林政宇 王福杰 秦毅 郭芳 任斌

【摘? 要】目前，大多數(shù)高校缺乏能夠快速提升學生動手能力的實驗裝置，論文設計了一種可以直接用于電路電子教學的電磁炮實驗裝置。裝置由以STM32單片機為核心的控制模塊、充放電模塊、電磁炮發(fā)射模塊、OpenMV視覺模塊及操作模塊組成。為實現(xiàn)對電磁炮發(fā)射目標的精確控制，采用OpenMV視覺測距模塊對目標區(qū)域進行檢測，并反饋至核心控制模塊控制雙舵機云臺調(diào)整發(fā)射角度，通過驅(qū)動充放電模塊設定電磁炮的推進量進行發(fā)射。實踐證明，基于OpenMV視覺伺服的高精度電磁炮實驗裝置系統(tǒng)能根據(jù)目標區(qū)域快速調(diào)整自身的發(fā)射角以命中目標區(qū)域。

【關(guān)鍵詞】電磁炮;實踐教學;STM32單片機;視覺伺服;實驗裝置

【Abstract】At present， most colleges and universities lack the experimental device which can quickly improve students' hands-on ability. This paper designs an electromagnetic gun experimental device which can be directly used in circuit and electronic teaching. The device consists of a control module with STM32 single chip microcomputer as the core， a charging and discharging module， an electromagnetic gun launching module， an OpenMV vision module and an operating module. In order to realize the accurate control of the launching target of electromagnetic gun， the OpenMV visual ranging module is used to detect the target area， and feedback to the core control module to control the double steering gear pan tilt to adjust the launching angle， and the propulsion of the electromagnetic gun is set by driving the charging and discharging module to launch. Practice has proved that the experimental device system of high-precision electromagnetic gun based on OpenMV visual servoing can quickly adjust its launching angle according to the target area to hit the target area.

【Keywords】electromagnetic gun; practice teaching; STM32 single chip microcomputer; visual servoing; experimental device

1 引言

目前，大部分高校使用傳統(tǒng)實驗箱裝置開展電子電路設計、單片機設計等實驗課程，此類實驗箱存在功能單一、價格昂貴、可擴展性不強等缺點。因此，急需開發(fā)一套價格低廉、可操作性強的實驗裝置。

電磁炮演示裝置利用“電生磁”與“磁生電”的物理原理實現(xiàn)對球體的發(fā)射，可通過單片機編程調(diào)整出炮管的發(fā)射角度，小型化、便攜式的電磁炮實驗教學裝置能極大地提升學生的實驗操作能力。目前，各大高校也紛紛采用電磁炮裝置作為實驗教學工具，然而從所檢索到的數(shù)據(jù)來看，目前用于教學的電磁炮裝置存在模型體積龐大、結(jié)構(gòu)簡單、實際功能較為單一等需要改進的地方，并且一般只具有儲能與發(fā)射功能，遠不能滿足高校對電磁學的實驗演示要求。本文研制了基于OpenMV視覺伺服的高精度電磁炮實驗裝置，涉及視覺伺服、機電一體化、電磁理論等諸多領(lǐng)域，具有效果直觀、可操作性強、控制性能好等優(yōu)點。使用該款裝置能基本涵蓋單片機的教學實踐內(nèi)容，也可通過增加功能動態(tài)適應單片機技術(shù)發(fā)展，最大化地增加了教具的趣味性和多樣化特征。

2 總體方案設計與工作流程

該電磁炮教學裝置大致可分為總控制模塊、視覺分析模塊、操作模塊、充放電模塊和發(fā)射模塊，其中又可細分為控制電路、瞄準電路、測距電路、顯示電路。控制電路包括依次連接的電源、單片機電路、升壓整流電路、限流充電電路、穩(wěn)壓電路、繼電器開關(guān)電路和發(fā)射電路;按鍵模塊包括充放電開關(guān)、發(fā)射開關(guān)和距離輸入按鍵;瞄準電路包括OpenMV模塊和云臺;測距模塊包括超聲波測距器;顯示電路為加在單片機上的LED屏組成。其具體工作原理和步驟如下：

步驟1：在需要進行電磁炮演示實驗時，首先，學生需先放置目標模型，插上24V電源1-1接口，為穩(wěn)壓器供電，繼而通過穩(wěn)壓器1-2為其他元器件供電;其次，打開單片機1-3和OpenMV1-4的開關(guān)。

步驟2：當完成供電及打開開關(guān)后，OpenMV1-4自動進行定位，反饋輸出信號給單片機1-3，運行代碼程序，單片機輸出信號控制雙舵機1-15、1-16調(diào)整角度。

