基于藍牙的多管電磁發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計

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）

基于藍牙的多管電磁發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計

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）

針對多管連發(fā)電磁發(fā)射裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計，采用了藍牙與單片機通訊的方法，研究并分析了電磁發(fā)射機理與多管連發(fā)發(fā)射技術(shù)，設(shè)計了單片機總體控制與驅(qū)動電路、電磁發(fā)射電路與藍牙控制電路。通過8管電磁發(fā)射裝置的連發(fā)射擊試驗，驗證了所設(shè)計的控制系統(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；藍牙

0　引言

電磁發(fā)射裝置是利用電磁場對鐵磁性彈丸產(chǎn)生的磁場力，實現(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、能源相對簡易、受控性與隱蔽性好等特點，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)生的交變磁場與彈丸線圈中的感應(yīng)電流磁場互相作用，產(chǎn)生電磁場力，使彈丸加速運動并發(fā)射出去。采用藍牙技術(shù)控制電磁發(fā)射裝置的繼電器實現(xiàn)對發(fā)射裝置的儲能與發(fā)射控制，達到操作簡便、安全可靠及人性化控制的效果。

1　電磁發(fā)射機理

電磁發(fā)射裝置主要由電源、固定線圈、彈丸（可動線圈）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能電容，彈丸選擇鐵磁性物質(zhì)。當電容充滿電，通過放電開關(guān)使放電回路接通，此時，就會有瞬間脈沖大電流通過電容到達固定線圈，從而使線圈產(chǎn)生磁場。固定線圈產(chǎn)生的瞬態(tài)磁場會使彈丸產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而通過相互作用產(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度、IP是彈丸的電流強度、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　基于藍牙的電磁發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計

圖2是本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。通過藍牙控制終端來進行藍牙充電控制，給充電端一個觸發(fā)信號，使得充電端的藍牙裝置產(chǎn)生一個高電平，以此驅(qū)動繼電器，使繼電器觸點由常開變常閉，從而使得充電回路導(dǎo)通，對每一路電磁發(fā)射裝置進行充電。當達到充電電壓后，通過藍牙控制裝置給藍牙充電端發(fā)射一個關(guān)斷信號，使得繼電器觸點再由常閉變常開，通電回路斷開，充電完成。

當充電完成后，要進行發(fā)射請求時，首先通過藍牙控制終端進行放電控制命令，藍牙放電端與單片機相連，不同的藍牙命令產(chǎn)生相對應(yīng)的信號，通過藍牙與單片機之間的通訊，改變單片機的狀態(tài)，再通過驅(qū)動電路使得信號能夠達到可控硅導(dǎo)通的條件，從而達到對發(fā)射裝置的控制。在定義時，多個單片機的I/O口對應(yīng)控制多個發(fā)射裝置，當I/O口為低電平時，保持不變，當為高電平時，觸發(fā)控制單元，使得放電回路導(dǎo)通，達到對發(fā)射裝置進行放電。通過控制不同的單片機I/O口，對各個不同線路電磁發(fā)射裝置進行發(fā)射控制；當要進行同步或序列發(fā)射時，對應(yīng)控制單片機I/O口參數(shù)，達到同步或序列發(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

本設(shè)計的硬件電路主要有三類：單片機總體控制與驅(qū)動電路、藍牙模塊電路和電磁發(fā)射裝置電路三大部分組成。

2.1.1單片機總體控制與驅(qū)動電路

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

在單片機總體控制電路與驅(qū)動電路中，核心芯片是單片機89C52，采用最小系統(tǒng)，利用動態(tài)數(shù)碼管來顯示序列發(fā)射時的時間間隔；由于單片機I/O口本身電流很小，很難驅(qū)動發(fā)射裝置的可控硅，故加一個驅(qū)動電路，使得單片機觸發(fā)電流能夠達到可控硅觸發(fā)電流要求；用按鍵對其進行控制，八個按鍵可分為：個位時間+、個位時間—、十位時間+、十位時間-、百位時間+、百位時間-、序列單發(fā)、序列連發(fā)。

