某便攜式自動充氮裝置設計

張 馳，王天輝，劉宗杰

(中國人民解放軍 91851部隊，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

氮氣作為惰性氣體，化學性質不活躍，氮氣分子比氧氣分子大，受溫度影響較小，常用于保護氣體[1-2]。某艦載防空導彈因長期在艦艇上值班，其發射筒內要保持一定壓力的氮氣，對導彈進行保護，以防止導彈內部器件，因高溫、鹽霧、潮濕等環境影響而造成性能下降，從而影響導彈整體性能。

部隊長期使用的充氮裝置，采用手動控制截止閥和肉眼觀察箱上壓力表數值來協調完成對導彈發射筒充氣，自動化程度較低，工作過程中需要多人配合操作，充氮操作時間長、效率低。特別是該充氮設備采用靠機械指針的壓力表，通過觀察指針來判斷箱內壓力是否達到標準，易造成箱內壓力誤差較大。后續針對某捷聯慣導的導彈研制改進的自動充氣設備，解決了需要操作人數多以及人眼來觀察的問題，但其體積較大，不具備便攜性，僅適用于技術陣地發射筒的充氮保養，難以滿足某艦載防空武器使用要求[3-5]。為此，結合某防空導彈實際使用環境，本文設計一種便攜式自動充氮裝置，能夠根據外界壓力、溫度等參數計算發射筒內合適的氮氣壓力，然后自動完成發射筒排氣和充氣操作，該裝置集成度高、體積較小，能夠滿足艦艇使用空間要求。

1 系統結構及工作原理

便攜式充氮裝置由控制系統、觸摸屏顯示系統、氣路系統構成。該裝置通過采用單片機自動控制和智能傳感器測量技術[6-7]，能夠快速實現發射筒自動放氣和自動充氣，具有功能如下：

1)自動檢測并顯示大氣壓力、環境溫度、環境濕度、筒內濕度和壓力，筒內濕度和壓力超出使用范圍，具有語音和中文提示、報警功能；

2)根據實際大氣壓力值及環境溫度值，自動計算并顯示理論氣壓值；

3)根據計算的理論氣壓值，自動完成發射筒排氣和充氣操作。

便攜式充氮裝置采用以單片機為核心，自動控制各部件協調工作。壓力傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器把當前壓力值、溫度值與當前相對濕度值轉為數字信號，進入單片機運算單元[8]。單片機系統根據本地環境溫度及大氣壓力，自動計算出最適合筒彈保存的理論氣壓值，通過控制電磁閥的通斷來控制自動排氣或充氣，使得發射筒內壓力和濕度滿足要求[9-10]。其工作原理如圖1所示。

圖1 系統結構原理圖

2 系統硬件設計

2.1 控制系統設計

控制系統是便攜式充氮裝置的指揮中心，由于是小型可移動設備，只能選擇單片機或PLC作為控制系統的核心?？紤]到工作環境比較惡劣及工作的可靠性，首先確定采用可靠性較高的單片機為自動控制的核心部件。單片機選擇ATMEL公司的ATmega32L可編程控制器，其可靠性較高，并可靈活選擇I/O端口及A/D模塊，可觀察設備運行參數及靈活修改參數的設定值[11-13]。該單片機具有32 k的片內Flash，1 024字節的EEPROM，2 k字節片內SRAM，其連接原理圖如圖2所示。外部擴張存儲器選用AT24C02，數據掉電不丟失，用來存儲報警信息和幫助信息[14]。通訊芯片選用MAX488，通訊方式為全雙工RS422,該通信方式抗干擾性強，傳輸可靠；輸出控制芯片選用MOC3081，為光電隔離雙向可控硅控制芯片，能有效的驅動電磁閥工作，防止因干擾信號造成電磁閥誤動作；大氣壓力測量選用MS5801大氣壓力傳感器來,測量范圍10～1 300 mbar，測量精度±1.5 mbar，滿足設備測量需要；發射筒內壓力測量選用高性能壓力傳感器DS4525DO，測量范圍可達300 psi；溫濕度測量選用溫濕度傳感器SHT75，溫度測量范圍為-40～+123.8 ℃，濕度測量范圍為0～100 RH，溫度測量精度為±0.3 ℃，濕度測量精度為±1.8 RH[15]。傳感器采集數據傳送至單片機，經過計算后控制電磁閥和顯示器顯示。其硬件連接原理圖如圖3所示。

