采用單片機(jī)STC15W4K32S4的模擬電磁曲射炮設(shè)計(jì)

林文燔

(黎明職業(yè)大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

電磁曲射炮是一種利用電磁感應(yīng)原理，由電磁力給彈丸加速，彈丸從中獲得發(fā)射動能的武器，具有無火焰煙霧、噪音低、無有害氣體、儲能密度高、初速度大、成本低等特點(diǎn)，得到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1]。目前，國外雖已對電磁曲射炮的控制系統(tǒng)有計(jì)劃地開始進(jìn)行實(shí)用性研究和野外試驗(yàn)，但仍沒解決電磁曲射炮耗電量大、能量儲存小型化的問題；國內(nèi)的電磁曲射炮發(fā)展也正逐步實(shí)現(xiàn)電磁線圈炮及重接炮裝備實(shí)體化，但仍存在儲能裝置大、精度不夠等問題[2-3]?；诖?，本文選取單片機(jī)STC15W4K32S4、TFmini Plus激光雷達(dá)等，設(shè)計(jì)一種小型模擬電磁曲射炮控制系統(tǒng)，探索電磁曲射炮的發(fā)射控制方案。

1 方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由控制模塊、舵機(jī)模塊、炮管發(fā)射控制模塊、TFmini Plus激光雷達(dá)測距模塊和電源模塊組成。采用STC15W4K32S4單片機(jī)作為主控芯片；用TFmini Plus激光雷達(dá)采集距離數(shù)據(jù)；雙舵機(jī)云臺控制炮臺角度和TFmini Plus激光雷達(dá)方向；LCD顯示模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的交互界面，調(diào)整舵機(jī)角度；電源模塊和繼電器控制電磁曲射炮的充電和發(fā)射?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 模擬電磁曲射炮的控制系統(tǒng)

TFmini Plus激光雷達(dá)將收集到的信息通過串口通信發(fā)送給STC15W4K32S4單片機(jī)主控模塊，主控模塊信息處理后控制舵機(jī)給出相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角與俯仰角。電源分別給主控模塊和升壓模塊供電，升壓模塊通過升壓快速給儲能電容充電，最后由繼電器控制電磁曲射炮的發(fā)射。

設(shè)計(jì)的電磁曲射炮具備手動打靶和自動尋靶兩種模式。手動打靶可以按鍵輸入給定標(biāo)靶的偏轉(zhuǎn)角與距離信息，起動發(fā)射程序，打擊環(huán)形靶(帶引導(dǎo)標(biāo)識，以下簡稱標(biāo)靶)。自動尋靶通過TFmini Plus激光雷達(dá)測距自動鎖定目標(biāo)，電磁曲射炮自動調(diào)整炮管俯仰角、偏轉(zhuǎn)角和電壓，打擊標(biāo)靶。

2 模擬電磁曲射炮發(fā)射控制

2.1 發(fā)射電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用直流穩(wěn)壓電源供電，輸入電壓12 V，采用7805為單片機(jī)供電，通過TL494實(shí)現(xiàn)DC/DC升壓，并以電容為儲能元件。

2.1.1 雙閉環(huán)電控升壓電路

輸出相同功率的時(shí)候，為電磁曲射炮發(fā)射線圈供電的電壓越小，需要的電流越大。由于低壓大的電流電路控制復(fù)雜、損耗大，所以采用18650低壓蓄電池供電結(jié)合升壓電路、減小系統(tǒng)工作電流，使控制電路簡單且減小損耗[4-6]。該升壓模塊電路如圖2所示。

圖2 升壓模塊電路

2.1.1.1 升壓主電路

由電感L1、場效管Q1、快恢復(fù)二極管VD1和電容C13構(gòu)成升壓主回路。TL494產(chǎn)生PWM信號通過1N4148、9012、R6、R7組成的驅(qū)動保護(hù)電路控制場效管，通過L1的儲能、泄能使電壓抬升。同時(shí)，由C1、C2電容組成退耦電路，防止前后電路網(wǎng)絡(luò)在電流大小變化時(shí)，于供電電路中形成電流沖擊，影響電路正常工作。

