本发明涉及一种可以装配到火箭模型中记录飞行过程中飞行参数的记录仪。
背景技术：
目前有很多学校开设火箭原理课程，让学生参与了解火箭飞行过程，能够发射的火箭模型成为很多学校用于教学的必备器材。火箭模型的飞行过程分为发射点火、助推过程、滑行过程、打开降落伞、减速降落等过程。
然而普通的火箭模型教学只是简单的组装发射和回收火箭，并没有对火箭飞行姿态的变化做进一步的剖析，如何检测火箭模型处在哪一个飞行过程对于学生理解火箭飞行原理非常关键。
技术实现要素：
为了解决现有课堂火箭模型试验教学无法获取到火箭详细飞行数据及无法分析火箭模型飞行姿态的问题，本发明提供一种可以装配到火箭模型载荷舱中的微型记录仪，在随火箭飞行的整个过程可以实时记录火箭模型的加速度和压强的变化，并能够根据这些变化判断出当前火箭模型处于哪个飞行姿态。
本发明的教学用火箭模型飞行记录仪，采用以下技术解决方案：
该记录仪，包括电池管理电路、主控电路、存储电路、气压检测电路、加速度检测电路、电源稳压电路；电池管理电路、主控电路、存储电路、气压检测电路和加速度检测电路均与电源稳压电路与连接，存储电路、气压检测电路、加速度检测电路、电源稳压电路和数据通讯电路均与主控电路相连。
所述电池管理电路，包括电池、充电管理芯片和接口电路，充电管理芯片的输入端与接口电路相连，充电管理芯片的输出端与电池相连。所述充电管理芯片上连接有用于控制最大充电电流的接地电阻。所述充电管理芯片的输入端和输出端连接有滤波电容。
所述主控电路，包括单片机、晶振、分压电阻、按键和显示屏，晶振、分压电阻、按键和显示屏均与单片机相连，单片机通过分压电阻与电池管理电路中的电池连接。所述晶振与电容相连，为单片机提供时间基准。所述按键与单片机的唤醒管脚相连，可将单片机从睡眠状态下唤醒。
所述存储电路为存储芯片，存储芯片的供电端与电源稳压电路相连，存储芯片的通讯管脚与主控电路中的单片机相连。
所述气压检测电路为气压检测芯片，气压检测芯片的供电端与电源稳压电路相连，气压检测芯片的通讯管脚与主控电路中的单片机相连。该电路用于判断火箭模型的飞行高度。
所述加速度检测电路为三轴加速度芯片，三轴加速度芯片的供电端与电源稳压电路相连，三轴加速度芯片的通讯管脚与主控电路中的单片机相连。
所述电源稳压电路，包括两个低压差线性稳压芯片，第一低压差线性稳压芯片的输入端与主控电路中的电池相连，输出端与主控电路中的单片机供电端相连，第二低压差线性稳压芯片的输入端与主控电路中的电池相连，输出端与存储电路、气压检测电路和加速度检测电路相连，控制端与主控电路中的单片机相连。单片机通过控制第二低压差线性稳压芯片的控制端的电压来控制其它电路的电源。
上述火箭飞行记录仪利用加速度检测电路和气压检测电路实时检测火箭模型在飞行过程中加速度和气压的变化，通过数据处理可实现对火箭模型的飞行数据记录、存储和查看功能，可记录火箭模型飞行过程中的10个数据：最大高度、最大速度、助推时间、最大加速度、平均加速度、熄火到最高点时间、最高点到释放降落伞时间、释放降落伞高度、匀减速度、降落时间。
本发明在随火箭模型飞行的整个过程可以实时记录火箭模型的加速度和压强的变化，并能够根据这些变化判断出当前火箭模型处于哪个飞行姿态，解决了现有火箭模型实验教学无法获取到火箭详细飞行数据及无法分析火箭模型飞行姿态的问题。
附图说明
图1是本发明教学用火箭模型飞行记录仪中的电池管理电路的原理图。
图2是本发明教学用火箭模型飞行记录仪中的主控电路的原理图。
图3是本发明教学用火箭模型飞行记录仪中的存储电路的原理图。
图4是本发明教学用火箭模型飞行记录仪中的气压检测电路的原理图。
