基于单片机微型电磁炮模拟装置的研究与设计

尚坡利 尉双全 马伟博 刘振儒 冯方宇

（1兰州石化职业技术学院 电子电气工程学院，甘肃 兰州 730060；2兰州工业学院 电气工程学院，甘肃 兰州 730050）

0 引言

电磁炮是一种利用电磁场产生的洛伦兹力来对金属炮弹进行加速，以达到一定动能打击相应目标的装备[1-2]。其理论基础是19世纪英国著名科学家迈克尔·法拉第发现的电磁感应定律，即位于磁场中的导线在通电时会受到力的推动[3]。

与以往基于传统火药推动的大炮相比，电磁炮具有以下特点：电磁推动力大，弹丸速度高，拦截困难；弹丸稳定性好，命中率高；发射特征少，隐蔽性好；灵活度高，可以根据目标环境调整发射指标；发射成本低[4-5]。本文基于相关理论基础，采用STM32单片机及其他附属装置实现一款小型电磁炮模拟装置的研究与设计方案。

1 设计方案

图1 系统组成结构图

该系统由以下几部分模块构成：

控制模块：采用STM32单片机为控制核心，完成整个系统的管理与控制功能。

信息采集模块：以openmv作为目标捕捉及测距器件，完成相关目标的信息采集及处理工作。

显示模块：完成相关指标及数据的显示及反馈工作。

按键模块：完成相关数据的输入工作。

执行模块：完成模拟炮弹的发射相关工作。

系统组成结构图如图1所示：

2 硬件电路设计

2.1 控制模块

该系统采用STM32 单片机作为控制核心。该单片机采用内核为ARM32 位Cortex-M3CPU，最高工作频率72MHz，存储器采用片上集成32-512KB的Flash存储器及6-64KB的SRAM存储器。该单片机具有超低功耗，超强抗干扰能力。

2.2 信息采集模块

该模块以OpenMV为核心，辅以云台作为该模块协动机构。OpenMV摄像头是一款小巧，低功耗，低成本的可编程的摄像头，通过其并采用MicroPython语言可以完成机器视觉应用。云台采用两台MG995舵机组合构成，可完成2自由度工作。

2.3 显示模块

显示模块采用LCD1602液晶显示器作为显示器件，主要显示目标距离，目标与中心轴线的偏离角度，及电磁炮工作状态。

2.4 按键模块

按键模块的作用在于给电磁炮输入目标距离及目标与中心轴线的偏离角度。键盘使用4*4矩阵键盘，采用行列扫描模式。

2.5 执行模块

执行模块主要由发射模块，逆变升压模块构成。

2.5.1 发射模块

发射模块的实现基础在于炮管线圈的绕制。在设计时需要考虑线圈本质是电感，具有储能功能。线圈绕制方案需要根据实际需求以及所有相关设备材质进行调整。为了实现发射模块的智能控制，充放电回路均采用单片机输出控制信号通过S8050三极管来控制继电器实现。控制作用在于，一是保证充放电不同时进行，二是保证电容上的充电电压稳定。

2.5.2 逆变升压模块

为了实现装置的投射效果，需要赋予设备较大的能量。可以通过采用直流稳压电源供电采用逆变升压模块将直流电逆变为交流电并升压，并通过桥式整流电路整流为直流电给并联电容充电的方式，以期达到设计需求。

2.6 其它部分

直流稳压电源模块：系统中单片机需要的工作电压为DC12V，由直流稳压电源供电。舵机工作电压为DC7.5V，采用升压模块给舵机进行供电。

放电回路模块：由于放电瞬间的冲击电压非常的大，冲击电流也很高，模块通过接触器接通放电回路。

3 软件设计

该设计采用了目标自动识别打击模式以及人工定位打击模式，可根据实际需求改变控制方式。在目标自动识别打击模式下，由信息采集模块完成目标体的识别及测距工作，再通过云台装置调整炮管水平及垂直角度，以期达到对目标物体的准确打击效果。在人工定位打击模式下，由操作者完成距离及水平角度的设定进而实现设定位置的打击。

4 测试及结论

在系统设计完成之后进行测试。通过测试发现电容放电电压大小，线圈绕制匝数，线圈绕制长度，炮管仰角大小，炮管材质，球材质，弹丸重量大小及放置位置等因素均能够影响炮弹弹出距离。通过测试，该装置基本可以实现较为准确的命中率，在下一步的研究中，可以对相关指标进一步校准以期达到更高的设备性能。