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        基于單片機(jī)微型電磁炮模擬裝置的研究與設(shè)計(jì)

        2020-11-02 02:00:24尚坡利尉雙全馬偉博劉振儒馮方宇
        中國建材科技 2020年1期
        關(guān)鍵詞:單片機(jī)系統(tǒng)

        尚坡利 尉雙全 馬偉博 劉振儒 馮方宇

        (1蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730060;2蘭州工業(yè)學(xué)院 電氣工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

        0 引言

        電磁炮是一種利用電磁場產(chǎn)生的洛倫茲力來對金屬炮彈進(jìn)行加速,以達(dá)到一定動(dòng)能打擊相應(yīng)目標(biāo)的裝備[1-2]。其理論基礎(chǔ)是19世紀(jì)英國著名科學(xué)家邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)定律,即位于磁場中的導(dǎo)線在通電時(shí)會(huì)受到力的推動(dòng)[3]。

        與以往基于傳統(tǒng)火藥推動(dòng)的大炮相比,電磁炮具有以下特點(diǎn):電磁推動(dòng)力大,彈丸速度高,攔截困難;彈丸穩(wěn)定性好,命中率高;發(fā)射特征少,隱蔽性好;靈活度高,可以根據(jù)目標(biāo)環(huán)境調(diào)整發(fā)射指標(biāo);發(fā)射成本低[4-5]。本文基于相關(guān)理論基礎(chǔ),采用STM32單片機(jī)及其他附屬裝置實(shí)現(xiàn)一款小型電磁炮模擬裝置的研究與設(shè)計(jì)方案。

        1 設(shè)計(jì)方案

        圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

        該系統(tǒng)由以下幾部分模塊構(gòu)成:

        控制模塊:采用STM32單片機(jī)為控制核心,完成整個(gè)系統(tǒng)的管理與控制功能。

        信息采集模塊:以openmv作為目標(biāo)捕捉及測距器件,完成相關(guān)目標(biāo)的信息采集及處理工作。

        顯示模塊:完成相關(guān)指標(biāo)及數(shù)據(jù)的顯示及反饋工作。

        按鍵模塊:完成相關(guān)數(shù)據(jù)的輸入工作。

        執(zhí)行模塊:完成模擬炮彈的發(fā)射相關(guān)工作。

        系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示:

        2 硬件電路設(shè)計(jì)

        2.1 控制模塊

        該系統(tǒng)采用STM32 單片機(jī)作為控制核心。該單片機(jī)采用內(nèi)核為ARM32 位Cortex-M3CPU,最高工作頻率72MHz,存儲器采用片上集成32-512KB的Flash存儲器及6-64KB的SRAM存儲器。該單片機(jī)具有超低功耗,超強(qiáng)抗干擾能力。

        2.2 信息采集模塊

        該模塊以O(shè)penMV為核心,輔以云臺作為該模塊協(xié)動(dòng)機(jī)構(gòu)。OpenMV攝像頭是一款小巧,低功耗,低成本的可編程的攝像頭,通過其并采用MicroPython語言可以完成機(jī)器視覺應(yīng)用。云臺采用兩臺MG995舵機(jī)組合構(gòu)成,可完成2自由度工作。

        2.3 顯示模塊

        顯示模塊采用LCD1602液晶顯示器作為顯示器件,主要顯示目標(biāo)距離,目標(biāo)與中心軸線的偏離角度,及電磁炮工作狀態(tài)。

        2.4 按鍵模塊

        按鍵模塊的作用在于給電磁炮輸入目標(biāo)距離及目標(biāo)與中心軸線的偏離角度。鍵盤使用4*4矩陣鍵盤,采用行列掃描模式。

        2.5 執(zhí)行模塊

        執(zhí)行模塊主要由發(fā)射模塊,逆變升壓模塊構(gòu)成。

        2.5.1 發(fā)射模塊

        發(fā)射模塊的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)在于炮管線圈的繞制。在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮線圈本質(zhì)是電感,具有儲能功能。線圈繞制方案需要根據(jù)實(shí)際需求以及所有相關(guān)設(shè)備材質(zhì)進(jìn)行調(diào)整。為了實(shí)現(xiàn)發(fā)射模塊的智能控制,充放電回路均采用單片機(jī)輸出控制信號通過S8050三極管來控制繼電器實(shí)現(xiàn)。控制作用在于,一是保證充放電不同時(shí)進(jìn)行,二是保證電容上的充電電壓穩(wěn)定。

        2.5.2 逆變升壓模塊

        為了實(shí)現(xiàn)裝置的投射效果,需要賦予設(shè)備較大的能量??梢酝ㄟ^采用直流穩(wěn)壓電源供電采用逆變升壓模塊將直流電逆變?yōu)榻涣麟姴⑸龎海⑼ㄟ^橋式整流電路整流為直流電給并聯(lián)電容充電的方式,以期達(dá)到設(shè)計(jì)需求。

        2.6 其它部分

        直流穩(wěn)壓電源模塊:系統(tǒng)中單片機(jī)需要的工作電壓為DC12V,由直流穩(wěn)壓電源供電。舵機(jī)工作電壓為DC7.5V,采用升壓模塊給舵機(jī)進(jìn)行供電。

        放電回路模塊:由于放電瞬間的沖擊電壓非常的大,沖擊電流也很高,模塊通過接觸器接通放電回路。

        3 軟件設(shè)計(jì)

        該設(shè)計(jì)采用了目標(biāo)自動(dòng)識別打擊模式以及人工定位打擊模式,可根據(jù)實(shí)際需求改變控制方式。在目標(biāo)自動(dòng)識別打擊模式下,由信息采集模塊完成目標(biāo)體的識別及測距工作,再通過云臺裝置調(diào)整炮管水平及垂直角度,以期達(dá)到對目標(biāo)物體的準(zhǔn)確打擊效果。在人工定位打擊模式下,由操作者完成距離及水平角度的設(shè)定進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)定位置的打擊。

        4 測試及結(jié)論

        在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后進(jìn)行測試。通過測試發(fā)現(xiàn)電容放電電壓大小,線圈繞制匝數(shù),線圈繞制長度,炮管仰角大小,炮管材質(zhì),球材質(zhì),彈丸重量大小及放置位置等因素均能夠影響炮彈彈出距離。通過測試,該裝置基本可以實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的命中率,在下一步的研究中,可以對相關(guān)指標(biāo)進(jìn)一步校準(zhǔn)以期達(dá)到更高的設(shè)備性能。

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