圖2 單片機電路圖

圖3 控制系統硬件連接原理圖

2.2 觸摸屏顯示系統設計

觸摸屏顯示系統是人機交互的主體，主要將傳感器采集的數據和理論氣壓等以數字形式數據顯示，并有“補氣”、“校準”、“幫助”等3個按鈕。顯示操作屏選用日本三菱公司GOT1000，顯示采用液晶點陣方式,數字顯示環境溫濕度、大氣壓、筒內濕度、筒內壓力及補氣全過程，全部操作過程均采用中文顯示[16]，觸摸屏顯示系統與單片機數據交互采用RS422通信，采用差分信號，能夠有效提高信號的抗干擾能力，接口為DB9連接器。其硬件連接電路圖如圖4所示，觸摸屏顯示界面設計如圖5所示。

圖4 觸摸屏與單片機通信電路圖

圖5 觸摸屏顯示系統主界面

2.3 氣路系統設計

氣路是氮氣從氣源到發射筒的流經的路徑，由于氣源壓力較高，為了保證安全和流量控制的穩定性，本裝置設計兩級減壓，將管路中的氮氣壓力控制在一定范圍內。氣路主要包括減壓器、高耐壓的PU管路、接頭、進氣閥、放氣閥及充氣槍等組成，主要是通過控制系統，控制進氣閥和放氣閥的通斷，從而實現發射筒內氣體的充放[17]。其連接原理見圖6所示。

圖6 氣路原理圖

2.4 結構設計

考慮使用空間限制，在結構設計時重點裝備的尺寸和操作便攜性。便攜式充氮裝置外形尺寸(長×寬×高)設計為：540 mm×420 mm×200 mm。箱體內按功能分布，控制部分位于上層、控制部分往下為氣路部分，底層還分布著附件層及氣瓶儲倉層，觸摸顯示器、開關及報警提示喇叭位于上表面，側面分布著一個進氣口、3個出氣口、電源插頭及濕度傳感器，其他傳感器位于箱體內部[18]，結構如圖7所示。

圖7 充氣設備結構示意圖

3 系統軟件設計

3.1 主流程設計

主程序主要完成數據和顯示的監控功能，主流程的運行時間為0.5 s。系統啟動后，將自動運行初始化程序，檢測各設備硬件是否正常。隨后系統進入主界面。在主界面下，系統自動對環境溫度、大氣壓力、筒內壓力、環境濕度進行監測，如監測數值超出規定范圍，系統進行文字及語音報警，同時根據外界大氣壓力和溫度等條件，計算發射箱內的最佳存儲的理論壓力。

在主界面下用戶可以選擇補氣或幫助選項，操作手觸摸“補氣”鍵，系統進入補氣流程，自動完成補氣操作。幫助界面可以根據需要選擇相應的幫助信息。便攜式充氮裝置應用軟件主流程如圖8所示。

圖8 系統軟件主流程圖

3.2 補氣流程設計

補氣流程是程序中的主要操作流程，為了保證發射筒內壓力穩定，在第一次充氣結束應當穩定10秒后，對筒內壓力再進行判斷。當操作者按壓顯示屏上的“補氣”按鈕，程序進入補氣流程，首先打開排氣閥，開始對發射筒進行排氣，當筒內壓力小于1 kPa時，關閉排氣閥。開始對發射筒進行補氣，并計算充氣達到目標壓力所需的充氣時間，直至到理論時間值，判斷發射箱內氣壓是否大于理論值，若大于，則保壓10秒，時間到達后，對筒內氣壓進行檢測，筒內氣壓達到理論氣壓時，系統自動停止補氣流程并語音提示操作手復位；若筒內氣壓低于理論氣壓，重新計算補氣時間，再次充氣；若筒內氣壓大于理論值，則打開排氣閥進行排氣，直至筒內氣壓滿足理論氣壓(誤差在0.05 kPa之內)，停止補氣流程并語音提示操作手復位[19]。具體見流程圖9。

