（湖南鐵道職業(yè)技術學院 株洲 412001）

1 引言

模擬電磁曲射炮在軍事領域是一個重點研究課題，本設計是在2019年全國大學生電子設計大賽賽題的基礎上，研究開發(fā)完成一款模擬電磁曲射炮裝置，該裝置的功能分為基礎部分和發(fā)揮部分兩個方面，基礎部分為彈丸能順利完成發(fā)射、能按照要求發(fā)射到制定距離位置（200cm～300cm）并顯示距離和角度；發(fā)揮部分是能自動調(diào)節(jié)角度，根據(jù)角度和距離能精確發(fā)炮，此外，可以實現(xiàn)自動尋靶，并確定和返回靶位的距離和角度，炮道能自動調(diào)整到發(fā)射角度，實現(xiàn)精確射擊。該模擬曲線電磁炮的研究與設計為電磁炮的設計提供了新的研究思路，也可以作為物理學研究實驗進行驗證。

2 整體設計方案

根據(jù)設計要求需要實現(xiàn)電磁炮能夠發(fā)射彈丸，輸入距離值（發(fā)揮部分1輸入偏離角度）可發(fā)射自動發(fā)射彈丸至靶心，和自動定位發(fā)射。其設計要求參數(shù)圖如圖1所示。需要電磁炮發(fā)射裝置進行本系統(tǒng)主要由主控模塊（MCU）、顯示模塊、按鍵、定位測距模塊、角度控制模塊等六個部分組成，其總體系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖1 設計要求參數(shù)圖

圖2 總體系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)理論分析

電磁炮是利用電磁發(fā)射技術制成的一種發(fā)射裝置，利用電磁系統(tǒng)中電磁場產(chǎn)生的安培力來對金屬炮彈進行加速，提供其達到打擊目標所需的動能，加速向前飛出。

其中L表示切割磁感線強度，N表示匝數(shù)，μ為磁導率，r表示線圈半徑，知磁感應強度與線圈粗細，匝數(shù)有關。線圈越細、匝數(shù)越多，磁感應強度越大，子彈受到的力也就越大，子彈運動就越遠。

設計采用的彈丸為直徑12mm的普通鋼珠，根據(jù)設計需要，有：

射擊距離是250cm～300cm距離，為了留有裕量，假設彈丸最高能飛2m高度，有

設計的線圈為單級線圈，根據(jù)一般經(jīng)驗，在沒有能量回收的前提下，單次發(fā)射，對于圓柱形彈丸，考慮到時間有限，按照0.1%的效率考慮，需要電容儲能：

根據(jù)電容儲能公式：

假設電容耐壓450V，實際工作電壓400V，需要電容量：

根據(jù)理論分析結(jié)果，對參數(shù)進行仿真驗證，其驗證結(jié)果如圖3所示。

圖3 參數(shù)仿真圖

設計完成后，該裝置可以通過激光模塊對指示耙的掃描進行距離的確定，云臺模塊對角度調(diào)整，就可以實現(xiàn)自動尋點打靶功能，激光模塊在以一定速度進行掃描，當掃描到指示靶，激光測到的距離會發(fā)生明顯的改變，對于改變明顯的兩個點，將其角度傳遞給單片機，單片機進行計算，從而得到指示耙的位置，單片機控制云臺找到合適的角度，進行自動尋點打靶。

4 系統(tǒng)軟硬件設計

4.1 最小系統(tǒng)板設計

該裝置的控制系統(tǒng)采用STC12系列芯片作為主控芯片，最小系統(tǒng)的設計原理圖如圖4所示。整個系統(tǒng)設計中增加了四路獨立按鍵、液晶顯示電路接口，可供設計選擇時使用，單片機的所有IO端口全部引出，可供設計時使用。STC12系列單片機操作簡單，可靠度高，資源較豐富，完全滿足該系統(tǒng)的設計。

圖4 最小系統(tǒng)板原理圖

為了測試的方便和人機交互界面的友好，該設計采用液晶顯示。12864可顯示字符并完全滿足實現(xiàn)操作界面的應用，排除了更為簡單的數(shù)碼管顯示方式，該電路成熟可靠，設計簡單；設計4路獨立按鍵，4個獨立按鍵作為輸入設備，主要用于調(diào)整傾角以及目標參數(shù)的設置等。

4.2 激光測距驅(qū)動模塊設計

圖5 激光測距模塊原理圖

由于探測距離的要求，設計采用半導體激光器進行模塊設計。具體的設計電路圖如圖5所示。半導體激光器的激勵電流比較大，普通的電源不能提供如此大的驅(qū)動電流，因此設計過程中采用了能量壓縮技術。設計時，還需要考慮器件的開關響應速度、電路結(jié)構(gòu)以及噪聲控制等，外圍電路中的電阻和電容也應該考慮噪聲小、性能好的，確保電路控制精確。

4.3 電磁炮充放電模塊

該電路模塊是該裝置的核心模塊，設計使用大電流可控硅，繼電器，超級電容等，為電磁炮的充放電提供好安全的環(huán)境。具有充放電能力強，抗干擾能力強的優(yōu)點。模塊可通過繼電器控制電容是充放電。采用KP200A可控硅進行充放電控制，設計過程中通過反復測試驗證。具體的設計原理圖如圖6、7所示。

圖6 電磁炮充電模塊

圖7 電磁炮放電模塊

使用大電流可控硅，繼電器，超級電容等，為電磁炮的充放電提供好安全的環(huán)境。具有充放電能力強，抗干擾能力強的優(yōu)點。模塊可通過繼電器控制電容是充放電。采用KP200A可控硅進行充放電控制，設計過程中通過反復測試驗證。

5 系統(tǒng)的軟件設計

對于該控制系統(tǒng)，程序量較大，梳理結(jié)構(gòu)，程序模塊化設計，是利于程序?qū)崿F(xiàn)和調(diào)試的重要因素。該設計的程序設計流程圖如圖8所示。

測試分兩個部分，基本功能和發(fā)揮部分，通過按鍵選擇進入不同的測試界面，到達相應的測試界面后，再通過按鍵選擇測試功能。測試完成后，按鍵返回。測試過程中具體功能需要在此基礎上，進行實驗測試，然后再進行調(diào)整。

圖8 軟件設計流程圖

6 試驗與測試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)各部分要求進行系統(tǒng)測試，測試分為基本要求測試和發(fā)揮部分測試，測試后將測試結(jié)果繪制表格并記錄。

6.1 基本要求測試

依據(jù)題意，繪制測定表，并按照測定方法測定，并填寫測定結(jié)果，表1為電磁炮基本測試數(shù)據(jù)表。

表1 電磁炮基本測試數(shù)據(jù)表

6.2 發(fā)揮要求測試

依據(jù)題意，繪制測定表，并按照測定方法測定，并填寫測定結(jié)果，如表2所示。

表2 發(fā)揮部分測試數(shù)據(jù)表

7 結(jié)語

根據(jù)設計要求，通過理論分析和軟硬件的設計，實驗驗證，該模擬曲線電磁炮裝置水平夾角及垂直仰角兩個維度可以電動調(diào)節(jié)，可用鍵盤調(diào)節(jié)目標參數(shù)，在-30°～30°范圍內(nèi)可實現(xiàn)自動尋靶并瞄準射擊。尋找到目標靶向后，通過激光測距，并測量偏移角，控制系統(tǒng)會根據(jù)距離和角度自動控制炮管調(diào)節(jié)到相應的角度，實現(xiàn)精準發(fā)射。該裝置射擊周期短，射擊精確度高，功率低，設計簡單，為電磁炮裝置射擊提供新的設計思路。