程日炜，兰国峰，严浩铭，党亚南，冯美娟，赵 辉

(1. 中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051； 2. 上海航天技术研究院北京研发中心，北京 100081)

0 引 言

随着现代火炮武器的发展，火炮性能测试的标准变得越来越严格，在火炮的众多性能测试中，初速度就是其中一项重要的参数指标，它直接关系到后续弹丸的射程以及毁伤效果[1-2]. 如何提高火炮初速测试结果的精度成为一个重要的研究课题. 火炮测试环境相对较恶劣，因此对测速系统的要求较高，传统火炮初速测量方法有： 线圈靶、 通断网靶、 激光光幕靶等. 其中，线圈靶和通断网靶对测试环境要求较低，但测试精度有限，存在一定的局限性[3]. 相较而言，激光光幕靶测试精度高，在火炮测试中具有较广泛的应用[4-5]. 但激光光幕靶内部的较多器件，如： 半导体激光器、 信号电路、 电池等，均对工作温度有一定要求. 如激光器的输出波长受温度影响较大，当工作电流一定时，温度的变化会影响其工作介质的折射率[6-7]，导致输出峰值波长发生漂移. 测速系统进行试验时，会受到发射火光以及周围环境光的干扰，为了不影响试验结果，需要在光电探测器前端安装滤光片. 滤光片的中心波段需要与激光器的输出波长相匹配. 当温度变化导致激光器的输出波长与滤波片的中心波段不匹配或超出截止范围，则会导致弹丸过靶信号过小，甚至无法采集. 通常温度变化1 ℃，波长产生相应0.2 nm～0.3 nm 的改变[8]，图 1 为激光器的输出波长与工作温度的对应曲线图，测速系统选用的激光器功率为100 mW，室温下的工作波长为650 nm.

图 1 半导体激光器温度与其输出波长的关系Fig.1 Relationship between semiconductor laser temperature and its output wavelength

传统测速系统只适于在常规环境中测试，在极端温度条件(-30 ℃～50 ℃)下则会受到影响，为了扩大测速系统的适用范围，使其可以在不同环境温度下进行正常工作，除采用在系统外部包裹保温层等手段外，还需对系统内部进行温度调节. 常用的温度控制方式如表 1 所示.

表 1 常见温控方式性能对比Tab.1 Performance comparison of common temperature control methods

传统的温控方式(如热电制冷器(TEC)[7]法以及水冷散热法[9]等)大多只针对激光器进行温度调节，无法对系统内部其他器件进行温度调节，存在一定的局限性. 同时，这些方法存在温度调节范围有限或装置体积较大等问题，无法适应激光光幕靶测试环境不同，温度变化范围较大且外形尺寸较小的要求. 激光光幕靶存在长时间在室外环境使用的情况，并且无法提供外接电源，需要采用内部电池进行供电，这就要求温控装置功耗低、 调节速度快，可以使测速系统内部温度稳定在 20 ℃ 左右，从而保证测速系统的正常工作. 基于以上实际情况以及对温度控制的需求，本文设计了一款可用于激光光幕测速系统的温度控制装置.

1 系统方案设计

1.1 整体设计

整个温控装置主要由三部分组成： 温度测量模块、 系统控制模块以及温控执行模块. 如图 2 所示.

图 2 温控装置整体结构示意图Fig.2 Overall structure diagram of temperature control device

温度测量模块的温度传感器1～3分别监测激光器、 信号电路以及腔体内壁的温度. 系统控制模块主要为STM32，负责系统温度的测量、 显示以及对后续温控执行模块的控制. 温控执行模块主要包括： 继电器开关、 风扇以及加热器. 为了提升温控装置的调节效率，温控执行模块分为3组，与相应的温度传感器对应，分别安装在激光器、 信号处理电路以及系统内壁附近，实现多点温度调节.

温控装置工作流程图如图 3 所示. 系统开始运行后，各温度传感器对相应器件进行温度采集. 测量信号经过模数转换后传输至STM32，将测量值与预置的温度范围进行比较. 因各器件对环境温度的要求不同，为了提高温控精度，根据不同器件的工作特点，设置了各自的温度调节范围. 激光器的温控范围为15 ℃～35 ℃，当温度超出此范围，STM32控制温控执行模块开始工作，当温度调节(加热/降温)至停止阈值25 ℃时，温度调节停止. 同理，信号电路温控范围为10 ℃～40 ℃，停止阈值为25 ℃； 系统内壁温度范围为10 ℃～35 ℃，停止阈值为20 ℃，其中系统内壁温度会通过显示屏进行显示.

