基于藍(lán)牙的多管電磁發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王澤民，薛廣辰

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安，710021）

基于藍(lán)牙的多管電磁發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王澤民，薛廣辰

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安，710021）

針對(duì)多管連發(fā)電磁發(fā)射裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用了藍(lán)牙與單片機(jī)通訊的方法，研究并分析了電磁發(fā)射機(jī)理與多管連發(fā)發(fā)射技術(shù)，設(shè)計(jì)了單片機(jī)總體控制與驅(qū)動(dòng)電路、電磁發(fā)射電路與藍(lán)牙控制電路。通過(guò)8管電磁發(fā)射裝置的連發(fā)射擊試驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)最高射速為12000發(fā)/分鐘的多管連發(fā)射擊。

電磁發(fā)射；多管連發(fā)；單片機(jī)；藍(lán)牙

0　引言

電磁發(fā)射裝置是利用電磁場(chǎng)對(duì)鐵磁性彈丸產(chǎn)生的磁場(chǎng)力，實(shí)現(xiàn)彈丸發(fā)射的裝置。與傳統(tǒng)的依靠空氣膨脹發(fā)射方式相比，由于其具有更加安全可靠、能源相對(duì)簡(jiǎn)易、受控性與隱蔽性好等特點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注。本文所研究的電磁發(fā)射裝置應(yīng)用線圈炮原理，將加速線圈固定在炮管中，通入交變電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)與彈丸線圈中的感應(yīng)電流磁場(chǎng)互相作用，產(chǎn)生電磁場(chǎng)力，使彈丸加速運(yùn)動(dòng)并發(fā)射出去。采用藍(lán)牙技術(shù)控制電磁發(fā)射裝置的繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射裝置的儲(chǔ)能與發(fā)射控制，達(dá)到操作簡(jiǎn)便、安全可靠及人性化控制的效果。

1　電磁發(fā)射機(jī)理

電磁發(fā)射裝置主要由電源、固定線圈、彈丸（可動(dòng)線圈）組成，如圖1所示。

圖1　電磁發(fā)射裝置工作原理

其中電源主要選用大功率儲(chǔ)能電容，彈丸選擇鐵磁性物質(zhì)。當(dāng)電容充滿電，通過(guò)放電開關(guān)使放電回路接通，此時(shí)，就會(huì)有瞬間脈沖大電流通過(guò)電容到達(dá)固定線圈，從而使線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。固定線圈產(chǎn)生的瞬態(tài)磁場(chǎng)會(huì)使彈丸產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而通過(guò)相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，使得彈丸受到洛倫茲力后產(chǎn)生加速，進(jìn)而從炮管內(nèi)射出。

彈丸所受到的力可表示為：

其中F為洛倫茲力、If是固定線圈的電流強(qiáng)度、IP是彈丸的電流強(qiáng)度、M為固定線圈與彈丸的互感、dM/dx是互感梯度。

電磁發(fā)射器系統(tǒng)方程可表示為：

其中Ld、Id、 Lp、 Ip分別為固定線圈和彈丸的自感和電流、M為兩線圈互感。

2　基于藍(lán)牙的電磁發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2是本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。通過(guò)藍(lán)牙控制終端來(lái)進(jìn)行藍(lán)牙充電控制，給充電端一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，使得充電端的藍(lán)牙裝置產(chǎn)生一個(gè)高電平，以此驅(qū)動(dòng)繼電器，使繼電器觸點(diǎn)由常開變常閉，從而使得充電回路導(dǎo)通，對(duì)每一路電磁發(fā)射裝置進(jìn)行充電。當(dāng)達(dá)到充電電壓后，通過(guò)藍(lán)牙控制裝置給藍(lán)牙充電端發(fā)射一個(gè)關(guān)斷信號(hào)，使得繼電器觸點(diǎn)再由常閉變常開，通電回路斷開，充電完成。

