摘要：為了實現(xiàn)對固體燃料低空模型火箭飛行姿態(tài)自動記錄的需求，提出了一種基于MPU6050模塊的飛行姿態(tài)記錄系統(tǒng)設(shè)計方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。該系統(tǒng)的硬件部分主要用來采集加速度模擬量并進行存儲，軟件部分采用C語言進行編程，完成數(shù)據(jù)讀寫和上傳，數(shù)據(jù)處理借助上位機軟件進行，還原實際飛行姿態(tài)。實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有成本低廉、靈敏度高的特點，達到了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：傳感器;加速度;自動記錄;單片機

固體燃料低空模型火箭在發(fā)射原理和氣動結(jié)構(gòu)上都與實用探空火箭一致，同時具備重量輕、安全性高和價格相對低廉的特點，因此在本科教學及學科競賽中被廣泛使用。

目前的固體燃料低空模型火箭(以下簡稱模型火箭)受到成本和運載能力的限制并未加裝任何傳感器，對于模型火箭發(fā)射后的飛行姿態(tài)大都通過視頻的方式記錄，但是受到模型火箭飛行速度快、拍攝視角固定等問題的限制，傳統(tǒng)的飛行姿態(tài)記錄方式效果并不理想，所得結(jié)果也缺乏進一步討論的價值，缺少量化的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)也制約了模型火箭本身的改進和發(fā)展。可見設(shè)計出一種可量化的飛行姿態(tài)記錄系統(tǒng)非常有必要。

MPU6050模塊有著高速、精確的加速度采集能力，提供SPI和IIC兩種通訊方案，能夠根據(jù)系統(tǒng)程序指令，同時進行線加速度和角加速度的采集工作;M24C08芯片可以存儲1024字節(jié)數(shù)據(jù)，支持IIC通訊協(xié)議，具有體積小、重量輕、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強的特點;單片機以其較高的靈活性和穩(wěn)定性廣泛應(yīng)用在自動控制系統(tǒng)中。本系統(tǒng)既是三者的結(jié)合，由傳感器、存儲器和單片機部分構(gòu)成，對固體燃料低空模型火箭飛行過程中的加速度進行實時采集和記錄，箭體返回后，配合上位機數(shù)據(jù)處理軟件，對加速度數(shù)據(jù)進行處理，最終還原出模型火箭的真實飛行姿態(tài)。

1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及功能描述

系統(tǒng)以STC89C52RC單片機為主控芯片，結(jié)合MPU6050模塊和M24C08芯片，可對模型火箭飛行中的加速度進行實時采集并存儲，模型火箭回收后通過串口通訊將數(shù)據(jù)傳遞給上位機，并在相關(guān)軟件的輔助下進行數(shù)據(jù)處理，最終還原出模型火箭實際飛行姿態(tài)。MPU6050模塊解決了模型火箭高速飛行過程中加速度數(shù)字化的問題，并且具有采集速度快、精度高和可編程控制的特點，M24C08芯片具有支持IIC協(xié)議、重量輕和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強的特點，雖然存儲容量較小，但鑒于模型火箭滯空時間短的特點，其數(shù)據(jù)存儲容量能夠滿足需求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，本系統(tǒng)選擇STC89C52RC單片機為IIC通訊的主機，所有對話由單片機發(fā)起，單片機按照固定時間間隔詢問MPU6050模塊模型火箭實時加速度情況，MPU60 50做出應(yīng)答后單片機向M24C08芯片發(fā)起對話，要求M24C08芯片記錄當前加速度數(shù)值。以上周期性采樣從模型火箭點火開始到飛行完成降落傘開啟結(jié)束不間斷進行，模型火箭回收后，進行數(shù)據(jù)上傳和處理工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