图 3 温控装置工作流程图Fig.3 Working flow chart of temperature control device

1.2 理论计算

温控装置通过加热器和风扇来实现系统内部温度的调节，其中系统内壁升温所需热量最高，因此，选用加热器功率为20 W的半导体加热器. 激光器以及信号电路选用的加热器功率均为5 W，温控装置的总加热功率为30 W. 热量的计算公式为

Q=cmΔt,

(1)

式中：Q为加热器所产生的热量值；c为系统内部空气比热容，c=1.0×103J/(kg℃)；m为加热空气的质量； Δt为系统内部加热前后温度的差值. 测速系统内部的空气密度为1.29 kg/ m3，空间大小约为0.23 m×0.23 m×0.2 m，则系统内部空气升温1 ℃所需的能量为13.65 J/ ℃. 1 W=1 J/s, 即使用1 W的加热器将该体积空气加热升温1 ℃ 需要13.65 s. 假设将环境温度由-30 ℃ 升温至20 ℃，内壁加热器功率为20 W，则理论计算所得加热时长为34 s. 同理，根据激光器以及电路附近的空气体积计算可得它们的加热时间分别为16 s和28 s. 因为实际使用中存在热量损失等问题，所以加热、 温升时间大于理论值. 通过对理论和实际结果以及使用需求的分析，表明系统所采用的加热方式完全能够满足实际测试环境对于升温时间的要求.

加热器选用的供电电池容量为28 000 mAh，输出电压为12 V，则根据公式P=UI和Q=It计算可得得到加热器的供电电流为2.5 A，电池可为加热器供电的时长大于10 h，这完全可以满足测速系统每天室外工作时长的使用需求. 系统温控装置选用的加热器能耗小、 加热效率高且体积小巧，便于安放在系统内部，可以较好地维持内部温度稳定.

1.3 温度场仿真

为了验证所选用加热器的功率、 安装位置是否合适，以及测试温控装置能否对系统进行快速温度调节，进行了系统内部温度场的仿真实验.

通过Solid Works对测速系统进行几何建模，然后将模型导入ANSYS中，将系统面板的材料属性设置为6 061铝合金，之后对模型进行网格划分，所构建的有限元模型单元数为135 065，节点数为244 077. 图 4 为建立的离散化有限元模型.

图 4 测速系统温度仿真模型Fig.4 Temperature simulation model of speed measurement system

对加热器功率和位置等参数进行设定，将加热器分别放置在系统侧壁、 上面板以及底板中间，其中侧壁加热器功率为20 W, 上下面板加热器功率为5 W.

图 5 为加热前系统内部的温度分布云图，此时环境温度设定为-10 ℃.

图 5 系统加热前温度云图Fig.5 Temperature cloud diagram before system heating

加热器工作一段时间后，系统内部温度达到稳定，图 6 为系统内壁以及信号电路对应加热器的温度场分布.

(a) 系统内壁温度场示意图

(b) 信号电路温度场示意图图 6 系统加热温度场示意图Fig.6 Schematic diagram of system heating temperature field

从图 6 中可以看出，面板温度可达30 ℃以上，证明所选加热器的功率满足要求，完全可以实现对测速系统的加热. 从温度云图来看，系统整块面板的热量分布较均匀，加热器的安装位置也符合设计要求. 同时，通过软件模拟发现，当整个系统内部温度不再变化且环境温度达到静态平衡时，整个过程用时约为28 min，证明温控装置的温度调节耗时较短，效率较高.

2 硬件设计

2.1 温度传感器电路

温度传感器能否快速准确地进行温度测量，直接关系到装置是否可以高效工作，因此，温度传感器的选型是系统设计的关键. 测速系统室外工作的环境温度一般为-30 ℃～50 ℃. 基于以上需求，本设计选用DS18B20温度传感器，该传感器的测温范围为-55 ℃～125 ℃，满足环境测温需求. 同时，传感器响应速度为750 ms，精度可达0.25 ℃，性能优良. 传感器内部可直接进行模数转换，降低了外围电路的设计要求. 该传感器体积较小，便于安放在测速系统内部，不会过多占用内部空间.

系统所选用的温度传感器为同一型号，只是在与单片机引脚的接线处有所区别，因此，以激光器温度传感器外部电路为例进行说明，如图 7 所示，VCC 和 GND 两引脚为传感器提供电源回路，供电端接入电容进行滤波，以保证工作电压稳定和防止干扰造成误差. DQ 为数据通信引脚，在VCC端串联一个电阻，为 DQ 管脚提供静态偏置，将DQ端与STM32连接以后就可以进行传感器数据的写入或读取操作.

图 7 激光器温度传感器电路示意图Fig.7 Schematic diagram of laser temperature sensor circuit

2.2 继电器控制电路

继电器主要用来控制相应的温控器件. 当温度测量值大于温度范围上限时，继电器接通风扇进行冷却降温； 当温度测量值小于温度范围下限时，继电器接通加热器进行加热升温. 所选用的继电器1～3的型号均相同，控制激光器温度调节的继电器及相应电路如图 8 所示.