步驟3：當調(diào)整好角度后，超聲波測距器1-5實時調(diào)整檢測距離，并反饋至與單片機相連的LED屏1-6上供學生觀看，通過按鍵模塊輸入距離。

步驟4：當學生在按鍵模塊1-7上輸入距離后，按鍵模塊反饋距離至單片機1-3，并通過代碼計算出偏角，調(diào)整炮管1-8上下偏角。

步驟5：當雙舵機1-5調(diào)整好角度定住不動時，單片機1-3輸出高電平信號給與升壓模塊1-9及超級電容1-10相連的繼電器1-11，使其打開開關(guān)，將24V航模電池1-1供電升壓到200V對超級電容1-10充電指時間。

步驟6：充電完成后，步驟3中所述繼電器關(guān)閉。單片機1-3再輸入高電平信號給與電磁炮上纏繞線圈及超級電容1-10相連的繼電器1-11，使其打開開關(guān)，并放電指定時間。

步驟7：當電磁炮纏繞線圈通電時，電流經(jīng)過纏繞線圈產(chǎn)生感應磁場，鋼珠1-12在磁場力的作用下彈出炮管，精確擊中目標。

3 機械結(jié)構(gòu)及硬件設計

該電磁炮模型所有裝置固定在一個水平的亞克力板1-13上，發(fā)射模塊通過海綿墊用四個螺絲緊固底板，防止震動影響，其余模塊通過雙面強化膠固定，依次排列好，所用杜邦線也通過膠紙粘于板。瞄準電路的云臺為雙舵機水平360°、豎直270°旋轉(zhuǎn)云臺。且發(fā)射模塊支撐部分，由凸型底座1-14為基座，一個舵機1-15放入底座中央使上部結(jié)構(gòu)能水平360°旋轉(zhuǎn)，同時，支撐部分的中央為一矩形結(jié)構(gòu)，另一舵機1-16在其中使該矩形底邊固定不動，其三邊可與底邊旋轉(zhuǎn)270°范圍。電磁炮的硬件控制電路由繼電器、供電模塊、STM32F4系列單片機、超級電容模塊、舵機云臺模塊以及OpenMV和超聲波模塊組成。連接充電和放電模塊的繼電器開關(guān)均由單片機控制，同時，OpenMV和超聲波模塊各自的識別和測距也會傳輸至單片機，通過閉環(huán)反饋PID不斷修正。由學生親自輸入單片機上LED屏數(shù)值后，控制發(fā)射。整體發(fā)射流程通過單片機與各模塊之間的通信來控制。

電磁炮的理論基礎(chǔ)是法拉第電磁感應定律。當通過閉合導體回路的磁通量發(fā)生變化時，導體回路中產(chǎn)生感應電流，感應電流流過的導線在原磁場中會受一個力的推動。假設驅(qū)動線圈脈沖電流為Iq，兩者之間的互感為P，則兩者之間沿線圈軸線方向的作用力為：

式中：F為彈丸所受的電磁力;B為炮管內(nèi)部的磁場強度;q為彈丸的帶電量;N為線圈匝數(shù);v為彈丸垂直于磁場方向的運動速度;I為電流強度;t為通電時間。由此可知，當線圈匝數(shù)固定時，彈丸獲取的動能與電容放電時提供的電壓有關(guān)。由上式可知：①為了使彈丸獲得盡量大的作用力F，線圈應與炮膛同軸，繞在炮膛外面，通過膠水或者支架安裝在炮膛底部。②在線圈匝數(shù)一定的情況下，盡量縮短線圈的分布長度，故用粗導線繞制線圈，減小線圈的內(nèi)阻。③通過不斷測量，發(fā)現(xiàn)將彈丸放到線圈的末尾處，受到的電磁力做的功最多，獲取的動能最大，彈射效果最好。

為了確保了超級電容的安全性，提高該裝置的安全性，通過繼電器開關(guān)將充放電兩個階段完全隔離開來。且該電磁炮模型裝置，可以通過增加電容個數(shù)和纏繞圈數(shù)，控制發(fā)射的能量大小，提高了該裝置的發(fā)射靈活性。電容儲能能量大小可表示為：

式中：C表示電容量;U表示電壓。當充電電壓越高，電容容值越高，存儲的能量也越高。而電容的容值同時也決定充電時間的長短，容值越高充電時間越長。根據(jù)電容充放電原理，自行搭建電路，電容充電時間短，且放電的瞬間可以產(chǎn)生巨大電能，通過升壓模塊，將電壓儲存在電容中，可以有效控制鋼珠的發(fā)射。

4 軟件設計

該教學用電磁炮模型包括自動和手動兩種控制模式。由OpenMV攝像頭實現(xiàn)目標追蹤，鎖定目標，超聲波探測器探測距離，反饋至單片機。單片機控制放電電路的線圈電流進而控制發(fā)送角度。單片機通過Keil5搭建編譯環(huán)境，控制在代碼里面實現(xiàn)，采用PID算法進行閉環(huán)反饋。

5 結(jié)語

本文提出了一種教學用電磁炮裝置，具有操作簡單、效果直觀、模式靈活等優(yōu)點，可以設置自動和全自動模式，具有極高的教學糾錯性，提高了教學的實際效果。

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