MPU6050模塊、STC89C52RC單片機與M24C08芯片之間采用IIC通訊，其電路圖如圖2所示。本系統(tǒng)設(shè)定只有 STC89C52RC單片機可以發(fā)起對話，其余原件只能做出應(yīng)答，其中STC 89C52RC單片機的P1.2管腳與IIC通訊線路的時鐘線(SCL)連接，P1.3管腳與數(shù)據(jù)線(SDA)連接，程序根據(jù)邏輯需要按照IIC通訊協(xié)議控制時鐘線和數(shù)據(jù)線的電平變化，以發(fā)起所需對話。MPU6050模塊和M24C08芯片都支持IIC通訊，分別將其時鐘管腳和數(shù)據(jù)管腳與通訊線路的相應(yīng)管腳相連接，連接完成后的IIC通訊線路即可實現(xiàn)主從之間的問答式通訊。

實際使用中為了提高采集可靠性，在火箭放飛過程中單片機只固化采集存儲程序，待模型火箭回收后重新給單片機固化相應(yīng)的數(shù)據(jù)讀取程序，數(shù)據(jù)才能被傳遞給上位機，但程序反復固化操作中往往會出現(xiàn)人員誤操作，引起M24C08芯片中的數(shù)據(jù)損壞，導致整個放飛失去意義，因此在M24C08的數(shù)據(jù)管腳設(shè)計了保護跳線，模型火箭回收后斷開保護跳線，待確認程序固化正確后接通跳線，上傳數(shù)據(jù)。

MPU6050模塊是以MPU6050芯片為核心配合必要的外圍器件形成的加速度測量模塊。其中MPU6050芯片整合了3軸陀螺儀和3軸線加速度計，極大的減小了包裝空間，同時避免了加速度計和陀螺儀組合時的軸間差問題，并能夠以400 kHz的速度提供16位精度的加速度數(shù)據(jù)。由于芯片本身對于外圍器件要求較高，因此本系統(tǒng)硬件設(shè)計中選用了MPU6050模塊，保證了數(shù)據(jù)的可靠性。在裝配中采取模塊與主板層疊的安裝方式，進一步減小了整個系統(tǒng)的體積，系統(tǒng)實物圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計及數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)程序設(shè)計包括數(shù)據(jù)采集存儲和數(shù)據(jù)讀取上傳兩部分構(gòu)成，為了提高系統(tǒng)的可靠性，兩部分程序不同時固化在單片機中，在模型火箭發(fā)射時固化數(shù)據(jù)采集存儲程序，模型火箭回收后固化數(shù)據(jù)讀取上傳程序。數(shù)據(jù)采集存儲程序每隔0.1 s采集一組模型火箭加速度值，并存儲到M24C08芯片中，雖然MPU6050可以提供16位精度數(shù)據(jù)，但低八位數(shù)據(jù)抖動嚴重，所以系統(tǒng)只記錄高8位數(shù)據(jù)，這樣M24C08芯片可以記錄170組(每組6個)加速度數(shù)據(jù)，記錄持續(xù)時間為17s。模型火箭點火延時2 s，導軌飛行1秒，滯空飛行14 s，數(shù)據(jù)采集存儲程序工作時間可對3個過程實現(xiàn)完全覆蓋。數(shù)據(jù)讀取上傳程序讀取M24C08中的數(shù)據(jù)并以串口通訊方式傳遞給上位機。

數(shù)據(jù)處理分為數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)預處理和姿態(tài)還原3個部分，數(shù)據(jù)接收部分利用串口助手軟件接收下位機上傳的數(shù)據(jù)，同時將八進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制。數(shù)據(jù)預處理主要是對數(shù)據(jù)進行定性分析：出現(xiàn)角加速度不為零的情況說明模型火箭飛行中出現(xiàn)旋轉(zhuǎn);前2 s(模型火箭靜止狀態(tài))出現(xiàn)X/Y軸線加速度不為零說明發(fā)射架水平度不符合要求;第3 s(模型火箭導軌飛行)開始出現(xiàn)X/Y軸線加速度不為零說明導軌裝配出現(xiàn)問題。在數(shù)據(jù)預處理階段未發(fā)現(xiàn)上述問題則進入姿態(tài)還原階段，該階段借助Matlab軟件對X/Y/Z三軸線加速度進行計算，還原模型火箭飛行姿態(tài)，算法公式如圖4所示。