基于STM32 的模擬電磁曲射炮

楊榮興 西北民族大學(xué)

引言

目前，由于受到火藥氣體膨脹速度的限制，常規(guī)的固體發(fā)射火炮已無法滿足現(xiàn)代軍事的要求，它對彈丸的加速及初速度有很大的限制。眾所周知，火炮技術(shù)的歷次革命皆以發(fā)射能源的變更為標(biāo)志。本系統(tǒng)的單級線圈電磁炮是利用電磁力產(chǎn)生動能推進(jìn)彈丸的一種先進(jìn)的動能裝置，它是利用電磁系統(tǒng)中電磁場的作用力，其作用的時間要長得多，可大大提高彈丸的速度。

1、系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要由單片機、電磁炮發(fā)射裝置、舵機和電源組成。

我們采用STM32 芯片作為主控芯片對曲線電磁炮進(jìn)行控制，電磁炮上電之后會自動擺正炮管然后靜待輸入?yún)?shù)（目標(biāo)距離及目標(biāo)角度），參數(shù)輸入完畢一鍵啟動發(fā)炮后，電磁炮會自動調(diào)整水平及垂直方向上的角度然后開炮，其中按鍵工具我們采用的是矩陣鍵盤，簡單便捷，為提高輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性，我們在硬件搭建上加入了OLED 顯示屏，將其與矩陣鍵盤聯(lián)系在一起從而將鍵入的數(shù)值參數(shù)在顯示屏上顯示，以方便觀察。在電磁炮的制作上我們利用升壓模塊得到200 電壓對大電容進(jìn)行瞬間充電，再利用電容放電至線圈得到磁場從而發(fā)炮。

2、主控制器件的選擇

STM32F103R 單片機，具有功能強大、效率高的指令系統(tǒng)，高性能模擬技術(shù)及豐富的外圍模塊。主要應(yīng)用的是定時器的PWM模式，PWM 模式只能在定時器的4 個通道產(chǎn)生頻率相同但是占空比不同的輸出信號控制4 個電機的運行。

3、電磁炮原理分析

單級線圈電磁炮是利用物理學(xué)中運動電荷或載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力作用的來加速彈丸的。其關(guān)鍵技術(shù)在于保證激勵電流與導(dǎo)體的運動同步。它主要由環(huán)繞在炮膛外數(shù)匝漆包線構(gòu)成線圈作為發(fā)射器(加速身管)，并由大電容充當(dāng)電源釋放電能給線圈而產(chǎn)生洛倫茲力。

4、參數(shù)計算

在電磁場中，磁感應(yīng)強度

電磁炮軌跡計算

由此有

最終可得拋物體的軌跡方程為

5、電磁炮電路設(shè)計

由直流電源為電磁炮供能，升壓模塊將電源較低的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠妷翰⒔o儲能電容充電，儲能電容用來儲存電能和向線圈釋放電能，控制開關(guān)用來控制充電和放電（放電即為開啟發(fā)射裝置）。其中組成元件有12V 直流電源、整流二極管、阻尼二極管、電解電容、電感線圈以及電阻。電容作為儲能器件,具有容量大、內(nèi)部電感極小、耐壓高的特性,儲能達(dá)數(shù)千焦耳至數(shù)兆焦耳。開關(guān)采用繼電器，能極好的保證電路的安全性，當(dāng)電路發(fā)生故障時能及時切斷電路。阻尼二極管的作用是防止反向電壓對電容反向充電,避免損壞電容器。

6、控制理論分析

利用舵機搭建云臺，控制方向和角度。舵機是控制電路接收信號源的控制脈沖，進(jìn)而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動；齒輪組將電機的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機的輸出扭矩放大相應(yīng)倍數(shù)，然后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉(zhuǎn)動，測量舵機轉(zhuǎn)動角度；單片機檢測并根據(jù)電位器轉(zhuǎn)動角度，然后控制舵機轉(zhuǎn)動到目標(biāo)角度或保持目標(biāo)角度。

7、STM32F103R 單片機程序編寫

由于炮管的角度調(diào)整是依據(jù)舵機進(jìn)行調(diào)整，而舵機的控制是靠PWM 的輸出，所以代碼的開始要先進(jìn)行PWM 的初始化以及其它模塊（OLED 顯示屏等）的初始化。代碼的整體結(jié)構(gòu)是在一個while 循環(huán)里面進(jìn)行switch 的選擇判斷執(zhí)行。首先剛進(jìn)入while時先對所選引腳PG(11)進(jìn)行高電平的輸出（因為電磁炮的最終發(fā)射是繼電器在控制，而繼電器的相關(guān)引腳就是PG(11)），然后執(zhí)行按鍵讀取函數(shù)讀取按鍵的第一個鍵入數(shù)值從而區(qū)分電磁炮的不同發(fā)射情況，switch 判斷后在進(jìn)入所選擇的情況后就去執(zhí)行該情況下所對應(yīng)的代碼---執(zhí)行按鍵讀取函數(shù)等待鍵入?yún)?shù)，鍵入?yún)?shù)完畢后一鍵發(fā)炮，而發(fā)炮鍵在代碼中即將繼電器的對應(yīng)引腳PG(11)代碼改為輸出低電平，通過延時低電平持續(xù)時間控制大電容充電時間從而控制開炮。

8、實物圖

9、總結(jié)

模擬電磁曲射炮是以STM32F103R 單片機為控制核心。通過控制舵機轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度使炮口對準(zhǔn)目標(biāo)，發(fā)射電磁炮擊打環(huán)形靶。由于能否打中靶，決定于舵機能否轉(zhuǎn)動正確的角度，所以對硬件的搭建要求很嚴(yán)格，為了降低誤差，發(fā)射裝置的電路設(shè)計必須十分精細(xì)，對電壓大小的選擇和控制十分重要。在設(shè)計電磁曲射炮中，不僅學(xué)到了電磁方面的知識，而且在動手能力，發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力上有了很大的提高。