基于STM32F103系列單片機(jī)的模擬電磁曲射炮設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李婭

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙，410000）

1 系統(tǒng)方案

根據(jù)賽題要求，分析功能需求和實(shí)現(xiàn)技術(shù)路徑，確定系統(tǒng)分為控制部分、檢測部分、電磁炮充能擊發(fā)部分、平臺運(yùn)動控制部分。

1.1 控制部分方案論證

方案一：選用STM32F103

STM32系列微機(jī)采用ARM Cortex- M3內(nèi)核，可通過時鐘倍頻實(shí)現(xiàn)72MHz主頻，片內(nèi)即成了多通道ADC，具有較強(qiáng)的數(shù)字處理性能。系統(tǒng)性能卓越，成本低，應(yīng)用十分廣泛，有著大量成熟案例可供借鑒。

方案二：選用MSP430F149

MSP430F149IPM是TI公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款超低功耗的16位單片機(jī)。具有低功耗休眠模式，蘇醒速度快。內(nèi)置12位ADC，具有內(nèi)部參考電壓源，并有采樣、保持、自動掃描等功能。支持在線編程調(diào)試，開發(fā)調(diào)試十分方便。

本方案需要快速采集距離測量信息并進(jìn)行公式換算，對計(jì)算能力要求較高，對功耗不敏感，因此選用方案一的STM32F103作為主控部分。

1.2 平臺運(yùn)動控制部分

方案一：采用步進(jìn)電機(jī)構(gòu)建運(yùn)動平臺

步進(jìn)電機(jī)采用開環(huán)控制，控制性能優(yōu)良，動作執(zhí)行穩(wěn)定，步距值不受各種因素干擾。中低輸出力矩大，控制誤差不會累積，性價比高。但是電機(jī)本體較重，高速性能差。

方案二：采用舵機(jī)構(gòu)建運(yùn)動平臺

舵機(jī)采用比例控制方式調(diào)整角度，穩(wěn)定性好，控制簡單。控制過程采用閉環(huán)控制，具有反饋信號。本體體積小，重量輕，外圍電路較為簡單，易于集成。

1.3 充能擊發(fā)部分

電磁炮工作原理類似于圓筒形直線異步感應(yīng)電動機(jī)，在線圈中通過脈沖或交變電流產(chǎn)生磁性波驅(qū)動金屬彈丸前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)彈丸擊發(fā)。常見的電磁炮驅(qū)動方式有單級線圈加速和多級線圈接力加速兩種模式。

單級線圈加速時炮彈所有動能都來自于單線圈磁場能量轉(zhuǎn)換，對于線圈能量要求非常高，需要高壓驅(qū)動，對電源充能模塊要求較高。

多級線圈接加速方案降低單級線圈能量需求，改為用多個線圈接力對金屬彈丸進(jìn)行加速，每次進(jìn)行恒定加速。該方案對于線圈能量要求較低，不需要高壓驅(qū)動，對電源充能模塊要求不高。但是加速過程控制邏輯十分復(fù)雜，對于金屬炮彈在磁場內(nèi)運(yùn)動過程的分析要求非常準(zhǔn)確，理論難度較大。

選擇多級線圈加速方案控制邏輯過于復(fù)雜，所以本方案選擇采用單級線圈加速方案實(shí)現(xiàn)電磁炮。

2 理論分析與計(jì)算

2.1 電磁炮參數(shù)分析

電磁炮工作原理類似于圓筒形直線異步感應(yīng)電動機(jī)，驅(qū)動電源為儲能電容，擊發(fā)彈丸的實(shí)質(zhì)是金屬體在磁軌上的加速過程。金屬彈丸在感應(yīng)線圈形成的磁場內(nèi)受到洛倫茲力作用開始加速，受力大小與磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度和彈丸特性有關(guān)。感應(yīng)線圈內(nèi)磁場強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中μ0是真空磁導(dǎo)率常數(shù)，μ0= 4π× 10-7N·A-2，n為線圈匝數(shù)，I為流過線圈的電流。而磁場中金屬彈丸受力為：

S為彈丸與磁通密度正交的面積，即彈丸的截面面積。故彈丸垂直于磁場面積越大，受到磁場推力越大。

電磁炮管上磁通線圈長度為l，簡化電磁線圈炮模型后，根據(jù)磁場做功情況和能量轉(zhuǎn)換可得彈丸初速度計(jì)算公式，式中m為彈丸質(zhì)量，v為擊發(fā)速度。

2.2 彈道分析

彈丸離開加速線圈后，可簡化為斜拋運(yùn)動過程。飛行過程中的受力分析及速度分解如圖1所示。

圖1 彈丸飛行過程受力分析及速度分解

f為空氣阻力，G為彈丸重力，vp為彈丸擊發(fā)速度。因?yàn)閺椡栎^小，撞風(fēng)面積極小，飛行距離短，空氣阻力作用可以近似忽略，此時彈丸垂直方向只受到重力作用，水平方向近似勻速直線運(yùn)動。

模型簡化后，彈丸飛行距離只與彈丸發(fā)射速度和俯仰角有關(guān)，改變發(fā)射俯仰角或者改變彈丸初速度都可以改變彈丸發(fā)射距離。為簡化控制邏輯，本方案中固定發(fā)射仰角為35°，通過改變儲能磁感線圈電流的方式獲得不同的彈丸發(fā)射初速度，實(shí)現(xiàn)距離控制。

