模拟电磁曲射炮装置的研究与设计∗

（湖南铁道职业技术学院 株洲 412001）

1 引言

模拟电磁曲射炮在军事领域是一个重点研究课题，本设计是在2019年全国大学生电子设计大赛赛题的基础上，研究开发完成一款模拟电磁曲射炮装置，该装置的功能分为基础部分和发挥部分两个方面，基础部分为弹丸能顺利完成发射、能按照要求发射到制定距离位置（200cm～300cm）并显示距离和角度；发挥部分是能自动调节角度，根据角度和距离能精确发炮，此外，可以实现自动寻靶，并确定和返回靶位的距离和角度，炮道能自动调整到发射角度，实现精确射击。该模拟曲线电磁炮的研究与设计为电磁炮的设计提供了新的研究思路，也可以作为物理学研究实验进行验证。

2 整体设计方案

根据设计要求需要实现电磁炮能够发射弹丸，输入距离值（发挥部分1输入偏离角度）可发射自动发射弹丸至靶心，和自动定位发射。其设计要求参数图如图1所示。需要电磁炮发射装置进行本系统主要由主控模块（MCU）、显示模块、按键、定位测距模块、角度控制模块等六个部分组成，其总体系统框图如图2所示。

图1 设计要求参数图

图2 总体系统框图

3 系统理论分析

电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种发射装置，利用电磁系统中电磁场产生的安培力来对金属炮弹进行加速，提供其达到打击目标所需的动能，加速向前飞出。

其中L表示切割磁感线强度，N表示匝数，μ为磁导率，r表示线圈半径，知磁感应强度与线圈粗细，匝数有关。线圈越细、匝数越多，磁感应强度越大，子弹受到的力也就越大，子弹运动就越远。

设计采用的弹丸为直径12mm的普通钢珠，根据设计需要，有：

射击距离是250cm～300cm距离，为了留有裕量，假设弹丸最高能飞2m高度，有

设计的线圈为单级线圈，根据一般经验，在没有能量回收的前提下，单次发射，对于圆柱形弹丸，考虑到时间有限，按照0.1%的效率考虑，需要电容储能：

根据电容储能公式：

假设电容耐压450V，实际工作电压400V，需要电容量：

根据理论分析结果，对参数进行仿真验证，其验证结果如图3所示。

图3 参数仿真图

设计完成后，该装置可以通过激光模块对指示耙的扫描进行距离的确定，云台模块对角度调整，就可以实现自动寻点打靶功能，激光模块在以一定速度进行扫描，当扫描到指示靶，激光测到的距离会发生明显的改变，对于改变明显的两个点，将其角度传递给单片机，单片机进行计算，从而得到指示耙的位置，单片机控制云台找到合适的角度，进行自动寻点打靶。

4 系统软硬件设计

4.1 最小系统板设计

该装置的控制系统采用STC12系列芯片作为主控芯片，最小系统的设计原理图如图4所示。整个系统设计中增加了四路独立按键、液晶显示电路接口，可供设计选择时使用，单片机的所有IO端口全部引出，可供设计时使用。STC12系列单片机操作简单，可靠度高，资源较丰富，完全满足该系统的设计。

图4 最小系统板原理图

为了测试的方便和人机交互界面的友好，该设计采用液晶显示。12864可显示字符并完全满足实现操作界面的应用，排除了更为简单的数码管显示方式，该电路成熟可靠，设计简单；设计4路独立按键，4个独立按键作为输入设备，主要用于调整倾角以及目标参数的设置等。

4.2 激光测距驱动模块设计

图5 激光测距模块原理图

由于探测距离的要求，设计采用半导体激光器进行模块设计。具体的设计电路图如图5所示。半导体激光器的激励电流比较大，普通的电源不能提供如此大的驱动电流，因此设计过程中采用了能量压缩技术。设计时，还需要考虑器件的开关响应速度、电路结构以及噪声控制等，外围电路中的电阻和电容也应该考虑噪声小、性能好的，确保电路控制精确。

4.3 电磁炮充放电模块

该电路模块是该装置的核心模块，设计使用大电流可控硅，继电器，超级电容等，为电磁炮的充放电提供好安全的环境。具有充放电能力强，抗干扰能力强的优点。模块可通过继电器控制电容是充放电。采用KP200A可控硅进行充放电控制，设计过程中通过反复测试验证。具体的设计原理图如图6、7所示。

图6 电磁炮充电模块

图7 电磁炮放电模块

使用大电流可控硅，继电器，超级电容等，为电磁炮的充放电提供好安全的环境。具有充放电能力强，抗干扰能力强的优点。模块可通过继电器控制电容是充放电。采用KP200A可控硅进行充放电控制，设计过程中通过反复测试验证。

5 系统的软件设计

对于该控制系统，程序量较大，梳理结构，程序模块化设计，是利于程序实现和调试的重要因素。该设计的程序设计流程图如图8所示。

测试分两个部分，基本功能和发挥部分，通过按键选择进入不同的测试界面，到达相应的测试界面后，再通过按键选择测试功能。测试完成后，按键返回。测试过程中具体功能需要在此基础上，进行实验测试，然后再进行调整。

图8 软件设计流程图

6 试验与测试数据分析

根据各部分要求进行系统测试，测试分为基本要求测试和发挥部分测试，测试后将测试结果绘制表格并记录。

6.1 基本要求测试

依据题意，绘制测定表，并按照测定方法测定，并填写测定结果，表1为电磁炮基本测试数据表。

表1 电磁炮基本测试数据表

6.2 发挥要求测试

依据题意，绘制测定表，并按照测定方法测定，并填写测定结果，如表2所示。

表2 发挥部分测试数据表

7 结语

根据设计要求，通过理论分析和软硬件的设计，实验验证，该模拟曲线电磁炮装置水平夹角及垂直仰角两个维度可以电动调节，可用键盘调节目标参数，在-30°～30°范围内可实现自动寻靶并瞄准射击。寻找到目标靶向后，通过激光测距，并测量偏移角，控制系统会根据距离和角度自动控制炮管调节到相应的角度，实现精准发射。该装置射击周期短，射击精确度高，功率低，设计简单，为电磁炮装置射击提供新的设计思路。