图 8 继电器电路及引脚示意图Fig.8 Relay circuit and pin diagram

由于单片机输出引脚的驱动电流较小功率不足，无法驱动继电器，因此在外接电路中添加三极管以驱动继电器. 三极管的作用一是放大单片机的输出，二是作为开关控制. 由单片机控制IN端的输入. 当温度测量值超出设定阈值时，单片机输出低电平至IN，控制继电器接口闭合，温控执行模块开始工作. 当温度回到正常范围时，IN输入高电平，停止温度调节. 外设电路中，继电器外接的续流二极管用来保护三极管，防止继电器开关时线圈所产生的反生电动势损坏三极管.

STM32通过继电器开关来控制加热器，当器件温度低于设定值时，对应加热器开始工作； 达到设定温度值，加热停止. 为了保障系统安全，防止因温度传感器检测或STM32温控装置控制失效，引起加热温度过高，使测速系统损坏，本设计在各加热器和电源之间设置了突跳温控开关，如图 9 所示，当内部温度超过温控开关设定值时，突跳开关会断开电路，进一步保障加热安全可控.

图 9 突跳开关接线示意图Fig.9 Wiring diagram of jump switch

图 10 为激光器温控装置加热仿真电路图，显示屏所显示温度为当前系统内壁的温度. 图中温度传感器测得的激光器温度值为12 ℃，低于温控范围阈值下限15 ℃. 单片机PB14引脚输出低电平至继电器IN端口，控制继电器NO与COM接口短接电路导通，加热器开始工作. 当加热温度达到25 ℃时，单片机PB14输出高电平控制继电器断开电路，加热停止.

图 10 温控装置加热仿真图Fig.10 Heating simulation diagram of temperature control device

3 软件设计

整个温控装置软件运行流程如图 11 所示，系统开始运行后，初始化温度传感器端口，检测连接状态.

开始运行温度读取流程： 首先访问ROM, 读取温度传感器地址信息,发送低电平进行复位操作，将引脚设置为输入模式等待响应，有数据传回时，将数据转换为十进制温度. 之后进行温度判断，根据器件设定的温度范围进行判断. 激光器的温控范围为15 ℃～35 ℃，信号电路的温控范围为10 ℃～40 ℃，系统内壁的温控范围为10 ℃～35 ℃.

当测量温度值超出各自对应的温控范围时，单片机对继电器控制端输出低电平，相应温控执行模块开始运行. 待温度调节至停止阈值后，单片机对继电器控制端输出高电平，相应温控执行模块停止工作.

图 11 软件设计流程图

单片机与温度传感器之间需进行数据通信，以实现温度数据的传输与转换，流程如图 12 所示. 首先单片机对温度传感器发送复位脉冲，短暂延时后进入接收模式，之后单片机发送读取存储器命令，依次读取低八位、 高八位连续两个字节的数据. 将采集数据乘以0.625转换得到十进制温度数值，读取数据符号位判断回传温度的正负，确定温度值.

图 12 温度读取及转换流程图Fig.12 Flow chart of temperature reading and conversion

4 实测试验

为了验证所设计装置对测速系统内部温度的控制能力，对系统的温控执行模块进行测试试验. 以系统内壁温度为例，当内壁温度达到设定温度时，系统内部的温度满足工作要求，则其他器件均处在工作温度范围内，图 13 为测速系统温度显示装置实物图.

图 13 温度显示装置测试图Fig.13 Test diagram of temperature display device

将系统分别放置在-2 ℃以及40 ℃环境下进行升温以及降温试验，每隔2 min对温度值进行记录，待温度传感器检测到内壁温度达到20 ℃时，温控装置停止运行. 图 14 为系统升温以及降温试验的温度变化曲线图.

(a) -2 ℃升温

(b) 40 ℃降温图 14 系统内壁温度变化图Fig.14 Temperature variation diagram of system inner wall

系统升温试验用时约14 min，共测得8组数据，由图14(a)可知，试验最初温度上升较平缓，随着加热时间的增加，温度上升速度明显加快，这是由于测速系统各个面板温度也会有所上升. 降温试验用时约12 min，共计7组数据，由图14(b) 可知，前期温度下降相对较快，当内部温度接近环境温度时，温度下降逐渐变缓.

试验结果表明，该装置可以实现系统内部温度的自动调节，可以在较短的时间内将系统内部的温度调节至20 ℃，调节速度较快且结果准确，待温度调节完成后，激光器的输出波长可以稳定在650 nm，满足温控装置的设计要求，可以保证激光光幕测速系统在室外高低温环境中正常工作.

5 结 论

本文设计了一种基于STM32的激光光幕测速系统温控装置，该装置可同时对系统内部器件进行多点温度调节. 通过对加热器的功率进行理论计算，并对系统的温度场进行仿真试验，验证了所选加热器的功率以及安装位置满足设计要求. 对系统内壁温控执行模块进行实测实验，整个升温过程用时约14 min，降温试验用时约12 min，均可在15 min 内完成对内壁温度的调节. 试验结果表明，该装置温度调节速度快，适用于不同温度环境，同时具有能耗低、 体积小等特点，满足测速系统对温度控制装置的实际需求，具有一定的应用价值.