圖9 補氣程序流程圖

為了便于應急情況的處理，在補氣過程中，再次點擊“補氣”按鍵，此時彈出詢問是否退出補氣界面，此時點擊“是”停止補氣，結束補氣流程；點擊“否”返回補氣運行界面繼續補氣，直至流程結束。

3.3 數據處理流程設計

單片機接收傳感器采集的設備參數，首先對數據進行有效性分析，丟棄無效數據；將有效數據信息轉化為對應壓力、溫濕度值等，并將數據結果顯示在便攜式充氮裝置軟件的界面上[20]。當環境溫度超過45 ℃或低于-30 ℃、環境濕度高于95%RH、大氣壓力高于105.0 kPa、筒內氣壓高于80 kPa時，數據檢測模式會產生溫度、濕度、壓力超限信號，自動啟動顯示報警、語音報警及蜂鳴器報警處理。當參數都恢復在正常取值范圍內時，系統將自動取消各個報警處理。數據報警子程序流程圖如圖10所示。

圖10 數據處理流程圖

4 試驗驗證

對便攜式充氮裝置使用過程中的3種典型的充氮情況進行試驗人工記錄，以驗證充氣流程是否正確。當按壓顯示屏上充氣按鈕開始計時，查看計時和理論充氣時間的一致性，驗證當理論充氣時間結束，筒內氣壓是否達到理論氣壓。

試驗一：環境溫度：23.0 ℃，大氣壓強：101.2 kPa，箱內濕度:35.0%，箱內壓力：5.25 kPa。計算得到理論充氣氣壓為11.60 kPa。

表1 試驗1記錄數據表

試驗二：環境溫度：22.1 ℃，大氣壓強：101.2 kPa，箱內濕度:35.0%，箱內壓力：5.25 kPa。計算得到理論充氣氣壓為11.95 kPa。

試驗三：環境溫度：23.0 ℃，大氣壓強：101.2 kPa，箱內濕度:35.0%，箱內壓力：8.73 kPa，計算得到理論充氣氣壓為11.86 kPa。

表2 試驗2記錄數據表

表3 試驗3記錄數據表

試驗一在第一次理論充氣時間到穩定10 s后，筒內氣壓與理論氣壓相等，充氣完成；試驗二在第一次理論充氣時間到穩定10 s后，筒內氣壓大于理論氣壓，自動進行放氣，放氣結束后，筒內氣壓與理論氣壓相等，充氣完成；試驗三在第一次理論充氣時間到穩定10 s后，筒內氣壓小于理論氣壓，再次進行充氣，充氣結束后，筒內氣壓與理論氣壓相等，充氣完成。

試驗結果表明：便攜式充氮裝置能夠按照設計流程，完成排氣和充氣工作，實際充氣壓力和理論壓力一致。

5 結束語

針對艦載某防空導彈的使用要求，設計一種便攜式充氮裝置。該裝置通過采用單片機自動控制和智能傳感器測量技術，實現了發射筒的自動補充充氣，提高了某艦空導彈發射筒氣密維護設備的自動化水平。該裝置采用便攜式設計能夠滿足艦艇使用空間要求。通過裝置實際充放氣試驗，驗證了軟件設計流程的正確性。該裝置已配備使用多型艦艇，用于某艦空導彈筒彈日常維護，極大地提高了發射箱的充氮效率，受到用戶的廣泛好評。