基于无线数据传输的水火箭动态监测系统的设计与实现*

陈 鹏 黄宇新 张宇智 郭志兴 杨正波

(湖北文理学院物理与电子工程学院 湖北 襄阳 441053)

1 研究背景及意义

水火箭作为一种科普教学仪器和动手制作类科技作品,是很多中小学校的特色科技比赛项目,也是中小学开展科技活动的经典项目之一，深受青少年朋友的喜爱.水火箭可以让青少年直观了解火箭发射原理、导弹飞行轨迹,可作为中学生探究牛顿第一、第二、第三定律的实验探究课题.本系统利用高度计、加速度计对高度、加速度等物理量进行监测，能够实时监测、显示水火箭飞行状态，同时还可利用监测数据控制降落伞的打开.增强学生在此活动中积极探究,把科学原理付诸自己设计的项目中去体验去改进.能很好地激励青少年学生参与科普创作,促进科学思想、科学精神、科学方法和科学知识的传播和普及,从而培养青少年学生的科学素养、技术素养、工程素养、数学素养,提高青少年学生的科技兴趣[1].

2 系统总体设计

整个水火箭动态监测系统由水火箭、主控监测端、PC端3大部分组成.其中水火箭部分设计了水火箭外形、伞舱的结构和主控、舵机的安装，该部分需要确保水火箭的正常发射以及舵机的正常开伞.主控监测端主要以STM32RCT6为核心，结合MS5611高度计、MPU6050加速度计、WIFI模块组成基本的监测系统，它能够实时监测水火箭的高度、温度、气压、加速度等信息.PC端主要利用WIFI模块接收由主控监测端传来的水火箭飞行时的数据信息，并通过上位机软件将信息用波形图、柱状图等形式展示出来，达到实时监测的目的.PC端也可手动发送控制伞舱门的信号，并反馈至STM32RCT6单片机，使得舵机打角开伞，保证了水火箭更安全的回收.系统的整体结构框图如图1所示.

图1 系统结构框图

3 硬件设计

3.1 主控部分

主控部分包含STM32RCT6最小系统电路、MS5611气压传感器、加速度传感器、WIFI模块、数字舵机、LED显示电路.系统利用气压传感器、加速度传感器对飞行中的水火箭进行实时数据监测，WIFI模块与PC端上位机进行通信，并把姿态信息用直观的波形图展示，同时也可以通过PC端上位机向主控板发送开伞的信号使舵机打角开伞，保证水火箭更安全地回收.

3.2 MS5611传感器

MS5611气压传感器是由MEAS(瑞士)推出的一款SPI和I2C总线接口的新一代高分辨率气压传感器，分辨率可达到10 cm[2].MS5611提供了一个精确的24位数字压力值和温度值以及不同的操作模式，可以提高转换速度并优化电流消耗.高分辨率的温度输出无须额外传感器可实现高度计/温度计功能.

4 水火箭制作与发射

本系统采用水火箭发射时所需的基本结构方案，即通过组合市面上常见的发射架、打气筒、塑料结构的水火箭尾翼以及水火箭头构成水火箭发射的基本结构，如图2所示.在水火箭头部设计了橡皮筋网状结构的伞舱，利用固定后的橡皮筋产生的内部弹力，更利于舱门弹开后降落伞的正常释放.伞舱设计如图3所示.

图2 水火箭发射基本结构

图3 伞舱结构

5 软件设计

软件设计流程图如图4所示.

图4 软件设计流程图

5.1 数据测量系统

数据测量系统以STM32F103RCT6作为主控，通过该主控完成对水火箭数据的采集，最后发送给PC端，进行实时显示.数据测量系统主要分为高度测量和加速度测量两部分.

高度测量部分采用MS5611气压传感器，通过测量得到气压和环境温度信息，根据该传感器使用手册提供的转换公式，可以得到水火箭当前所处高度.加速度测量部分采用MPU6050传感器，它可以获取加速度和角速度信息.单片机得到数据后通过处理，得到水火箭当前加速度数据和姿态信息，并发送给上位机端进行显示.

5.2 装置保护系统

为避免装置在着陆时冲击地面而导致损坏，我们设计制作了一套保护系统来确保水火箭的可回收性，即装置保护系统.装置保护系统可分为开伞检测和舵机开伞两种状态.

开伞检测是指水火箭从最高点落下后单片机对其进行实时状态判断，当降落到一定高度时进入舵机开伞状态.

舵机开伞状态是继开伞检测的下一状态，当高

度符合要求时执行舵机开伞，让舵机转动，打开降落伞来增加阻力，从而保证装置的安全着陆.

5.3 上位机监测系统

上位机显示效果如图5和图6所示.

图5 上位机监测系统效果图(1)

图6 上位机监测系统效果图(2)

上位机在工业控制当中又被称为HMI,就是一台计算机，它的作用是监控现场设备的运行状态，当现场设备出现问题时，上位机上就能显示出各设备之间的状态(如正常、报警、故障等).

为了能够实时观察水火箭的状态，我们采用了伏特加上位机与单片机端进行数据交互，主要用它来测量水火箭在空中的数据，其中包括高度、加速度、气压、温度和姿态信息等，并将这些数据进行图形化显示，从而达到监测系统状态的效果.

6 结束语

本文设计了一款基于无线数据传输的水火箭动态监测系统.该设计采用STM32F103RCT6单片机进行开发，通过WIFI模块与PC端上位机保持信号传输.本系统利用传感器采集技术、无线通信技术，设计出一套基于无线数据传输的水火箭动态监测系统，该系统能够实时监测水火箭飞行过程中的数据信息，为水火箭竞赛参与者提供了调试方便，也可作为裁判系统辅助裁判与教学辅助.