一：在信号调理模块3内预设定阈值电压，并通过键盘5对单片机微控制器4预设置阈值时间；

步骤二：使振动传感器1和声音传感器2开始采集信号，信号调理模块3对输入的振动信号和声音信号分别进行放大和滤波，并分别与所述阈值电压进行比较处理，获得与振动信号的最大波峰对应的振动信号脉冲方波和与声音信号的最大波峰对应的声音信号脉冲方波，将此振动信号脉冲方波和声音信号脉冲方波输入给单片机微控制器4；

步骤三：当单片机微控制器4同时获取到振动信号脉冲方波和声音信号脉冲方波，并且持续时间超过所述阈值时间，则单片机微控制器4的计数值加1，并通过数码显示器6显示火炮发射次数。

本实施方式所述的检测方法技术关键在于准确获取信号的波形以及恰当设定比较阈值电压的大小。

所述的检测方法，还可以通过软件的方式在单片机微控制器4内设定电压阈值，当检测到超过一定阈值的振动和声音信号同时发生时，单片机计数一次。

实验与分析：

对本发明方法进行实物实验。本发明方法对发射次数准确计数的关键是，设定合适的比较阈值电压和脉冲高电平阈值时间。而在确定阈值前，需要采集测量信号的波形。

在振动测试平台上完成对信号波形的采集。振动平台可以按设定的加速度进行运动，并能进行金属的碰撞试验，以模拟实际火炮发射过程中产生的振动和响声。在实验的过程中，需要将所设计的火炮发射次数计数器固定在振动平台上，使之与平台连为一体。在采集信号波形时，使用NI USB-9162超精密16位数据采集卡，它能同步采集四路模拟信号，并利用LabView软件界面显示波形。以下是实验过程与结果。

首先，将经过放大-滤波-缓冲处理后的模拟信号接到数据采集卡的两路通道上，并接通+5V直流电源。此时显示出振动和声音信号的初始状态值。

在初始状态下，振动和声音信号比较平滑，波动很小。对声音信号，当声音输入较小时，调理后的信号初始值为零；而对振动信号，当无振动输入时，存在418.26mv的直流偏置，这是由于两级AD623中，前级的输出失调电压被后级放大所致。虽然输出存在偏置，但是其幅值较小，且在测量过程中能够保持恒定，所以在对信号处理时只需减去此偏置即可，不会影响测量的精度。

实验时，将振动平台的加速度设定为3.5g，并不断地循环起振，且在振动的过程中伴随金属撞击产生的响声。利用数据采集卡采集振动和声音信号。

根据实验获得的波形变化可以看出，振动信号变化的频率较小，而且上升和下降过程都比较平滑。信号幅值增加了约580mV，而调理电路放大400倍，折算到传感器侧的输入信号约为1.45mV。所使用的振动传感器灵敏度为0.423mv/g，这样可获得传感器测的加速度为3.4279g，这与振动平台的设定加速度值非常接近，相对误差为2.06％。所以对振动信号的检测非常精确。

声音信号的波形与振动信号相差较大，其频率较高，且变化范围较宽，存在一个非常明显的尖峰，这是由于发声的振动频率比平台整体的振动频率高得多的缘故。振动平台上金属撞击的声音较大，信号幅值可达2.25V，可以模拟实际的火炮发射过程。

根据对信号的采样波形分析，可以将其和设定的比较阈值电压进行比较，转换为脉冲信号，并通过调整合适的阈值，控制脉冲信号的数量和宽度。然后在控制系统中设定合适的脉冲宽度阈值时间，仅取出与最大波峰相对应的方波脉冲。通过以上分析，设定振动阈值电压为900mV，声音阈值电压为2.1V，脉冲宽度阈值时间为500μs。测试时，平台每振动一次，计数值加一，很好的实现了计数功能。

本发明方法实现了对火炮发射次数的统计，各个模块协调工作，使整个检测系统可靠工作。在实际的测量过程中，灵敏度高，检测准确，抗干扰性强，调节方便，显示清晰，并能够在火炮发射现场等恶劣的环境条件下正常工作。此外，本发明方法具有很强的通用性，不仅能够应用于火炮发射次数的检测，对于其它需要对振动和声音信号进行采集的场合，也具有很高的应用价值。

Claims (8)

1.一种火炮发射次数检测装置，其特征在于：它包括振动传感器(1)、声音传感器(2)、信号调理模块(3)、单片机微控制器(4)、键盘(5)和数码显示器(6)，

振动传感器(1)用于检测火炮发射的振动信号，声音传感器(2)用于检测火炮发射的声音信号，

振动传感器(1)的振动信号输出端连接信号调理模块(3)的振动信号输入端，声音传感器(2)的声音信号输出端连接信号调理模块(3)的声音信号输入端，

信号调理模块(3)的振动调理信号输出端连接单片机微控制器(4)的振动信号输入端，信号调理模块(3)的声音调理信号输出端连接单片机微控制器(4)的声音信号输入端，单片机微控制器(4)的键盘控制信号输入端连接键盘(5)的控制信号输出端，单片机微控制器(4)的显示信号输出端连接数码显示器(6)的显示信号输入端。

2.根据权利要求1所述的火炮发射次数检测装置，其特征在于：所述单片机微控制器(4)由捕捉计数模块、CPU模块和串口通信模块组成，捕捉计数模块的振动信号输入端为单片机微控制器(4)的振动信号输入端，捕捉计数模块的声音信号输入端为单片机微控制器(4)的声音信号输入端，捕捉计数模块的输出端连接CPU模块的输入端，CPU模块的输出端连接串口通信模块的输入端，CPU模块的键盘控制信号输入端为单片机微控制器(4)的键盘控制信号输入端，CPU模块的显示信号输出端为单片机微控制器(4)的显示信号输出端。

3.根据权利要求2所述的火炮发射次数检测装置，其特征在于：它还包括上位机监控系统(7)，单片机微控制器(4)的串口通信模块的输出输入端连接上位机监控系统(7)的串口通信输入输出端。

4.根据权利要求1、2或3所述的火炮发射次数检测装置，其特征在于：它还包括电源模块(8)，电源模块(8)为振动传感器(1)、声音传感器(2)、信号调理模块(3)、单片机微控制器(4)、键盘(5)和数码显示器(6)提供工作电源。

5.根据权利要求1、2或3所述的火炮发射次数检测装置，其特征在于：所述振动传感器(1)的型号为MEAS3031。

6.根据权利要求1、2或3所述的火炮发射次数检测装置，其特征在于：所述声音传感器(2)采用驻极体传声器。

7.根据权利要求1、2或3所述的火炮发射次数检测装置，其特征在于：所述单片机微控制器(4)的型号为C8051F060。

8.一种基于权利要求1所述火炮发射次数检测装置的检测方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一：在信号调理模块(3)内预设定阈值电压，并通过键盘(5)对单片机微控制器(4)预设置阈值时间；

步骤二：使振动传感器(1)和声音传感器(2)开始采集信号，信号调理模块(3)对输入的振动信号和声音信号分别进行放大和滤波，并分别与所述阈值电压进行比较处理，获得与振动信号的最大波峰对应的振动信号脉冲方波和与声音信号的最大波峰对应的声音信号脉冲方波，将此振动信号脉冲方波和声音信号脉冲方波输入给单片机微控制器(4)；

步骤三：当单片机微控制器(4)同时获取到振动信号脉冲方波和声音信号脉冲方波，并且持续时间超过所述阈值时间，则单片机微控制器(4)的计数值加1，并通过数码显示器(6)显示火炮发射次数。

Images