基于STM32 的模拟电磁曲射炮

杨荣兴 西北民族大学

引言

目前，由于受到火药气体膨胀速度的限制，常规的固体发射火炮已无法满足现代军事的要求，它对弹丸的加速及初速度有很大的限制。众所周知，火炮技术的历次革命皆以发射能源的变更为标志。本系统的单级线圈电磁炮是利用电磁力产生动能推进弹丸的一种先进的动能装置，它是利用电磁系统中电磁场的作用力，其作用的时间要长得多，可大大提高弹丸的速度。

1、系统方案

本系统主要由单片机、电磁炮发射装置、舵机和电源组成。

我们采用STM32 芯片作为主控芯片对曲线电磁炮进行控制，电磁炮上电之后会自动摆正炮管然后静待输入参数（目标距离及目标角度），参数输入完毕一键启动发炮后，电磁炮会自动调整水平及垂直方向上的角度然后开炮，其中按键工具我们采用的是矩阵键盘，简单便捷，为提高输入参数的准确性，我们在硬件搭建上加入了OLED 显示屏，将其与矩阵键盘联系在一起从而将键入的数值参数在显示屏上显示，以方便观察。在电磁炮的制作上我们利用升压模块得到200 电压对大电容进行瞬间充电，再利用电容放电至线圈得到磁场从而发炮。

2、主控制器件的选择

STM32F103R 单片机，具有功能强大、效率高的指令系统，高性能模拟技术及丰富的外围模块。主要应用的是定时器的PWM模式，PWM 模式只能在定时器的4 个通道产生频率相同但是占空比不同的输出信号控制4 个电机的运行。

3、电磁炮原理分析

单级线圈电磁炮是利用物理学中运动电荷或载流导体在磁场中受到电磁力作用的来加速弹丸的。其关键技术在于保证激励电流与导体的运动同步。它主要由环绕在炮膛外数匝漆包线构成线圈作为发射器(加速身管)，并由大电容充当电源释放电能给线圈而产生洛伦兹力。

4、参数计算

在电磁场中，磁感应强度

电磁炮轨迹计算

由此有

最终可得抛物体的轨迹方程为

5、电磁炮电路设计

由直流电源为电磁炮供能，升压模块将电源较低的电压转变为高电压并给储能电容充电，储能电容用来储存电能和向线圈释放电能，控制开关用来控制充电和放电（放电即为开启发射装置）。其中组成元件有12V 直流电源、整流二极管、阻尼二极管、电解电容、电感线圈以及电阻。电容作为储能器件,具有容量大、内部电感极小、耐压高的特性,储能达数千焦耳至数兆焦耳。开关采用继电器，能极好的保证电路的安全性，当电路发生故障时能及时切断电路。阻尼二极管的作用是防止反向电压对电容反向充电,避免损坏电容器。

6、控制理论分析

利用舵机搭建云台，控制方向和角度。舵机是控制电路接收信号源的控制脉冲，进而驱动电机转动；齿轮组将电机的速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大相应倍数，然后输出；电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机转动角度；单片机检测并根据电位器转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持目标角度。

7、STM32F103R 单片机程序编写

由于炮管的角度调整是依据舵机进行调整，而舵机的控制是靠PWM 的输出，所以代码的开始要先进行PWM 的初始化以及其它模块（OLED 显示屏等）的初始化。代码的整体结构是在一个while 循环里面进行switch 的选择判断执行。首先刚进入while时先对所选引脚PG(11)进行高电平的输出（因为电磁炮的最终发射是继电器在控制，而继电器的相关引脚就是PG(11)），然后执行按键读取函数读取按键的第一个键入数值从而区分电磁炮的不同发射情况，switch 判断后在进入所选择的情况后就去执行该情况下所对应的代码---执行按键读取函数等待键入参数，键入参数完毕后一键发炮，而发炮键在代码中即将继电器的对应引脚PG(11)代码改为输出低电平，通过延时低电平持续时间控制大电容充电时间从而控制开炮。

8、实物图

9、总结

模拟电磁曲射炮是以STM32F103R 单片机为控制核心。通过控制舵机转动相应的角度使炮口对准目标，发射电磁炮击打环形靶。由于能否打中靶，决定于舵机能否转动正确的角度，所以对硬件的搭建要求很严格，为了降低误差，发射装置的电路设计必须十分精细，对电压大小的选择和控制十分重要。在设计电磁曲射炮中，不仅学到了电磁方面的知识，而且在动手能力，发现问题解决问题的能力上有了很大的提高。