图5是本发明教学用火箭模型飞行记录仪中的加速度检测电路的原理图。
图6是本发明教学用火箭模型飞行记录仪中的电源稳压电路的原理图。
具体实施方式
本发明的教学用火箭模型飞行记录仪，包括电池管理电路、主控电路、存储电路、气压检测电路、加速度检测电路和电源稳压电路，电池管理电路、主控电路、存储电路、气压检测电路和加速度检测电路均与电源稳压电路相连，存储电路、气压检测电路、加速度检测电路、电源稳压电路和数据通讯电路均与主控电路相连。
如图1所示，电池管理电路包括电池J4、充电管理芯片U5和USB接口电路J2，充电管理芯片U5的输入端与USB接口电路J2相连，充电管理芯片U5的输出端与电池J4相连。电池采用110mAh锂离子聚合物电池，既保证了记录仪的轻量化设计，又满足了多次实验需要。接地电阻R9连接到充电管理芯片U5的6脚，用于控制最大充电电流。电容C15和C16分别连接到U5的输入端和输出端，用于滤波。电池管理电路通过USB接口取电。
如图2所示，主控电路包括单片机U1、晶振Y2、电阻R1、电阻R2、按键S1和显示屏J5，晶振Y2、电阻R1、电阻R2、按键S1、显示屏J5均与单片机U1相连。电阻R1和电阻R2串联，用于将电池J4的电压分压，分压后的电压信号输入到单片机U1的ADC输入管脚，用于ADC转换计算电池电量，以检测电池电量。晶振Y2与电容C1和电容C2相连，为单片机U1提供时间基准，其频率为8MHz。按键S1用于单片机的唤醒和显示菜单的切换选择，与单片机U1的唤醒管脚相连，可将单片机从睡眠状态下唤醒。开机时长按按键S1，单片机U1通过外部唤醒的方式进入工作状态，关机时长按S1，单片机U1在检测到这一变化后就会进入休眠状态，降低功耗。显示屏J5通过IIC接口与单片机U1通信，显示屏J5选用OLED显示屏，分辨率为128*32。
如图3所示，存储电路为存储芯片U6，存储芯片U6的供电端与电源稳压电路相连，存储芯片U6的通讯管脚与单片机U1相连。存储芯片U6用于存储火箭模型飞行过程中的所有数据，存储芯片U6通过SPI接口与单片机U1通信。
如图4所示，气压检测电路为气压检测芯片U2(气压传感器芯片)，气压检测芯片U2的供电端与电源稳压电路相连，气压检测芯片U2的通讯管脚与单片机U1相连。本发明中的气压检测芯片采用分辨率可达到10cm的高分辨率气压传感器芯片，可以很好的判断火箭模型的飞行高度。
如图5所示，加速度检测电路为三轴加速度芯片U4，三轴加速度芯片U4的供电端与电源稳压电路相连，三轴加速度芯片U4的通讯管脚与单片机U1相连。三轴加速度芯片U4能够满足火箭模型的检测需求。由于火箭模型的初速度是零，火箭飞行记录仪根据测得的加速度值，再通过积分的形式就可以求得火箭模型当前的瞬时速度。
如图6所示，电源稳压电路包括低压差线性稳压芯片U3、低压差线性稳压芯片U7、电阻R6以及C12、C13、C18和C19四个电容,电阻R6接到U7的使能管脚，负责在关机状态下关断除单片机U1以外的其它电路的电源，电容C12、C13、C18和C19起到滤波功能。低压差线性稳压芯片U3的输入端与电池J4相连，输出端与单片机U1的供电端相连，低压差线性稳压芯片U3始终为单片机U1提供电源。低压差线性稳压芯片U7的输入端与电池J4相连，输出端与存储电路、气压检测电路和加速度检测电路相连，控制端(3脚)与单片机U1相连，单片机U1通过控制低压差线性稳压芯片U7的控制端的电压来控制其它电路的电源。
以上涉及的各种芯片均为现有技术。
