模擬電磁曲射炮裝置的研究與設(shè)計(jì)?

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 株洲 412001）

1 引言

模擬電磁曲射炮在軍事領(lǐng)域是一個(gè)重點(diǎn)研究課題，本設(shè)計(jì)是在2019年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽賽題的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)完成一款模擬電磁曲射炮裝置，該裝置的功能分為基礎(chǔ)部分和發(fā)揮部分兩個(gè)方面，基礎(chǔ)部分為彈丸能順利完成發(fā)射、能按照要求發(fā)射到制定距離位置（200cm～300cm）并顯示距離和角度；發(fā)揮部分是能自動(dòng)調(diào)節(jié)角度，根據(jù)角度和距離能精確發(fā)炮，此外，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋靶，并確定和返回靶位的距離和角度，炮道能自動(dòng)調(diào)整到發(fā)射角度，實(shí)現(xiàn)精確射擊。該模擬曲線電磁炮的研究與設(shè)計(jì)為電磁炮的設(shè)計(jì)提供了新的研究思路，也可以作為物理學(xué)研究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 整體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)要求需要實(shí)現(xiàn)電磁炮能夠發(fā)射彈丸，輸入距離值（發(fā)揮部分1輸入偏離角度）可發(fā)射自動(dòng)發(fā)射彈丸至靶心，和自動(dòng)定位發(fā)射。其設(shè)計(jì)要求參數(shù)圖如圖1所示。需要電磁炮發(fā)射裝置進(jìn)行本系統(tǒng)主要由主控模塊（MCU）、顯示模塊、按鍵、定位測距模塊、角度控制模塊等六個(gè)部分組成，其總體系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖1 設(shè)計(jì)要求參數(shù)圖

圖2 總體系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)理論分析

電磁炮是利用電磁發(fā)射技術(shù)制成的一種發(fā)射裝置，利用電磁系統(tǒng)中電磁場產(chǎn)生的安培力來對(duì)金屬炮彈進(jìn)行加速，提供其達(dá)到打擊目標(biāo)所需的動(dòng)能，加速向前飛出。

其中L表示切割磁感線強(qiáng)度，N表示匝數(shù)，μ為磁導(dǎo)率，r表示線圈半徑，知磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈粗細(xì)，匝數(shù)有關(guān)。線圈越細(xì)、匝數(shù)越多，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，子彈受到的力也就越大，子彈運(yùn)動(dòng)就越遠(yuǎn)。

設(shè)計(jì)采用的彈丸為直徑12mm的普通鋼珠，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，有：

射擊距離是250cm～300cm距離，為了留有裕量，假設(shè)彈丸最高能飛2m高度，有

設(shè)計(jì)的線圈為單級(jí)線圈，根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，在沒有能量回收的前提下，單次發(fā)射，對(duì)于圓柱形彈丸，考慮到時(shí)間有限，按照0.1%的效率考慮，需要電容儲(chǔ)能：

根據(jù)電容儲(chǔ)能公式：

假設(shè)電容耐壓450V，實(shí)際工作電壓400V，需要電容量：

根據(jù)理論分析結(jié)果，對(duì)參數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。

圖3 參數(shù)仿真圖

設(shè)計(jì)完成后，該裝置可以通過激光模塊對(duì)指示耙的掃描進(jìn)行距離的確定，云臺(tái)模塊對(duì)角度調(diào)整，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋點(diǎn)打靶功能，激光模塊在以一定速度進(jìn)行掃描，當(dāng)掃描到指示靶，激光測到的距離會(huì)發(fā)生明顯的改變，對(duì)于改變明顯的兩個(gè)點(diǎn)，將其角度傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，從而得到指示耙的位置，單片機(jī)控制云臺(tái)找到合適的角度，進(jìn)行自動(dòng)尋點(diǎn)打靶。

4 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

4.1 最小系統(tǒng)板設(shè)計(jì)

該裝置的控制系統(tǒng)采用STC12系列芯片作為主控芯片，最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增加了四路獨(dú)立按鍵、液晶顯示電路接口，可供設(shè)計(jì)選擇時(shí)使用，單片機(jī)的所有IO端口全部引出，可供設(shè)計(jì)時(shí)使用。STC12系列單片機(jī)操作簡單，可靠度高，資源較豐富，完全滿足該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖4 最小系統(tǒng)板原理圖

