基于STM32控制的便携式模拟电磁炮设计*

王伟祥

（武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065）

电磁炮是利用电磁力将弹丸加速到高速度，使电源电能转换为物体动能的新概念武器。传统火炮是利用弹药爆炸时的瞬间膨胀产生的推力将炮弹迅速加速，推出炮膛。两者相比，电磁炮具有速度高、性能优良和可控性好等诸多优势，故各国都将电磁炮作为新概念武器装备展开军备竞赛。以美国为首的一些发达国家投入巨额经费进行电磁炮的实验研究，并取得了突破性的成果，已成功试射了5倍音速，射程200km的电磁炮。随着智能技术的发展，武器装备逐渐向智能化、小型化方向发展，欧美各国也在逐渐考虑将电磁炮小型化以构成一种智能型单兵武器。ST（意法半导体）公司设计的STM32F103ZET6单片机，其内部资源较8051、AVR和PIC多出很多，基本上接近于计算机的CPU，具有高性能、存储空间大、资源丰富、低成本、低功耗、运算速度快的特点。故本研究采用此款单片机作为核心控制部件，设计了一个便携式智能模拟电磁炮发射系统，以下将从系统方案、理论分析、硬件电路、系统软件等方面进行阐述便携式智能模拟电磁炮的设计与实现。

1 系统方案

本文介绍了一种实现基于STM32控制模拟电磁炮发射系统的可行方案。该系统方案主要由STM32F103ZET6单片机最小系统控制电路、储能电路、电压检测电路、电磁炮发射电路、舵机云台、摄像头识别定位模块、TFT显示屏、矩阵键盘等部分组成。系统的总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

该系统有两种控制方式：手动控制和自动控制。当手动控制时，先通过按键输入定标点距离，单片机对电容充电电压进行检测，确定发射距离，将控制信号送给发射电路，进而控制弹珠发射。当自动控制时，则利用摄像头进行图像采集，通过调整舵机角度，进行精准定位，确定电容充电电压大小，然后单片机启动储能电路对电容进行充电，再通过电压检测电路反馈电容充电电压给单片机，当达到阈值电压时，单片机控制发射电路，将弹珠发射出去，同时TFT液晶屏上可实时显示充电电压、充电时间、设置距离等信息。

2 理论分析与计算

2.1 电磁炮参数计算

法拉第电磁感应定律是电磁炮的理论基础。当通过闭合导体回路的磁通量发生变化时，导体回路中产生感应电流，感应电流流过的导线在原磁场中会受到一个力的推动，电磁炮就是利用电磁相互作用力把发射的物体加速到高速，最后发射出去[1]。

设驱动线圈脉冲电流为ip，两者之间的互感为M，则两者之间沿线圈轴线方向的作用力为：

由上式可知，为了使弹丸获得尽可能大的作用力F，线圈应与炮膛同轴，绕在炮膛外面，通过支架安装在炮膛底部。在线圈匝数一定的情况下，尽量缩短线圈的分布长度，故用粗导线绕制线圈，减小线圈内阻。

2.2 弹道分析

线圈炮由环绕于炮膛的一系列固定的加速线圈与弹丸构成。它利用加速线圈与弹丸之间互感时产生的电磁力作为弹丸的加速力。当给加速线圈突然加上电流时，在弹丸内会产生相应的感应电流，这时两者相互排斥，弹丸受到的这个排斥力就是加速力。发射时依次给加速线圈供电，于是产生沿炮身管运动的磁场，这个磁场与弹丸中的感应电流激励的磁场相互作用，产生连续的加速力从而使弹丸加速运动。由于加速线圈与弹丸之间的相互作用相当于两个磁体间的相互作用，既可以相斥也可以相吸，可使弹丸加速也可使弹丸减速。因此，必须保正使加速线圈产生的磁力与弹丸的运动位置精确同步[2]。

线圈炮是利用轨道电流相互作用的安培力把弹丸发射出去。实际制作时，线圈炮由一个长为20cm的直塑料管和在其外壁用φ0.8mm漆包线均匀绕400匝总长为60mm线圈组合而成。塑料管底部放入直径为12mm的钢珠作为弹丸。当电容充电电压达到一定值时，按下发射指令键，电容对线圈迅速放电，在线圈周围会产生电磁场，强大的电流会产生强磁场，然后在安培力的作用下，弹丸会以很大的速度射出。

2.3 能量计算

经检测，当对储能元件容值为1000uF充电时，电压达到230V时，直径为12mm弹丸的水平发射距离可达300cm。当电容充电到300V时，水平发射距离可达550cm。

