基于Arduino的簡易電磁炮設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

楊潞霞，王智卓，龐 鑫

(1.太原師范學(xué)院計(jì)算機(jī)系，山西 太原 030619；2.山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院信息學(xué)院，山西 太原 030031)

0 引言

電磁炮是完全依靠電磁能發(fā)射彈丸的一類新型超高速發(fā)射裝置，它主要是利用運(yùn)動電荷或載流導(dǎo)體在磁場中受到的洛侖磁力去加速彈丸。電磁炮按照結(jié)構(gòu)可劃分為三種：軌道電磁炮、線圈電磁炮和磁力線重接炮。本次設(shè)計(jì)是線圈電磁炮，主要利用在彈丸發(fā)射軌道的周圍纏繞線圈，當(dāng)對電容充電后，再通過主控單元及控制電路對電容進(jìn)行放電，這樣電容放電產(chǎn)生的瞬間大電流加到線圈上，纏繞線圈的炮管內(nèi)部就會產(chǎn)生巨大的磁場，在磁場的作用下，彈丸受到洛倫茲力的作用射出炮口。線圈電磁炮具有發(fā)射距離遠(yuǎn)、射擊精度高的優(yōu)點(diǎn)，有著非常好的發(fā)展前景。本設(shè)計(jì)通過硬件電路設(shè)計(jì)、控制單元程序設(shè)計(jì)和線圈纏繞，實(shí)現(xiàn)了自制的線圈電磁炮基本功能。該電磁炮能夠在設(shè)置一定范圍的距離后，將彈丸發(fā)射到相應(yīng)位置；通過設(shè)置環(huán)形靶中心與定標(biāo)點(diǎn)的距離以及與中心軸線的偏離角度，進(jìn)行自動瞄準(zhǔn)射擊。

1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)線圈電磁炮的基本原理，在線圈電磁炮中彈丸是否可以正常打出的關(guān)鍵因素是電容的充放電及控制裝置[1]。彈丸受到的電磁力F計(jì)算公式為：

F=BILsinθ.

(1)

其中，θ為導(dǎo)體和磁場的夾角，B為磁場強(qiáng)度，I為通電導(dǎo)體中的電流強(qiáng)度，L為通電導(dǎo)體處在磁場中的長度?？梢姡?dāng)線圈數(shù)確定后，彈丸受到的電磁力主要與線圈中通過的電流強(qiáng)度密切相關(guān)。只要計(jì)算出合理的電容量，控制電容的放電時(shí)間，彈丸就能夠從炮管發(fā)射出去[2]。

本設(shè)計(jì)采用Arduino作為核心控制芯片[3]，連接升壓模塊、云臺、LCD1602顯示器等主要硬件模塊，搭建起系統(tǒng)的升壓、儲能、控制和發(fā)射四大功能模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路為：鍵盤輸入設(shè)置角度和距離后，由超聲波測距模塊找到相應(yīng)距離位置，并由控制器控制舵機(jī)調(diào)整到設(shè)置角度，控制繼電器打開充電裝置，充電完成后，立即放電將彈丸發(fā)射出去。具體的設(shè)計(jì)思路框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

為了直觀看到設(shè)置角度和距離，在裝置中加入LCD1602液晶顯示模塊將實(shí)時(shí)地顯示輸入的角度和距離。經(jīng)過理論分析和多次實(shí)驗(yàn)測試，將兩個(gè)電容(80V 10000μF)并聯(lián)，使瞬間放電時(shí)電流強(qiáng)度足夠大。

2 硬件選擇與核心電路設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的線圈電磁炮發(fā)射電路元器件主要包括電源、單刀雙擲開關(guān)、電容、升壓模塊等。

1) 電源：采用6V直流電源供電，保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

2) 升壓模塊：采用XL6009E1可調(diào)穩(wěn)壓電源模塊進(jìn)行升壓，其輸入電壓在5V-32V間。該模塊內(nèi)接4A高效MOSFET開關(guān)管，效率高達(dá)94%，用小容量的濾波電容就能達(dá)到最佳的效果。

3) 單刀雙擲開關(guān)：如圖2充放電工作電路[4]所示，開關(guān)連接b端時(shí)，電源經(jīng)過升壓模塊給電容器充電；開關(guān)接a端時(shí)，電容器瞬間放電并在炮管內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)磁場，磁場力將彈丸發(fā)射出去。

圖2 充放電工作電路示意圖

4) 發(fā)射炮管設(shè)計(jì)：將漆包線按照計(jì)算出的線圈匝數(shù)纏繞至PVC管上，制成線圈炮管[5]；將兩個(gè)相同電容(50V，10000μ)并聯(lián)構(gòu)成電容器組(將電容正極與正極焊接,負(fù)極與負(fù)極焊接)，與上述單刀雙擲開關(guān)相連接，接通電源對電容器充電，斷開電源與炮管一端相接，使并聯(lián)電容器瞬間放電，纏繞漆包線的炮管可以產(chǎn)生磁場，從而發(fā)射彈丸，具體發(fā)射裝置如圖3所示。