2.1.2藍牙模塊電路設(shè)計

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

圖4為藍牙模塊電路圖，模塊工作電壓為+5V，S1為進入AT模式按鈕，通過S1，可快速實現(xiàn)進入AT模式，進行相關(guān)指令操作。

模塊共有6個外接接口，分別為STATE、RXD、TXD、VCC、GND、KEY。其中VCC、GND分別接+5V跟地線。當為藍牙充電控制時，KEY接繼電器的IN端，通過控制KEY的高低電平進而控制繼電器的通斷；當為藍牙放電控制時，VCC、GND分別接+5V跟地線，RXD、TXD分別接單片機的TXD、RXD，以此進行與單片機的通訊，改變單片機的狀態(tài)，從而達到對發(fā)射裝置的控制。在定義時，多個單片機的I/O口對應(yīng)控制多個發(fā)射裝置，當I/O口為低電平時，保持不變，當為高電平時，觸發(fā)控制單元，使得放電回路導(dǎo)通，達到對發(fā)射裝置進行放電。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)，通過對單片機的控制，完成單序列單發(fā)/連發(fā)操作。

圖3　單片機總體控制電路與驅(qū)動電路

圖4　藍牙模塊電路圖

2.1.3電磁發(fā)射電路設(shè)計

如5所示，是每個單獨發(fā)射裝置的電路圖，通過繼電器開通，使得電容能夠進行充電，當達到電容的額定電壓后，斷開斷路器，充電過程完成。

在放電端，選擇可控硅作為放電開關(guān)，因為可控硅具有良好的小電流導(dǎo)通性，只要給它一個很小的電流，就能夠使得可控硅導(dǎo)通，達到以小電流控制大電流的效果。當要進行放電操作時，單片機I/O口通過驅(qū)動電路，產(chǎn)生一個足以使可控硅導(dǎo)通的電流，使得可控硅導(dǎo)通，此時，電容的電壓瞬間加載到線圈上，產(chǎn)生變化的磁場，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

本文的軟件設(shè)計主要是關(guān)于中斷程序的設(shè)計，首先進行中斷服務(wù)，開中斷，進入中斷入口，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)間隔時間的，則調(diào)用調(diào)節(jié)間隔時間子程序；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

圖6　中斷服務(wù)流程圖

4　試驗與分析

本文所用每個單獨的發(fā)射子系統(tǒng)采用兩只額定容量為450V，1000uF的電容?？刂齐娙蓦妷涸?00V左右，利用藍牙充電控制各個發(fā)射系統(tǒng)電容充電，當充電電壓達到300V時，斷開繼電器。檢驗單發(fā)，利用藍牙放電控制發(fā)送單發(fā)命令，每發(fā)送一次命令，相對應(yīng)的發(fā)射子系統(tǒng)都會工作，使得彈丸發(fā)射出去，單發(fā)功能實現(xiàn)。檢驗連發(fā)，首先利用藍牙放電控制設(shè)定連發(fā)時間，設(shè)定單片機連發(fā)間隔時間為5ms，再通過其發(fā)送連發(fā)命令，發(fā)射子系統(tǒng)順序發(fā)射彈丸，連發(fā)功能實現(xiàn)。檢測其發(fā)射間隔時間利用示波器檢測光電開關(guān)通斷的方法，由于條件所限，不能達到多路同時檢測，故采用連環(huán)檢測方法，即1路跟2路進行檢測，2路跟3路進行檢測，3路跟4路進行檢測，以此類推。實驗環(huán)境如圖7所示，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

圖7　實驗環(huán)境現(xiàn)場

表1　8多管連發(fā)實驗數(shù)據(jù)

通過以上實驗，得出本設(shè)計在理論與實際都是行得通的，發(fā)射出的彈丸具有一定的初動能，通過示波器觀察光電開關(guān)通段時間，可計算出當電壓在300V時，其彈丸的出口速度達到20.83m/ s左右，所設(shè)計的多管連發(fā)發(fā)射控制系統(tǒng)可以實現(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到絕對一致，使得所設(shè)定的時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

論文通過對電磁發(fā)射裝置的改進，引進多管連發(fā)機制，采用單片機對其進行連發(fā)發(fā)射控制，并應(yīng)用藍牙技術(shù)進行操控，增強了系統(tǒng)的可靠性與安全性。從實際發(fā)射測試結(jié)果可以看出，本設(shè)計方便，易于操作，可實施性很強。

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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、機器視覺與檢測技術(shù)。

西安工業(yè)大學(xué)校長基金（XAGDXJJ1212）