關(guān)志艷，溫志鵬，馮喜喜，文 杰

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院信息學(xué)院,山西 太原 030001)

0 引言

全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽是教育部倡導(dǎo)的大學(xué)生學(xué)科競賽之一，是面向大學(xué)生的群眾性科技活動(dòng)，對提高大學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力有著非常積極的作用。

依據(jù)2019年8月全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽H題-模擬電磁曲射炮，設(shè)計(jì)制作一個(gè)一鍵瞄準(zhǔn)和射擊的電磁炮，該題目融合了傳感器、舵機(jī)控制、單片機(jī)等多項(xiàng)硬件技術(shù)和電磁學(xué)相關(guān)知識，為有效的對其進(jìn)行控制，還要加入軟件算法。模擬曲射電磁炮是典型的軟硬件技術(shù)的結(jié)合體，具有極大的研究價(jià)值，其中云臺控制是電磁炮要解決的一個(gè)主要技術(shù)問題。

1 具體要求及分析框圖

總體分析2019年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽的所有題目，都必須用到單片機(jī)的知識，這也正是相關(guān)專業(yè)學(xué)生學(xué)過的一門專業(yè)課，電子大賽能夠讓學(xué)生將課堂上的知識在實(shí)踐中應(yīng)用。

1.1 具體要求

1) 電磁炮能夠?qū)椡枭涑雠诳冢?/p>

2) 環(huán)形靶放置在靶心距離定標(biāo)點(diǎn)200～300 cm間，且在中心軸線上的位置處，鍵盤輸入距離d值，電磁炮將彈丸發(fā)射至該位置，距離偏差的絕對值不大于50 cm；

3) 用鍵盤給電磁炮輸入環(huán)形靶中心與定標(biāo)點(diǎn)的距離d及與中心軸線的偏離角度α，一鍵啟動(dòng)后，電磁炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)射擊。

1.2 整體框圖

如圖1所示，當(dāng)傳感器檢測到信號發(fā)生變化時(shí)，立即將信息傳到單片機(jī)，同時(shí)會(huì)發(fā)送高低電平給單片機(jī)的I/O口，單片機(jī)通過不斷地掃描這些信號來獲得炮管當(dāng)前的位置信息和靶標(biāo)的位置信息。隨后，從單片機(jī)通過改變輸出給驅(qū)動(dòng)模塊的PWM信號對云臺的水平和豎直方向的角度進(jìn)行調(diào)控[1]。

圖1 整體框圖

2 方案比較、思路分析和模塊選擇

2.1 總體思路

本設(shè)計(jì)目標(biāo)完成小型電磁炮設(shè)計(jì)，以STC89C52為控制核心，通過控制自由度云臺實(shí)現(xiàn)對電磁炮在水平與豎直方向的調(diào)整，運(yùn)用電容的充電和放電使纏繞漆皮線的炮管產(chǎn)生磁場，利用安培力將炮彈發(fā)出。通過對超聲波傳感器和角度傳感器的控制，精確尋找靶標(biāo)。

2.2 電源模塊選擇

方案一：采用4節(jié)1.5V蓄電池放入交流轉(zhuǎn)直流電源中提供直流減速電機(jī)的電源，采用此種供電方式后，單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，且電池的體積較小，能夠滿足系統(tǒng)的要求。但直流電流放電受到自身影響很大，而且放電時(shí)間受限，不能長時(shí)間工作[2]。

方案二：采用變壓器將220V電壓變壓后，經(jīng)過整流橋整流，在經(jīng)過三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后得到直流電源。但此方案操作復(fù)雜，不利于更好的進(jìn)行測試。

鑒于以上分析，選用方案一。

2.3 顯示模塊選擇

方案一：用數(shù)碼管進(jìn)行顯示。數(shù)碼管由于顯示速度快，使用簡單，顯示效果簡潔明了而得到了廣泛應(yīng)用。但是由于我們計(jì)劃在顯示模塊中顯示輸入的距離d值以及偏離角度α，用數(shù)碼管無法顯示如此豐富的內(nèi)容。

方案二：用LCD液晶進(jìn)行顯示。LCD由于其顯示清晰，顯示內(nèi)容豐富、清晰，顯示信息量大，使用方便，顯示快速而得到了廣泛的應(yīng)用。對于此系統(tǒng)我們選用LCD1602能夠很好的滿足顯示要求，因此我們選擇了此方案[3]。