當(dāng)充電完成后，要進(jìn)行發(fā)射請(qǐng)求時(shí)，首先通過(guò)藍(lán)牙控制終端進(jìn)行放電控制命令，藍(lán)牙放電端與單片機(jī)相連，不同的藍(lán)牙命令產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，通過(guò)藍(lán)牙與單片機(jī)之間的通訊，改變單片機(jī)的狀態(tài)，再通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路使得信號(hào)能夠達(dá)到可控硅導(dǎo)通的條件，從而達(dá)到對(duì)發(fā)射裝置的控制。在定義時(shí)，多個(gè)單片機(jī)的I/O口對(duì)應(yīng)控制多個(gè)發(fā)射裝置，當(dāng)I/O口為低電平時(shí)，保持不變，當(dāng)為高電平時(shí)，觸發(fā)控制單元，使得放電回路導(dǎo)通，達(dá)到對(duì)發(fā)射裝置進(jìn)行放電。通過(guò)控制不同的單片機(jī)I/O口，對(duì)各個(gè)不同線路電磁發(fā)射裝置進(jìn)行發(fā)射控制；當(dāng)要進(jìn)行同步或序列發(fā)射時(shí)，對(duì)應(yīng)控制單片機(jī)I/O口參數(shù)，達(dá)到同步或序列發(fā)射要求。

圖2　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的硬件電路主要有三類：?jiǎn)纹瑱C(jī)總體控制與驅(qū)動(dòng)電路、藍(lán)牙模塊電路和電磁發(fā)射裝置電路三大部分組成。

2.1.1單片機(jī)總體控制與驅(qū)動(dòng)電路

單片機(jī)總體控制與驅(qū)動(dòng)電路如下圖3所示。它主要由五部分構(gòu)成，分別是單片機(jī)控制系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示、按鍵系統(tǒng)、流水燈檢驗(yàn)電路以及驅(qū)動(dòng)電路。

在單片機(jī)總體控制電路與驅(qū)動(dòng)電路中，核心芯片是單片機(jī)89C52，采用最小系統(tǒng)，利用動(dòng)態(tài)數(shù)碼管來(lái)顯示序列發(fā)射時(shí)的時(shí)間間隔；由于單片機(jī)I/O口本身電流很小，很難驅(qū)動(dòng)發(fā)射裝置的可控硅，故加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，使得單片機(jī)觸發(fā)電流能夠達(dá)到可控硅觸發(fā)電流要求；用按鍵對(duì)其進(jìn)行控制，八個(gè)按鍵可分為：個(gè)位時(shí)間+、個(gè)位時(shí)間—、十位時(shí)間+、十位時(shí)間-、百位時(shí)間+、百位時(shí)間-、序列單發(fā)、序列連發(fā)。

2.1.2藍(lán)牙模塊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的HC-05主從一體藍(lán)牙模塊，該模塊輸入電壓3.6-6V，采用LED指示藍(lán)牙連接狀態(tài)，功率等級(jí)為CLASS 2，空曠地有效距離為10米，當(dāng)配對(duì)成功后，采用全雙工方式，支持8為數(shù)據(jù)位、1為停止位、可設(shè)置奇偶校驗(yàn)的通信格式，支持從4800bps-1382400bps間的標(biāo)準(zhǔn)波特率。

圖4為藍(lán)牙模塊電路圖，模塊工作電壓為+5V，S1為進(jìn)入AT模式按鈕，通過(guò)S1，可快速實(shí)現(xiàn)進(jìn)入AT模式，進(jìn)行相關(guān)指令操作。

模塊共有6個(gè)外接接口，分別為STATE、RXD、TXD、VCC、GND、KEY。其中VCC、GND分別接+5V跟地線。當(dāng)為藍(lán)牙充電控制時(shí)，KEY接繼電器的IN端，通過(guò)控制KEY的高低電平進(jìn)而控制繼電器的通斷；當(dāng)為藍(lán)牙放電控制時(shí)，VCC、GND分別接+5V跟地線，RXD、TXD分別接單片機(jī)的TXD、RXD，以此進(jìn)行與單片機(jī)的通訊，改變單片機(jī)的狀態(tài)，從而達(dá)到對(duì)發(fā)射裝置的控制。在定義時(shí)，多個(gè)單片機(jī)的I/O口對(duì)應(yīng)控制多個(gè)發(fā)射裝置，當(dāng)I/O口為低電平時(shí)，保持不變，當(dāng)為高電平時(shí)，觸發(fā)控制單元，使得放電回路導(dǎo)通，達(dá)到對(duì)發(fā)射裝置進(jìn)行放電。由于存在序列單發(fā)和序列連發(fā)情況，設(shè)置了特殊的兩種狀態(tài)，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的控制，完成單序列單發(fā)/連發(fā)操作。

