基于單片機微型電磁炮模擬裝置的研究與設(shè)計

尚坡利 尉雙全 馬偉博 劉振儒 馮方宇

（1蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060；2蘭州工業(yè)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

電磁炮是一種利用電磁場產(chǎn)生的洛倫茲力來對金屬炮彈進行加速，以達到一定動能打擊相應(yīng)目標的裝備[1-2]。其理論基礎(chǔ)是19世紀英國著名科學(xué)家邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)定律，即位于磁場中的導(dǎo)線在通電時會受到力的推動[3]。

與以往基于傳統(tǒng)火藥推動的大炮相比，電磁炮具有以下特點：電磁推動力大，彈丸速度高，攔截困難；彈丸穩(wěn)定性好，命中率高；發(fā)射特征少，隱蔽性好；靈活度高，可以根據(jù)目標環(huán)境調(diào)整發(fā)射指標；發(fā)射成本低[4-5]。本文基于相關(guān)理論基礎(chǔ)，采用STM32單片機及其他附屬裝置實現(xiàn)一款小型電磁炮模擬裝置的研究與設(shè)計方案。

1 設(shè)計方案

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)由以下幾部分模塊構(gòu)成：

控制模塊：采用STM32單片機為控制核心，完成整個系統(tǒng)的管理與控制功能。

信息采集模塊：以openmv作為目標捕捉及測距器件，完成相關(guān)目標的信息采集及處理工作。

顯示模塊：完成相關(guān)指標及數(shù)據(jù)的顯示及反饋工作。

按鍵模塊：完成相關(guān)數(shù)據(jù)的輸入工作。

執(zhí)行模塊：完成模擬炮彈的發(fā)射相關(guān)工作。

系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

2 硬件電路設(shè)計

2.1 控制模塊

該系統(tǒng)采用STM32 單片機作為控制核心。該單片機采用內(nèi)核為ARM32 位Cortex-M3CPU，最高工作頻率72MHz，存儲器采用片上集成32-512KB的Flash存儲器及6-64KB的SRAM存儲器。該單片機具有超低功耗，超強抗干擾能力。

2.2 信息采集模塊

該模塊以O(shè)penMV為核心，輔以云臺作為該模塊協(xié)動機構(gòu)。OpenMV攝像頭是一款小巧，低功耗，低成本的可編程的攝像頭，通過其并采用MicroPython語言可以完成機器視覺應(yīng)用。云臺采用兩臺MG995舵機組合構(gòu)成，可完成2自由度工作。

2.3 顯示模塊

顯示模塊采用LCD1602液晶顯示器作為顯示器件，主要顯示目標距離，目標與中心軸線的偏離角度，及電磁炮工作狀態(tài)。

2.4 按鍵模塊

按鍵模塊的作用在于給電磁炮輸入目標距離及目標與中心軸線的偏離角度。鍵盤使用4*4矩陣鍵盤，采用行列掃描模式。

2.5 執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊主要由發(fā)射模塊，逆變升壓模塊構(gòu)成。

2.5.1 發(fā)射模塊

發(fā)射模塊的實現(xiàn)基礎(chǔ)在于炮管線圈的繞制。在設(shè)計時需要考慮線圈本質(zhì)是電感，具有儲能功能。線圈繞制方案需要根據(jù)實際需求以及所有相關(guān)設(shè)備材質(zhì)進行調(diào)整。為了實現(xiàn)發(fā)射模塊的智能控制，充放電回路均采用單片機輸出控制信號通過S8050三極管來控制繼電器實現(xiàn)。控制作用在于，一是保證充放電不同時進行，二是保證電容上的充電電壓穩(wěn)定。

2.5.2 逆變升壓模塊

為了實現(xiàn)裝置的投射效果，需要賦予設(shè)備較大的能量。可以通過采用直流穩(wěn)壓電源供電采用逆變升壓模塊將直流電逆變?yōu)榻涣麟姴⑸龎海⑼ㄟ^橋式整流電路整流為直流電給并聯(lián)電容充電的方式，以期達到設(shè)計需求。

2.6 其它部分

直流穩(wěn)壓電源模塊：系統(tǒng)中單片機需要的工作電壓為DC12V，由直流穩(wěn)壓電源供電。舵機工作電壓為DC7.5V，采用升壓模塊給舵機進行供電。

放電回路模塊：由于放電瞬間的沖擊電壓非常的大，沖擊電流也很高，模塊通過接觸器接通放電回路。

3 軟件設(shè)計

該設(shè)計采用了目標自動識別打擊模式以及人工定位打擊模式，可根據(jù)實際需求改變控制方式。在目標自動識別打擊模式下，由信息采集模塊完成目標體的識別及測距工作，再通過云臺裝置調(diào)整炮管水平及垂直角度，以期達到對目標物體的準確打擊效果。在人工定位打擊模式下，由操作者完成距離及水平角度的設(shè)定進而實現(xiàn)設(shè)定位置的打擊。

4 測試及結(jié)論

在系統(tǒng)設(shè)計完成之后進行測試。通過測試發(fā)現(xiàn)電容放電電壓大小，線圈繞制匝數(shù)，線圈繞制長度，炮管仰角大小，炮管材質(zhì)，球材質(zhì)，彈丸重量大小及放置位置等因素均能夠影響炮彈彈出距離。通過測試，該裝置基本可以實現(xiàn)較為準確的命中率，在下一步的研究中，可以對相關(guān)指標進一步校準以期達到更高的設(shè)備性能。