上述记录仪采用轻量化设计，使用透明热缩管紧缩作为外壳，最外面使用珍珠棉作为缓冲物质，整体装载到火箭模型的载荷舱中，随火箭模型一起发射。该飞行记录仪具有自动监测火箭模型飞行姿态的功能，通过监测当前火箭模型的三轴加速度值的变化以及压强的变化判断出当前火箭模型的飞行姿态，使用时将其设置到飞行待命状态下(通过程序中的按键调整菜单)，放置到火箭模型的载荷舱中，飞行记录仪会通过加速度检测电路实时监测火箭模型的加速度变化。
使用时，在检测到火箭竖直向上静止10秒钟后会进入准备模式，此模式下三轴加速度芯片U4会实时监测火箭的加速度数据，当加速度大于设定值时会触发飞行记录仪进入运行模式。运行模式下三轴加速度芯片U4和气压检测芯片U2会实时检测火箭的加速度和气压值，并根据测得的数据计算出当前火箭的速度、合加速度和高度。
合加速度a由以下公式得出：
其中ax、ay、az分别为x、y、z三个轴的加速度值。
求出了合加速度，根据公式V＝V0+at，由于火箭模型的初速度为0，则求速度的公式为：
V＝at
火箭飞行记录仪每0.005s通过加速度检测电路采样一次火箭模型的当前加速度数据，那么根据以下公式可得出火箭模型的当前速度：
V＝a1*0.005+a2*0.005+a3*0.005.......+an*0.005
即：V＝(a1+a2+a3.......+an)*0.005 ②
火箭模型的高度h则是通过以下算式得出：
h＝(RT/gM)*ln(p0/p) ③
其中：
R为常数8.51
T为热力学温度
g为重力加速度9.8
M为空气的气体分子量
p0为火箭模型静止时采样得到的大气压值
p为当前高度的大气压值
存储芯片U6实时存储所测得的加速度、合加速度、速度、气压和高度，并通过USB接口导入到计算机当中，可以随时对导出的数据进行分析，利用导出的数据来推测物体的飞行状态和高度。
根据以上数据推算出当前火箭的姿态，并根据姿态算出10种飞行参数，这10种飞行参数分别是：最大高度、最大速度、助推时间、最大加速度、平均加速度、熄火到最高点时间、最高点到释放降落伞时间、释放降落伞高度、匀减速度和降落时间。飞行过程中的10个参数在火箭模型落地后会通过显示屏循环显示。以下给出10中飞行参数的定义和计算方法：
火箭模型的合加速度、速度和高度通过上述公式①②③得到，10个飞行参数则是单片机根据加速度、速度和高度这三个量并结合火箭模型各个方向的加速度的变化得出的。
1.最大高度
最大高度为火箭模型所达到的最大高度，单片机U1通过不断的比较当前高度和上次采样计算得出的高度即可得出最大高度。
2.最大速度：最大速度的得出方式和最大高度类似。
3.助推时间：单片机U1通过采样火箭模型竖直向下方向的加速度大小，当这个数值与重力加速度值相等时，此时火箭处于失重状态，从火箭模型发射到此状态的时间即为助推时间。
4.最大加速度：最大加速度的得出方式和最大高度类似。
5.平均加速度：平均加速度计算的是火箭从开始发射到最大速度的平均加速度，用最大速度除以助推时间即可得出平均速度。
6.熄火到最高点时间：火箭模型的发动机在熄火后会借助惯性继续上升一段高度，这段高度的时间就是熄火到最高点时间。通过记录火箭模型从开始失重到最高点的时间即可得出。
7.最高点到释放降落伞时间：火箭模型会在达到最高点后的很小一段时间后再释放降落伞，降落伞的释放会伴随着沿火箭箭体方向一个很大的加速度，火箭飞行记录仪通过监测火箭模型加速度值的这一变化来记录释放降落伞时间。
8.释放降落伞高度：监测到火箭模型释放降落伞时记录的高度。
9.匀减速度：通过监测火箭模型的合加速度等于重力加速度时来确定火箭模型落地，匀减速度为火箭模型从最大速度到落地的平均减速度值。
10.降落时间：降落时间记录的是从监测到火箭模型打开降落伞到落地的时间。