為了測試的方便和人機(jī)交互界面的友好，該設(shè)計(jì)采用液晶顯示。12864可顯示字符并完全滿足實(shí)現(xiàn)操作界面的應(yīng)用，排除了更為簡單的數(shù)碼管顯示方式，該電路成熟可靠，設(shè)計(jì)簡單；設(shè)計(jì)4路獨(dú)立按鍵，4個(gè)獨(dú)立按鍵作為輸入設(shè)備，主要用于調(diào)整傾角以及目標(biāo)參數(shù)的設(shè)置等。

4.2 激光測距驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

圖5 激光測距模塊原理圖

由于探測距離的要求，設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體激光器進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)。具體的設(shè)計(jì)電路圖如圖5所示。半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)電流比較大，普通的電源不能提供如此大的驅(qū)動(dòng)電流，因此設(shè)計(jì)過程中采用了能量壓縮技術(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)，還需要考慮器件的開關(guān)響應(yīng)速度、電路結(jié)構(gòu)以及噪聲控制等，外圍電路中的電阻和電容也應(yīng)該考慮噪聲小、性能好的，確保電路控制精確。

4.3 電磁炮充放電模塊

該電路模塊是該裝置的核心模塊，設(shè)計(jì)使用大電流可控硅，繼電器，超級(jí)電容等，為電磁炮的充放電提供好安全的環(huán)境。具有充放電能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。模塊可通過繼電器控制電容是充放電。采用KP200A可控硅進(jìn)行充放電控制，設(shè)計(jì)過程中通過反復(fù)測試驗(yàn)證。具體的設(shè)計(jì)原理圖如圖6、7所示。

圖6 電磁炮充電模塊

圖7 電磁炮放電模塊

使用大電流可控硅，繼電器，超級(jí)電容等，為電磁炮的充放電提供好安全的環(huán)境。具有充放電能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。模塊可通過繼電器控制電容是充放電。采用KP200A可控硅進(jìn)行充放電控制，設(shè)計(jì)過程中通過反復(fù)測試驗(yàn)證。

5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于該控制系統(tǒng)，程序量較大，梳理結(jié)構(gòu)，程序模塊化設(shè)計(jì)，是利于程序?qū)崿F(xiàn)和調(diào)試的重要因素。該設(shè)計(jì)的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

測試分兩個(gè)部分，基本功能和發(fā)揮部分，通過按鍵選擇進(jìn)入不同的測試界面，到達(dá)相應(yīng)的測試界面后，再通過按鍵選擇測試功能。測試完成后，按鍵返回。測試過程中具體功能需要在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，然后再進(jìn)行調(diào)整。

圖8 軟件設(shè)計(jì)流程圖

6 試驗(yàn)與測試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)各部分要求進(jìn)行系統(tǒng)測試，測試分為基本要求測試和發(fā)揮部分測試，測試后將測試結(jié)果繪制表格并記錄。

6.1 基本要求測試

依據(jù)題意，繪制測定表，并按照測定方法測定，并填寫測定結(jié)果，表1為電磁炮基本測試數(shù)據(jù)表。

表1 電磁炮基本測試數(shù)據(jù)表

6.2 發(fā)揮要求測試

依據(jù)題意，繪制測定表，并按照測定方法測定，并填寫測定結(jié)果，如表2所示。

表2 發(fā)揮部分測試數(shù)據(jù)表

7 結(jié)語

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過理論分析和軟硬件的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該模擬曲線電磁炮裝置水平夾角及垂直仰角兩個(gè)維度可以電動(dòng)調(diào)節(jié)，可用鍵盤調(diào)節(jié)目標(biāo)參數(shù)，在-30°～30°范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋靶并瞄準(zhǔn)射擊。尋找到目標(biāo)靶向后，通過激光測距，并測量偏移角，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)距離和角度自動(dòng)控制炮管調(diào)節(jié)到相應(yīng)的角度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)發(fā)射。該裝置射擊周期短，射擊精確度高，功率低，設(shè)計(jì)簡單，為電磁炮裝置射擊提供新的設(shè)計(jì)思路。