基于蓝牙的人影火箭发射控制器的仿真设计

晁增元

（石家庄市人工影响天气中心，石家庄 050081）

1 引言

火箭作业系统是目前人工影响天气（以下简称“人影”）工作中使用的重要作业装备之一，而且其发展呈逐年上升的趋势，应用范围不断扩大。火箭作业系统主要包括火箭弹、火箭发射架、发射控制器和其他附件。其中发射控制器是提供火箭弹发射指令和火箭弹点火能量的设备，具有识别火箭弹发射通道线路通断状况和检测线路电阻的功能，并为火箭弹安全可靠的发射提供点火冲能。

目前，在用的各种型号的发射控制器均存在智能化水平不高、功能单一不易升级、体积笨重不宜携带等问题。本文设计的以单片机为核心的发射控制器，在具备通道阻抗检测、点火储能等基本功能的基础上，增加了电压实时监测、通道自动选择等多项智能化定制功能，同时依托智能手机强大的数据处理能力和低功耗蓝牙通信技术，以更便捷的方式实现了对发射控制器的遥控操作。

2 电路总体设计

基于蓝牙技术的发射控制器主要由单片机、蓝牙模块、检测电路、发射电路、通道选择电路和电源构成。电路组成框图如图1所示。

图1 火箭发射控制器组成框图

终端用户的智能手机与火箭发射控制器之间通过蓝牙建立无线连接，并在作业安全距离（＞30m）下通过APP 远距离控制火箭发射控制器。在“检测模式”下，检测电路和通道选择电路在单片机的控制下对火箭弹发射通道逐个进行阻值检测，并将检测数据通过蓝牙模块实时传送至用户的智能手机；在“发射模式”下，发射电路开始储存点火能量，当储能达到要求时停止工作。通道选择电路根据用户的选择接通相应的发射通道，从而激发火箭弹点火发射。

2.1 检测电路设计

检测电路的主要功能是产生恒定的微电流，用以检测火箭弹发射通道的电阻值是否满足发射要求，并将各个发射通道的检测电压值经过放大处理后发送到单片机进行采样计算处理。检测电路原理图如图2所示。

图2 检测电路原理图

运算放大器LM324的U1A、U2B 和外围元件组成的1mA 的恒流源电路。其中U1A 构成差动电压放大器，U2B 构成电压跟随器，检测电流通过图中的TV 端输送至通道选择电路。基于安全考虑，当检测电压大于0.7V 时，三极管Q1导通，从而防止火箭弹意外点火。

发射通道阻抗要求≤5Ω，检测电流为1mA 时检测电压值≤5mV。运算放大器U3C、U4D 和外围元件组成的信号调理电路，完成对检测电压的放大（200倍）处理。其中U3C 放大100倍，U4D 在放大2倍的同时在其同相端输入由TL431产生的2.5V 基准电压，从而构成加法电路，以保证单片机对检测电压值的精准采样。

继电器K0的常闭触点接地时，对放大电路输出的失调电压进行采集和计算；K0的常开触点接通发射通道时开始采集检测电压，最终由单片机程序完成对放大电路的实时“调零”处理，从而保证了对发射通道阻抗检测的准确度。

2.2 发射电路设计

发射电路的主要功能是为火箭弹安全可靠的发射提供能量。电路采用推挽式DC/DC 变换拓扑结构，具有结构简单、稳定可靠的特点。发射电路原理图如图3所示。

图3 发射电路原理图

发射电路以SG3525集成PWM 控制芯片为核心。变压器T1初级中心抽头连接电源，SG3525 的11 和14 引脚输出31kHz 驱动脉冲控制Q2和Q3的交替开通，在变压器T 的次级输出的高频脉冲电压经过整流后为储能电容充电。取样电阻R29和R30对储能电容的电压UCL 分压后，送至单片机的模拟比较器端口AIN0与AIN1进行比较。当UCL≥85V 时，单片机输出高电平至SG3525的第10引脚关闭驱动脉冲，防止UCL 持续升高击穿储能电容。当通道选择电路接通相应的发射通道时，UCL 迅速释放，从而激发火箭弹点火发射。

2.3 单片机与蓝牙模块电路设计

以Atmega16单片机和HC-08蓝牙模块构成控制和通信电路，是发射控制器的核心电路。其主要功能是通过接收和解析用户的指令，从而完成对其他各个功能电路的控制管理，并将相关信息实时发送至智能手机。单片机控制电路如图4所示。

HC-08是基于低功率蓝牙系统单晶片CC2540的蓝牙串口通信模块。单片机与HC-08通过串口电路完成数据的传输，智能手机通过BLE 蓝牙实现与HC-08之间的通信连接。

稳压二极管D1和分压电阻R2、R3组成电池电压检测电路。检测时，单片机的PB0引脚输出高电平，经电阻R2、R3分压后的电压输入PA0引脚，最终由单片机完成对输入电压的采样和计算处理，并将电压值通过蓝牙模块发送到智能手机端。

图4 单片机控制电路原理图

2.4 通道选择和电源电路设计

通道选择电路由达林顿管阵列ULN2003A 和继电器组成，其主要功能是在单片机的控制下，实现发射电路或检测电路与发射通道之间的电气连接。以2个发射通道为例，电路原理图如图5所示。

图5 通道选择电路原理图

ULN2003A 用以驱动连接各个发射通道的继电器。继电器K1的常闭触点连接检测电路输出端口TV；常开触点连接发射电路的输出端口FV。继电器K2、K3的公共脚连接负载RL1（火箭弹1）和RL1（火箭弹2）；常闭触点接地，防止在非工作状态下火箭弹意外点火。

3 软件设计

单片机的软件采用C 语言设计，并遵循模块化设计思路。根据功能划分为：系统初始化、串口通信、采样处理和电压监测等多个模块。软件流程图如图6所示。

串口通信模块的功能包括：配置蓝牙模块的基本参数、接收和解析用户指令、发送数据等。

采样处理模块主要是对发射通道的阻抗测量电压值进行采样和数字滤波处理，并根据检测电路的放大倍数和失调电压的比例关系换算出发射通道的阻抗值。

4 仿真测试

图6 单片机软件流程图

利用Saber 和Proteus 分别对发射电路、检测电路、单片机控制电路和通道选择电路进行了仿真分析，结果表明电路设计符合技术指标要求。发射电路仿真波形如图7所示。

图7 发射电路仿真波形

蓝牙模块HC-08与智能手机之间的通信进行了实际测试，在空旷无遮挡的环境下可实现在安全距离（＞30m）内的无线通信，完全满足操作发射控制器的的要求。

5 结束语

本文介绍了一种基于蓝牙通信的无线火箭发射控制器的设计方法。该发射控制器是以Atmega16单片机为核心，结合HC-08蓝牙模块和其它功能电路模块组成的一套智能控制系统，具有成本低廉、集成度高、智能化、易升级的特点，适用于多种型号的火箭弹。通过仿真分析，电路设计方案有效可行，能够满足工程应用的技术要求。