2.1.1.2 電控電壓閉環(huán)控制

通過R4、R12采樣升壓后的輸出電壓，將單片機(jī)DA輸出作為基準(zhǔn)引入TL494的2腳，采用C16電容穩(wěn)定采樣的電壓。輸出電壓升高時(shí)，反饋的采樣電壓同時(shí)升高，當(dāng)該電壓大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，TL494會抑制電壓上升。輸出電壓降低的情況與之相反。在升壓過程中，由C14、R13、R15、R11組成PID控制器，輸出和偏差的積分成比例，積分作用時(shí)減少系統(tǒng)超調(diào)，使電壓不會一直在目標(biāo)值附近抖動，保持調(diào)節(jié)時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定性。最終，電路的升壓大小由單片機(jī)決定，并且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓效果。

2.1.1.3 電流閉環(huán)控制

為防止電路對電容瞬間充電的電流過大，設(shè)計(jì)電流閉環(huán)控制電路。通過R8、R9采樣充電電流，RP4可調(diào)電阻調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓引入TL494的15腳。當(dāng)電流采樣大于基準(zhǔn)時(shí)，電路會降低PWM占空比降低電流，否則相反。同樣，由C15、R14、R16、R17組成PID控制環(huán)節(jié)，使電流調(diào)節(jié)更穩(wěn)定。

2.1.2 輔助電源

云平臺舵機(jī)由12 V主電源供電，而STC15單片機(jī)控制模塊電壓相對較低，由穩(wěn)壓模塊供電。采用雙電源對電路進(jìn)行供電，能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。穩(wěn)壓模塊采用7805為單片機(jī)和TL494提供穩(wěn)定的電壓。7805三端穩(wěn)壓IC內(nèi)部電路具有過壓保護(hù)、過流保護(hù)和過熱保護(hù)等功能，性能穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)1 A以上的輸出電流[7]。該器件具有良好的溫度系數(shù)，可以運(yùn)用本地調(diào)節(jié)來消除噪聲影響，解決與單點(diǎn)調(diào)節(jié)相關(guān)的分散問題，輸出電壓誤差精度分別為±3%和±5%。

2.2 發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 繼電器發(fā)射控制

為了防止電磁曲射炮發(fā)射時(shí)瞬間輸出的電流對單片機(jī)系統(tǒng)、電源取樣控制電路等產(chǎn)生干擾，輸出控制采用光耦隔離。光耦的輸入信號通過PN1和PN2接入單片機(jī)，單片機(jī)驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出，完成“電—光—電”的轉(zhuǎn)換，起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入、輸出間互相隔離，電信號傳輸為單向性，具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。

輸出的電驅(qū)動繼電器的觸點(diǎn)使電磁曲射炮發(fā)射，而繼電器可以承受高電壓，起到保護(hù)電路的作用，故采用100 A的繼電器來控制電磁曲射炮的發(fā)射。發(fā)射原理如圖3所示。

圖3 繼電器控制電磁曲射炮發(fā)射原理

2.2.2 發(fā)射條件監(jiān)控

在儲能電容電量足夠，并且系統(tǒng)沒有對電容充電時(shí)，才能發(fā)射電磁曲射炮。為監(jiān)控儲能電容狀態(tài)，升壓電路的電壓采樣信號、充電電流采樣信號都接入STC15單片機(jī)，由單片機(jī)來監(jiān)控系統(tǒng)是否滿足發(fā)射條件。只有當(dāng)電壓大于發(fā)射的最小電壓，并且充電電流小于下限值時(shí)，才可以觸發(fā)電磁曲射炮發(fā)射機(jī)制，通過單片機(jī)發(fā)送發(fā)射脈沖信號。

3 激光雷達(dá)測距和打靶

系統(tǒng)使用激光雷達(dá)測距的方法，確定目的標(biāo)靶的位置，對于強(qiáng)光、溫度和反射率等環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)[8-9]。

3.1 激光雷達(dá)基本特性

系統(tǒng)選用TFmini Plus激光雷達(dá)模組(短距離傳感器)，基于TOF(飛行時(shí)間)原理，配合獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)、算法設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、精準(zhǔn)、高靈敏度和高速的距離測量功能。產(chǎn)品低成本、小體積、低功耗，還增加了IP65等級防護(hù)，相對于超聲波測距適應(yīng)性更強(qiáng)。產(chǎn)品測量范圍0.1～12 m，準(zhǔn)確度達(dá)到±5 cm@(0.1～6 m)。

TFmini Plus激光雷達(dá)模組采用通信協(xié)議為UART，默認(rèn)波特率115 200(可調(diào))，數(shù)據(jù)位8，停止位1，奇偶校驗(yàn)None。