鑒于以上分析，選用方案二。

2.4 輸入模塊選擇

方案一：采用獨(dú)立按鍵輸入。獨(dú)立按鍵比較簡潔明了，可以做一些簡單的操作。

方案二：采用4*4矩陣鍵盤進(jìn)行輸入。矩陣鍵盤按鍵較多可以滿足輸入較大的輸入要求，但掃描復(fù)雜，占用I/O口較多。

綜合以上，選用方案二。

2.5 超聲波傳感器選擇

因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)需要傳感器檢測最大量程3 m以上距離的數(shù)據(jù)，查詢各種資料,綜合紅外傳感器、光電傳感器,發(fā)現(xiàn)以上兩種傳感器的有效測量距離均較短。而超聲波傳感器的距離可以達(dá)到所需距離，所以我們選擇超聲波傳感器HC-SR04[4]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 電磁炮發(fā)射電路模塊

發(fā)射模塊利用安培力做功進(jìn)行發(fā)射。使用單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)電容的充放電：當(dāng)開關(guān)置于右方與電源相連時(shí)，采用6V直流電源，XL6009E1升壓模塊給并聯(lián)的兩個(gè)50V 10 000μF電容充電；當(dāng)開關(guān)置于左方與用300匝漆包線纏繞的炮管相連進(jìn)行放電時(shí)，放電的一瞬間通電的漆包線圈內(nèi)部產(chǎn)生安培力，對有磁性的彈丸做功，使彈丸快速發(fā)射[5]。

圖2 電磁炮發(fā)射電路

圖3 升壓模塊原理圖

3.2 云臺模塊

采用2個(gè)舵機(jī)通過組裝制作一個(gè)2自由度云臺。舵機(jī)采用MG996型號舵機(jī)(圖4)。通過采用PWM算法中，改變占空比和單片機(jī)中定時(shí)器0的初值來改變舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。兩個(gè)舵機(jī)的褐色線、橙色線和黃色線分別接地、接電源以及連接單片機(jī)的P2.0和P2.3口。

圖4 舵機(jī)及云臺

3.3 整體硬件

圖5 整體電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

云臺控制編程主要采用C51語言來編譯程序，圖6是電磁炮的主要程序流程圖。

圖6 核心程序流程

5 測試方案與測試結(jié)果

5.1 測試儀器

4m量程的皮尺、環(huán)形靶、靶標(biāo)、電磁炮、量角器。

5.2 測試方法

通過改變不同電容、仰角、彈丸重量，來觀察彈丸發(fā)射的距離；輸入的發(fā)射角度和實(shí)際角度的偏差。

5.3 測試結(jié)果

表1為電容為10 000μf；仰角為30°時(shí)，彈丸重量大小對射程的影響，可見彈丸重量與射程基本成反比，重量越大射程越小。

表1 彈丸重量對射程影響

表2為彈丸重量為10g；仰角為30時(shí)，電容大小對射程的影響，電容越小射程越小。

表2 電容大小對射程的影響

表3為電容為10 000μf；彈丸重量為10g時(shí)，仰角大小對射程的影響，在一定范圍內(nèi)，仰角越大射程越遠(yuǎn)。

表3 仰角大小對射程的影響

表4為舵機(jī)輸入角度和理論角度及實(shí)際角度的偏差，輸入角度、計(jì)算的理論角度與實(shí)際角度有1°～4°的偏差。

表4 輸入角度與實(shí)際角度的偏差

6 問題分析與總結(jié)

問題分析：因?yàn)樗惴ê投鏅C(jī)等因素，輸入角度、理論角度和云臺實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度存在偏差。接線處的不穩(wěn)定及電容等因素，每次射擊角度存在偏差。

總結(jié)：從測試結(jié)果來看，該電磁炮設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了題目基本部分的要求，PWM技術(shù)能夠極大地提高云臺的驅(qū)動(dòng)效率，通過傳感器接收模塊解決了電磁炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)的問題，而傳感器也能夠精確測量炮臺與靶標(biāo)之間的距離。從運(yùn)行情況看，采用本系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作的模擬曲射電磁炮，系統(tǒng)可靠性較高，運(yùn)行較為穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；但是云臺的控制功能還需要進(jìn)一步完善，能夠?qū)⑹沟孟到y(tǒng)更趨于智能化、人性化的特點(diǎn)。