圖3　單片機(jī)總體控制電路與驅(qū)動(dòng)電路

圖4　藍(lán)牙模塊電路圖

2.1.3電磁發(fā)射電路設(shè)計(jì)

如5所示，是每個(gè)單獨(dú)發(fā)射裝置的電路圖，通過(guò)繼電器開通，使得電容能夠進(jìn)行充電，當(dāng)達(dá)到電容的額定電壓后，斷開斷路器，充電過(guò)程完成。

在放電端，選擇可控硅作為放電開關(guān)，因?yàn)榭煽毓杈哂辛己玫男‰娏鲗?dǎo)通性，只要給它一個(gè)很小的電流，就能夠使得可控硅導(dǎo)通，達(dá)到以小電流控制大電流的效果。當(dāng)要進(jìn)行放電操作時(shí)，單片機(jī)I/O口通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，產(chǎn)生一個(gè)足以使可控硅導(dǎo)通的電流，使得可控硅導(dǎo)通，此時(shí)，電容的電壓瞬間加載到線圈上，產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，使得與線圈相連的槍管內(nèi)的彈丸受到很大的洛倫茲力，從而產(chǎn)生足夠的加速度，使得子彈飛出槍管。

3　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本文的軟件設(shè)計(jì)主要是關(guān)于中斷程序的設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行中斷服務(wù)，開中斷，進(jìn)入中斷入口，緊接著讀取寄存器數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)類型，根據(jù)需求，主要分為兩種數(shù)據(jù)類型，一類是調(diào)節(jié)間隔時(shí)間，另一類是控制序列發(fā)射；如果寄存器中的數(shù)據(jù)是有關(guān)于調(diào)節(jié)間隔時(shí)間的，則調(diào)用調(diào)節(jié)間隔時(shí)間子程序；相反的，如果寄存器中的數(shù)據(jù)是有關(guān)于控制序列發(fā)射的，則進(jìn)行序列單發(fā)/連發(fā)子程序。最后，中斷服務(wù)結(jié)束，跳出中斷。具體情況如圖6所示流程圖。

圖5　電磁發(fā)射裝置電路設(shè)計(jì)

圖6　中斷服務(wù)流程圖

4　試驗(yàn)與分析

本文所用每個(gè)單獨(dú)的發(fā)射子系統(tǒng)采用兩只額定容量為450V，1000uF的電容。控制電容電壓在300V左右，利用藍(lán)牙充電控制各個(gè)發(fā)射系統(tǒng)電容充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到300V時(shí)，斷開繼電器。檢驗(yàn)單發(fā)，利用藍(lán)牙放電控制發(fā)送單發(fā)命令，每發(fā)送一次命令，相對(duì)應(yīng)的發(fā)射子系統(tǒng)都會(huì)工作，使得彈丸發(fā)射出去，單發(fā)功能實(shí)現(xiàn)。檢驗(yàn)連發(fā)，首先利用藍(lán)牙放電控制設(shè)定連發(fā)時(shí)間，設(shè)定單片機(jī)連發(fā)間隔時(shí)間為5ms，再通過(guò)其發(fā)送連發(fā)命令，發(fā)射子系統(tǒng)順序發(fā)射彈丸，連發(fā)功能實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)其發(fā)射間隔時(shí)間利用示波器檢測(cè)光電開關(guān)通斷的方法，由于條件所限，不能達(dá)到多路同時(shí)檢測(cè)，故采用連環(huán)檢測(cè)方法，即1路跟2路進(jìn)行檢測(cè)，2路跟3路進(jìn)行檢測(cè)，3路跟4路進(jìn)行檢測(cè)，以此類推。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖7所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖7　實(shí)驗(yàn)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)