對彈丸飛行過程進(jìn)行分析可得方程組，求解該方程組可得飛行距離與初速度關(guān)系。與電磁炮參數(shù)方程聯(lián)立可得充電電壓與彈丸飛行距離之間的關(guān)系。

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

電路總體包括STM32F103主控電路、超聲波測距電路、充能-擊發(fā)控制電路。電磁炮和超聲波探頭均搭載于舵機(jī)云臺上同步運(yùn)動。通過觸控屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和參數(shù)設(shè)定。STM32通過PWM信號控制充能-擊發(fā)控制電路，調(diào)節(jié)發(fā)射電壓，控制電磁炮擊發(fā)。

（1）STM32F103主控電路

核心控制部分由STM32F103芯片及外圍電路構(gòu)成，電路如圖2所示。

圖2 核心控制電路

（2）超聲波測距電路

超聲波測距電路采用HC-SR04模塊實(shí)現(xiàn)。

（3）充能-擊發(fā)控制電路

充能-擊發(fā)控制部分電路由充能電路、擊發(fā)電路和充電電源控制電路三部分組成。充電階段STM32控制充電電源開關(guān)電路接通直流電源與升壓充能模塊，對電容充電儲能；單片機(jī)通過改變PWM信號占空比調(diào)控UC3843芯片2號引腳參考電位，實(shí)現(xiàn)儲能電容電壓調(diào)節(jié)。充電完成后，電源開關(guān)電路斷開，結(jié)束充電，電磁炮進(jìn)入待發(fā)狀態(tài)。輸入擊發(fā)信號后，STM32控制電磁炮擊發(fā)部分導(dǎo)通晶閘管，儲能電容對電感線圈放電，形成磁場驅(qū)動金屬彈丸發(fā)射。相關(guān)部分電路如圖3所示。

圖3 充能-擊發(fā)控制電路

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)置了三種工作模式：手動、半自動、自動。手動模式下，通過觸摸屏設(shè)定標(biāo)靶距離，系統(tǒng)根據(jù)公式計(jì)算充電電壓。點(diǎn)擊發(fā)射后自動調(diào)整至35°仰角，開始充電，電壓穩(wěn)定后提示擊發(fā)。

半自動模式下，手動輸入定標(biāo)點(diǎn)與環(huán)形靶中心距離和環(huán)形靶偏轉(zhuǎn)角。云臺定位于偏轉(zhuǎn)角，系統(tǒng)啟動紅外測距確定定標(biāo)點(diǎn)位置，根據(jù)公式計(jì)算充電電壓。點(diǎn)擊發(fā)射后自動開始充電，充電電壓穩(wěn)定后擊發(fā)。

自動模式下，云臺在-30°～30°范圍進(jìn)行自動測距掃描，確定環(huán)形靶偏轉(zhuǎn)角和距離，控制云臺定位于偏轉(zhuǎn)角，計(jì)算充電電壓后自動進(jìn)入擊發(fā)環(huán)節(jié)。

（1）充能和擊發(fā)控制程序

充能控制程序能夠根據(jù)手動輸入或自動測量的標(biāo)靶距離計(jì)算得到充電電壓，產(chǎn)生對應(yīng)PWM控制信號調(diào)整電容儲能電壓，同時開始充電過程和擊發(fā)控制。詳細(xì)流程如圖4所示。

圖4 充能和擊發(fā)流程

（2）自動掃描程序

云臺以2°步進(jìn)自動掃描-30°～30°范圍，通過超聲波檢測標(biāo)靶位置。超聲波檢測到標(biāo)靶回波后，自動停止掃描，根據(jù)運(yùn)動方向進(jìn)行角度計(jì)算和補(bǔ)償，確定偏轉(zhuǎn)角并進(jìn)行精確測距。詳細(xì)流程如圖5所示。

圖5 自動掃描流程

4 測試結(jié)果

4.1 測試方案及條件

（1）測試條件：帶有距離和角度標(biāo)尺的測試地圖、直流穩(wěn)壓電源、電池、秒表。

（2）測試方案：組裝設(shè)備置于測試地圖基點(diǎn)，利用直流穩(wěn)壓電源和電池給系統(tǒng)供電，檢查線路連接和接地安全情況。根據(jù)試題要求對每種情況進(jìn)行5次重復(fù)測試，通過卷尺和地圖距離標(biāo)尺確定彈著點(diǎn)偏離；通過秒表計(jì)量完成時間。

4.2 測試結(jié)果

（1）基礎(chǔ)部分

表1 基本要求（2）測試結(jié)果

表2 基本要求（3）測試結(jié)果

（2）發(fā)揮部分

表3 發(fā)揮部分（1）測試結(jié)果

表4 發(fā)揮部分（2）測試結(jié)果

5 總結(jié)

該作品系統(tǒng)的成功完成了各項(xiàng)所需功能，相關(guān)指標(biāo)明顯高于要求，系統(tǒng)可靠性高。通過對電磁炮工作的準(zhǔn)確理論分析和大量實(shí)際測量，建立了精確地?cái)?shù)學(xué)模型和換算公式，大大提高了系統(tǒng)精度。電路設(shè)計(jì)完善合理，特別是核心部分?jǐn)夭ㄉ龎撼潆婋娐肥址€(wěn)定，能夠通過單片機(jī)PWM有效控制儲能電容充電電壓，高低壓隔離措施完善，可靠性高。