加速度、电场传感器在航模中的应用

1、加速度、电场传感器在航模中的应用比赛编号:_O10520_ 日期:2004/7/7首名设计者为联络代表人。姓名: 钱近和 (中文 George Qian (英文职业:软件设计工程师 姓名: 郭 静 (中文 Guo Jing (英文职业:硬件设计工程师 通讯地址:深圳市源昱电子公司技术中心 邮编:518038电子邮箱:qjh717,电话传真位名称:深圳市源昱电子公司技术中心 图1: 航模实体加速度、电场传感器在航模中的应用一、引 言航模可以像真飞机一样飞上天空, 深受人们的喜爱。 同时航模运动是一项 “ 实践性, 探索性, 开放性 ”

2、极强的运动。所谓的 “ 实践性 ” 即以航模运动为切入点,进行针对的实践训练; “ 探索性 ” 即保 持创新意识,锐意进取,探索全新的发展模式; “ 开放性 ” 即坚持兼容并蓄的原则,鼓励个性发展。 随着航模运动的发展,一些高新的科技也开始在航模上有着广泛的应用前景。基于对航模的现状的深入研究,结合Freescale 的先进的传感器技术,采用 Freecale 的加速度、电场、压力传感器,以便更好、更方便控制航模的飞行。二 、 设计概述1. 选 用到的 Freescale 半导传感器:a. MMA6260Q ( Low-G 加速度传感器 b. MMA1260 ( Low-G 加速度传感器 c.

3、 MPXM2102A ( 压力传感器 d. MC33794 ( 电场传感器 2. 所 选传感器特性指标:表 1: Low-G加速度传感器型号 轴向 范围 输出信号MMA1260D Z 轴MMA6260Q XY 轴 1.5g 800mV/gMC33794特点如下:最多可接 9个电极, 2个参考电极;用屏蔽同轴电缆可远距离驱动电极;+5V调节器为外部电路供电ISO-9141物理层接口灯驱动输出看门狗和电源复位定时器测量时临界内部接点比例缩放和选择由外部电阻产生无谐波的正弦波封装形式:44HSOP, 54SOICW表2:MPXM2102 特性如下 : 3. 设 计特点a. 利用MMA6260Q的X、

4、 Y 两轴加速度传感器, 测量航模垂直地面方向及两翼方 向的加速度b. 利用MMA1260测量航模飞行向的加速度c. 利用压力传感器MPXM2102A测量模的飞行高度 (根据高度与大气压的算术关 系。d. 利用MMA6260Q及MMA1260测量模在飞行中的平衡 (水平及垂直角度 、 颠簸、 及降落着地瞬间的检测(利用加速度传感器的测碰撞功能。e. 在无线遥控器上利用MC33794电场检测功能, 分配电场检测输入到相应的运 行控制指示按钮进行航模运行状态的控制。4. 功 能框图a. 图2:遥控器外形图 图3:遥控器功能框图b. 航模主机体 图4:航模系统总体框图5. 工 作原理 a. 遥控器图

5、5:MC33794与微控制器连接本设计中分配 MC33794 的 E1、 E2、 E3、 E4、四个电极作为航模上下升降的控 制检测单元, E6、 E7、 E8、 E9四个电极作为航模左右转向控制检测单元, E5 作为开 启 /停止飞行的检测单元 。微控单元检测到开启 /停止按钮 (E5 上的电场发生跳变时, 则表明有控制航模飞 行启动 /停止的指令。微控单元检实时测到电极 E1、 E2、 E3、 E4上的电场有顺序变化时,则表明有上 升指令产生,反之,则表明有下降指令产生。微控单元检实时测到电极 E6、 E7、 E8、 E9上的电场有顺序变化时,则表明有左 b. 加速度传感器通过微控单元实时

6、检测 X 、 Y 、 Z 三轴上的加速度值,再进行矢量运算,分析 出航模的倾斜情况。参考图 6、图 7。通过微控单元实时检测 X 、 Y 、 Z 三轴上的加速度值,如果加速度值有较大幅 度的波动,进行矢量运算,可分析出航模是否处于颠簸、震动状态。其中震动情况 还可以用来判断航模着陆状态。参考图 8。图7:三维加加速度数据显图6:三维加度速矢量图图8:振动对应的加速度变化曲线 图9:加速度传感器与单片机接口c. 压力传感器压力对压力传感器的输出电压关系如下:VOUT = (Applied Pressure * Sensitivity Offset -公式 1 由 Vout 我们可以得到航模在空中

7、某点的大气压力值,再经以下公式即可得出该 点的高度。P = (P0 e-(g/(RT * (Z Z0, -公式 2P :所求高度的压力值P0:已知高度的压力值 ,e :常数 ,g = 9.8 (m/s2, 重力加速度R = 287 J/(kg*K,于燥空气常数T :所求高度的绝对温度 ,Z :所求高度 ,Z0 :已知高度 .同时根据以下流体力学工和学公式:dP = -gdZP = RT即可得出实际高度为:Z = Z0- 27,887 ln(P/P0, -公式 3 Z :所求高度,单位:英尺 ,Z0:已知高度 ,单位:英尺 ,P :所求高度点的压力值 ,P0:已知高度点上的压力值 , 图10:

8、MPXM2102与运放接口电路三、硬件描述1. 遥控器部分:主要由RF模块、电池管理模块(包括DC/DC、控制单元(MC68HC908QY4、外部信号检测单元(MC33794构成。2. 航模主体部分:由RF模块、电机及电机驱动模块、微控制单元(MC68HC908MR32、 加速度检测单元(MMA6260Q、MMA1260、高度检测单元(MPXM2102A、方向检测单元等部分构成。四、软件描述a. 遥控器部分 图11:遥控器部分程序流程b. 航模主体部分软件框图： 上电复位/ 初始化设置 否 飞行 ？ 是 左右转 ？ 是 处理左右转 向，设置飞行 否 升降 ？ 是 处理升降，设 置飞行状态 否 振动 ？ 是 修正参，设置 飞行状态 否 是 着陆 ？ 设置飞行状态 否 图 ：主流程 Page 11 of 12 c. 遥控部分子程： 查询由中断收到的命令 是 控制航模的运