3 电磁炮主要硬件电路设计

由系统总体结构框图可知，硬件电路主要由电磁炮发射电路和单片机最小系统控制电路构成。故下面主要对这两个电路进行介绍。

3.1 电磁炮发射电路设计

电磁炮发射电路如图2所示。

电磁炮发射电路主要由电容充电电路、电容对线圈放电电路和电容充电电压检测电路组成。

当单片机I/O口输出高电平，通过R4使三极管导通，继电器K1得电，常开触点闭合，使NMOS管Q1栅源间得到正向电压，Q1导通，300V直流电压通过R1、D3对电容C1充电，充电电压经取样电阻R6，光耦U2隔离，同相比例放大后，送入单片机监测电压，当C1电压达到一定值时，关断Q1停止充电，同时接光耦U1的单片机I/O口输出高电平，通过光耦使双向晶闸管Q2导通，电容C1对线圈L1放电，使钢珠弹出击中目标。

由上述可知，充电电路主要元件由充电限流电阻R1、大功率开关NMOS管Q1等元件组成，放电电路主要由光耦U1、晶闸管Q2等元件组成，电压检测电路主要由光耦U2、运放等元件组成。

3.1.1 充电电路主要器件的选择

（1）充电限流电阻R1的参数选择[3]

按设计要求电容最大充电时间为5秒，即5τ=5（S）

图2 电磁炮发射电路

（2）NMOS管Q1的参数选择[4]

Q1管最大接通电流最高工作电压为300V，故选择用IRF840NMOS管，其Id=8.5A，Vdss=500V，满足要求。

3.1.2 放电电路主要器件的选择

（1）光电隔离光耦U1的选择

为了将高压电路与控制电路隔离，故U1采用双向导通光耦MOC3052。

（2）晶闸管Q2的选择

由于瞬时放电电流达几十安培，最高工作电压为300V，故选用BTA41-600B双向晶闸管，其最大工作电流达40A，最高反向电压700V，满足要求。

3.1.3 电压检测电路主要元器件的选择

（1）光电隔离光耦U2的选择

为了将高压电路与控制电路隔离，获得与电容电压成正比的取样电压，故U2采用线性光耦型号为EL817。

（2）同相比例放大运放的选择

为了将光耦U2采集的电压，不失真的放大，同相比例放大器采用轨道轨运算放大器，其型号为READ2302G。

3.2 单片机最小控制系统电路设计

该控制系统以STM32F103ZET6为核心，控制电磁炮驱动电路、舵机云台、摄像头、TFT显示屏以及矩阵键盘等。PA1读取充电采样信号，PD4发送充电控制信息，PD5发送发射控制信号。单片机最小控制系统电路如图3所示。

4 系统软件设计

系统程序流程包括自动和手动两种控制模式，两者功能之间可以自由切换。CPU读取储能元件充电电压的采样信息，当达到标定值时，发送电磁炮发射驱动信号。由OPEN MV4 H7摄像头可实现目标追踪，获取位置坐标，将获取的坐标信息送至嵌入式芯片STM32F103ZET6，由STM32F103ZET6控制电磁炮驱动系统的线圈电流，决定发送力度及云台舵机的发送角度。系统程序流程图如图4所示。

5 测试仪器与测试数据

5.1 测试仪器

数字双踪示波器、直流稳压源、秒表、卷尺、4位半数字万用表。

5.2 测试数据

测试数据如表1所示。

由表1可知，通过单片机多次调试，将环形靶放置在靶心距离定标点200～300cm间，通过键盘输入距离，电磁炮将弹丸发射至该位置，距离偏差最低≤6cm；还可以在指定范围内给任意靶子位置，用键盘输入定标点距离，一键启动后，电磁炮可以自动瞄准射击，环数最好成绩为10环。

图3 单片机控制系统电路

图4 系统程序流程图

表1 测试数据

6 总结

该装置实现了手动设置发射和自动捕捉目标一键发射，偏差最低在6cm以内，命中率高，还可在液晶屏上显示充电电压、充电时间、设置距离等信息，而且方便轻巧，便于携带。该装置在军事上可以研发作为一种智能型单兵武器，应用于战场，亦可用于天基反导系统和防空系统，可作为反坦克武器，还可以装备炮兵部队、海军舰艇等，同时可以与无人机结合，提高目标打击的灵活性和可靠性；在生活中可用于射钉枪[5]、儿童游乐设备等方面，具有一定的现实意义。