圖3 彈丸發(fā)射實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.2 控制模塊選擇

考慮本次模擬電磁發(fā)射炮設(shè)計(jì)，所需元器件比較多，線路比較復(fù)雜，本設(shè)計(jì)選用了Arduino開發(fā)板，如圖4所示。雖說51單片機(jī)相對于Arduino來說，價(jià)格便宜，但是本設(shè)計(jì)選擇Arduino的優(yōu)點(diǎn)更多一些。首先，51單片機(jī)用的是12M晶振而Arduino用的一般是16M的晶振，后者計(jì)算處理能力要更好一些。其次，51單片機(jī)本身內(nèi)存只有4KB，而常見型號的Arduino有32KB的程序存儲區(qū)，可以存儲更多的程序。此外，Arduino可以直接插USB進(jìn)行燒寫，而51單片機(jī)的話，開發(fā)板上直接燒寫可以，但開發(fā)板往往比較大，只能在線燒寫或接編程器。

圖4 Arduino開發(fā)板

2.3 舵機(jī)選擇

舵機(jī)一般是用于調(diào)節(jié)角度的驅(qū)動器，在控制系統(tǒng)中被廣泛用于調(diào)節(jié)水平或垂直方向位置變化，一般舵機(jī)由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、控制電路等組成。輸入線共有三條，紅色為電源線，黑色為地線，通過這兩根線給舵機(jī)提供能量和轉(zhuǎn)動損耗，另外一根為控制信號線，常見為黃色。舵機(jī)一般安裝電位器，通過電位器來檢測輸出軸的角度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。在本設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)水平和垂直兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動，使用兩套舵機(jī)(MG996型號)組合：一套用于控制水平方向[-30,30]，一套用于控制垂直方向[0,180]；通過對信號線的控制來調(diào)節(jié)角度，當(dāng)采集到數(shù)據(jù)時(shí)，角度停止移動，準(zhǔn)備向目標(biāo)發(fā)射炮彈。其具體工作原理是：當(dāng)控制電路接收到來自信號線的控制信號時(shí)，通過程序指令控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，舵盤轉(zhuǎn)動帶動位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)輸出信號給控制電路進(jìn)行反饋，控制電路根據(jù)所在位置決定電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向和速度，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)后停止。工作流程如圖5所示。

圖5 舵機(jī)工作流程圖

3 嵌入式程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)各功能模塊采用C51語言編程實(shí)現(xiàn)，核心程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。在程序剛開始時(shí)進(jìn)行各硬件的初始化，然后進(jìn)行按鍵掃描，通過判斷目標(biāo)角度，啟動舵機(jī)，手動調(diào)整按鈕，以此來對角度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，防止因角度問題而產(chǎn)生射擊精度的偏差。最后進(jìn)行距離采集，如果能達(dá)到設(shè)定距離，則使電容電壓充電后瞬間放電，最終發(fā)射炮彈。若達(dá)不到設(shè)定距離，則重新開啟繼電器，通過對電容的再充電，繼續(xù)判斷是否到達(dá)設(shè)定距離，以此循環(huán)進(jìn)行。

圖6 程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測試

電磁炮裝置設(shè)計(jì)完成后，對電磁炮的發(fā)射能力和發(fā)射角度、距離進(jìn)行了反復(fù)實(shí)驗(yàn)測試，在實(shí)驗(yàn)測試中我們主要采用的是控制變量法進(jìn)行測試。

4.1 測試充電時(shí)間與彈丸發(fā)射關(guān)系

設(shè)置充電時(shí)間為5～25 s間變化，觀察彈丸發(fā)射情況，具體如表1所示。

表1 電磁炮充電時(shí)間與發(fā)射情況測試表

從表1可知，當(dāng)充電時(shí)間達(dá)到3 s時(shí)，炮彈可以發(fā)射出炮口，當(dāng)充電時(shí)間達(dá)到9s時(shí)，電容的電壓值達(dá)到最大70V，為了保證數(shù)據(jù)的有效性，每個(gè)充電時(shí)間值，重復(fù)測試了5～7次，最終得出有效的數(shù)據(jù)。

4.2 測試不同發(fā)射角度與發(fā)射距離關(guān)系

得到充電9 s是充電量最大值后，保持充電時(shí)間不變，輸入距離測試彈丸實(shí)際發(fā)射距離。為了保證數(shù)據(jù)有效，依然是同一角度共測試5組，表中數(shù)據(jù)是最終平均值。

表2 電磁炮不同發(fā)射角度與發(fā)射距離關(guān)系表

由表2可見，當(dāng)9 s充滿電后，設(shè)置45°發(fā)射角度時(shí)，發(fā)射距離最遠(yuǎn)為252 cm，距離靶心位置為1 cm，距離靶心最近。但是，當(dāng)設(shè)置發(fā)射距離在3 m時(shí)，彈丸發(fā)射位置和距離誤差就較大。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)基于電磁感應(yīng)理論制作了簡易電磁炮裝置，該裝置通過控制電路控制云臺轉(zhuǎn)到指定角度后，將使用升壓電路給電容充滿電，并在瞬間放電，實(shí)現(xiàn)彈丸較準(zhǔn)確地發(fā)射。經(jīng)過測試，彈丸在充電9 s后，能夠基本發(fā)射到小于3 m之內(nèi)的目標(biāo)位置。但是由于紅外傳感測距模塊沒有在控制電路較好發(fā)揮作用，導(dǎo)致彈丸按照設(shè)置角度發(fā)射更遠(yuǎn)位置時(shí)，射中靶心位置較差。因此，要想達(dá)到較精確的發(fā)射，今后需進(jìn)一步結(jié)合圖像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動識別目標(biāo)精確射擊的功能。