表1　8多管連發(fā)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，得出本設(shè)計(jì)在理論與實(shí)際都是行得通的，發(fā)射出的彈丸具有一定的初動(dòng)能，通過(guò)示波器觀察光電開關(guān)通段時(shí)間，可計(jì)算出當(dāng)電壓在300V時(shí)，其彈丸的出口速度達(dá)到20.83m/ s左右，所設(shè)計(jì)的多管連發(fā)發(fā)射控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)12000發(fā)/分鐘的連發(fā)但由于發(fā)射裝置的出口速度不能達(dá)到絕對(duì)一致，使得所設(shè)定的時(shí)間間隔存在一定的誤差，誤差控制在5%以下，能夠滿足要求。

5　結(jié)論

論文通過(guò)對(duì)電磁發(fā)射裝置的改進(jìn)，引進(jìn)多管連發(fā)機(jī)制，采用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行連發(fā)發(fā)射控制，并應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行操控，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性與安全性。從實(shí)際發(fā)射測(cè)試結(jié)果可以看出，本設(shè)計(jì)方便，易于操作，可實(shí)施性很強(qiáng)。

［1］李如年，王敬，王海.新概念動(dòng)能武器—電磁炮［J］.中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào).2011（02）

［2］王群，耿云玲.電磁炮及其特點(diǎn)和軍事應(yīng)用前景［J］.國(guó)防科技.2011（02）

［3］孫韓，白秀軍.電磁炮物理模型構(gòu)建與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［J］.智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用.2015（04）

［4］向紅軍，趙科義.多級(jí)電磁感應(yīng)線圈炮的級(jí)間耦合特性［J］.高電壓技術(shù).2012（05）

［5］譚賽，魯軍勇.電磁軌道炮的電氣參數(shù)特性研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.船電技術(shù).2012（02）

［6］曹昭君，肖錚.電磁發(fā)射系統(tǒng)C型固體電樞的電流密度分布特性及其機(jī)理分析［J］.電工電能新技術(shù).2012（02）

［7］李三群，關(guān)曉存，李治源，劉書蒙.繞制電樞和實(shí)體電樞動(dòng)態(tài)特性對(duì)比研究［J］.電工電能新技術(shù).2012（01）

［8］牛穎蓓.電磁軌道炮速度測(cè)量方法研究［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào).2012（04）

［9］潘娜，韓學(xué)軍.電磁軌道炮的電路仿真建模［J］. 艦船科學(xué)技術(shù).2013（10）

［10］潘娜，申澤軍.電磁軌道炮的電路建模及參數(shù)特性分析［J］.黑龍江電力.2013（02）

［11］譚賽，魯軍勇.電磁軌道炮的電氣參數(shù)特性研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.船電技術(shù).2012（02）

［12］潘娜，韓學(xué)軍.電磁軌道炮的電路仿真建模［J］.艦船科學(xué)技術(shù).2013（10）

［13］劉戀，于克訓(xùn).三種實(shí)際因素對(duì)電磁軌道炮性能的影響［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2013（35）

［14］王明東，王天祥. 新概念武器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.四川兵工學(xué)報(bào).2014（06）

［15］李軍，嚴(yán)萍，袁偉群.電磁軌道炮發(fā)射技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀［J］.高電壓技術(shù).2014（04）

［16］費(fèi)付聰.基于傳感器控制的多級(jí)磁阻式電磁炮制作與研究［J］.物理與工程.2013（01）

Designing of Control System of Multi- Reluctance Electromagnetic Based on Bluetooth

Wang Zemin，Xue Guangchen
（School of Electronic and Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an，710021）

According to designing the control system of multi- reluctance electromagnetic launch，the method of communication between Bluetooth technology and MCS is adopted.The electromagnetic emission mechanism and the technology of multiple bursts is studied.The overall control and drive circuit，electromagnetic launch circuit and the Bluetooth control circuit are designed.The firing test of 8 tube electromagnetic launchers is carried out.The results show that，the launch control system is simple，safe and reliable and the projectiles can be launched at the highest speed of 12000 FPM.

Electromagnetic launch；Multiple bursts；MCS；Bluetooth

王澤民（1978-）男，漢族，河北任丘人，碩士、副教授、機(jī)器視覺與檢測(cè)技術(shù)。

西安工業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)基金（XAGDXJJ1212）