3.2 環(huán)形緩沖區(qū)數(shù)據(jù)存儲

為了能夠及時(shí)接受來自激光雷達(dá)的傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)先把數(shù)據(jù)存儲到緩沖區(qū)，再在合適的時(shí)候?qū)彌_區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、分析、擇取。由于數(shù)據(jù)量大的時(shí)候緩沖區(qū)容易溢出，且考慮系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)有一定的存儲量，又有一定的實(shí)時(shí)度，因此用環(huán)形緩沖區(qū)存儲。

環(huán)形緩沖區(qū)的處理包括存儲和讀取兩個(gè)部分。存儲在中段執(zhí)行，隨時(shí)接收激光雷達(dá)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。存儲流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)存儲流程

讀取子程序中制定個(gè)數(shù)的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，并加以分析，按照協(xié)議識別幀頭，對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，最終判定距離數(shù)據(jù)值。具體流程如圖5所示。

圖5 緩沖區(qū)數(shù)據(jù)讀取流程

3.3 打靶系統(tǒng)

3.3.1 手動打靶模式

手動打靶可以通過按鍵輸入給定標(biāo)靶的偏轉(zhuǎn)角與距離信息，起動發(fā)射程序，打擊標(biāo)靶。單片機(jī)根據(jù)錄入的信息，調(diào)整云臺角度，并計(jì)算距離、角度對應(yīng)的電壓信號和俯仰角信號，控制炮管俯仰角，并通過DA穩(wěn)定輸出地電磁曲射炮輸出電壓。當(dāng)反饋輸出正常后，觸發(fā)繼電器，發(fā)射電磁曲射炮。流程如圖6所示。

圖6 手動打靶模式子程序流程

3.3.2 自動尋靶模式

本系統(tǒng)測試的是圓形標(biāo)靶，自動尋靶模式下，電磁曲射炮從右往左掃描標(biāo)靶的具體位置。掃描完所有的范圍后，單片機(jī)模塊根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算、判定、記錄標(biāo)靶的位置。根據(jù)最終記錄的有效位置，電磁曲射炮自動調(diào)整炮管俯仰角、偏轉(zhuǎn)角和電壓，打擊標(biāo)靶。具體流程如圖7所示。

圖7 自動尋靶模式子程序流程

4 測試分析

設(shè)計(jì)的電磁曲射炮與環(huán)形靶的距離在2～3 m之間，且與中心軸線偏離角度。搭建好場地后，連接電路電源，進(jìn)行測試、觀察并記錄。測試結(jié)果如表 1～3所示。

表1 給定距離炮擊環(huán)形靶數(shù)據(jù)

表1中，在給定距離炮擊環(huán)形靶情況下，隨著距離的增大，擊中環(huán)形靶的環(huán)數(shù)有一定下降。但是均能較為準(zhǔn)確命中標(biāo)靶。

表2中，在給定偏轉(zhuǎn)角炮擊環(huán)形靶情況下，命中的環(huán)數(shù)只有6、7環(huán)。隨著偏轉(zhuǎn)角的增大，曲射炮完成射擊的時(shí)間越長，但對命中環(huán)形靶的環(huán)數(shù)影響不大。

表2 給定偏轉(zhuǎn)角炮擊環(huán)形靶數(shù)據(jù)

表3中，自動尋靶模式下炮擊環(huán)形靶，測試的距離在2～3 m的范圍，角度±30°內(nèi)，電磁曲射炮均能在25 s內(nèi)完成設(shè)計(jì)動作，環(huán)數(shù)在6、7環(huán)，對準(zhǔn)確率有一定影響。

表3 自動尋靶并炮擊環(huán)形靶數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模擬電磁曲射炮手動設(shè)置發(fā)射及自動掃描追蹤捕獲目標(biāo)的發(fā)射。利用STC15W4K32S4單片機(jī)主控，實(shí)現(xiàn)距離遠(yuǎn)近的控制、舵機(jī)的調(diào)整、發(fā)射電磁炮擊打環(huán)形靶。經(jīng)過測試分析，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)給定距離炮擊環(huán)形靶情況下能較為準(zhǔn)確地命中射擊目標(biāo)。但是在給定偏轉(zhuǎn)角炮擊和自動尋靶炮擊環(huán)形靶環(huán)數(shù)方面相對不夠理想，可作為進(jìn)一步研究提升的方向。