基于STM32F103系列单片机的模拟电磁曲射炮设计与实现

李娅

（湖南工业职业技术学院，湖南长沙，410000）

1 系统方案

根据赛题要求，分析功能需求和实现技术路径，确定系统分为控制部分、检测部分、电磁炮充能击发部分、平台运动控制部分。

1.1 控制部分方案论证

方案一：选用STM32F103

STM32系列微机采用ARM Cortex- M3内核，可通过时钟倍频实现72MHz主频，片内即成了多通道ADC，具有较强的数字处理性能。系统性能卓越，成本低，应用十分广泛，有着大量成熟案例可供借鉴。

方案二：选用MSP430F149

MSP430F149IPM是TI公司设计生产的一款超低功耗的16位单片机。具有低功耗休眠模式，苏醒速度快。内置12位ADC，具有内部参考电压源，并有采样、保持、自动扫描等功能。支持在线编程调试，开发调试十分方便。

本方案需要快速采集距离测量信息并进行公式换算，对计算能力要求较高，对功耗不敏感，因此选用方案一的STM32F103作为主控部分。

1.2 平台运动控制部分

方案一：采用步进电机构建运动平台

步进电机采用开环控制，控制性能优良，动作执行稳定，步距值不受各种因素干扰。中低输出力矩大，控制误差不会累积，性价比高。但是电机本体较重，高速性能差。

方案二：采用舵机构建运动平台

舵机采用比例控制方式调整角度，稳定性好，控制简单。控制过程采用闭环控制，具有反馈信号。本体体积小，重量轻，外围电路较为简单，易于集成。

1.3 充能击发部分

电磁炮工作原理类似于圆筒形直线异步感应电动机，在线圈中通过脉冲或交变电流产生磁性波驱动金属弹丸前进，实现弹丸击发。常见的电磁炮驱动方式有单级线圈加速和多级线圈接力加速两种模式。

单级线圈加速时炮弹所有动能都来自于单线圈磁场能量转换，对于线圈能量要求非常高，需要高压驱动，对电源充能模块要求较高。

多级线圈接加速方案降低单级线圈能量需求，改为用多个线圈接力对金属弹丸进行加速，每次进行恒定加速。该方案对于线圈能量要求较低，不需要高压驱动，对电源充能模块要求不高。但是加速过程控制逻辑十分复杂，对于金属炮弹在磁场内运动过程的分析要求非常准确，理论难度较大。

选择多级线圈加速方案控制逻辑过于复杂，所以本方案选择采用单级线圈加速方案实现电磁炮。

2 理论分析与计算

2.1 电磁炮参数分析

电磁炮工作原理类似于圆筒形直线异步感应电动机，驱动电源为储能电容，击发弹丸的实质是金属体在磁轨上的加速过程。金属弹丸在感应线圈形成的磁场内受到洛伦兹力作用开始加速，受力大小与磁场磁感应强度和弹丸特性有关。感应线圈内磁场强度计算公式为：

式中μ0是真空磁导率常数，μ0= 4π× 10-7N·A-2，n为线圈匝数，I为流过线圈的电流。而磁场中金属弹丸受力为：

S为弹丸与磁通密度正交的面积，即弹丸的截面面积。故弹丸垂直于磁场面积越大，受到磁场推力越大。

电磁炮管上磁通线圈长度为l，简化电磁线圈炮模型后，根据磁场做功情况和能量转换可得弹丸初速度计算公式，式中m为弹丸质量，v为击发速度。

2.2 弹道分析

弹丸离开加速线圈后，可简化为斜抛运动过程。飞行过程中的受力分析及速度分解如图1所示。

图1 弹丸飞行过程受力分析及速度分解

f为空气阻力，G为弹丸重力，vp为弹丸击发速度。因为弹丸较小，撞风面积极小，飞行距离短，空气阻力作用可以近似忽略，此时弹丸垂直方向只受到重力作用，水平方向近似匀速直线运动。

模型简化后，弹丸飞行距离只与弹丸发射速度和俯仰角有关，改变发射俯仰角或者改变弹丸初速度都可以改变弹丸发射距离。为简化控制逻辑，本方案中固定发射仰角为35°，通过改变储能磁感线圈电流的方式获得不同的弹丸发射初速度，实现距离控制。

对弹丸飞行过程进行分析可得方程组，求解该方程组可得飞行距离与初速度关系。与电磁炮参数方程联立可得充电电压与弹丸飞行距离之间的关系。

3 电路与程序设计

3.1 硬件电路设计

电路总体包括STM32F103主控电路、超声波测距电路、充能-击发控制电路。电磁炮和超声波探头均搭载于舵机云台上同步运动。通过触控屏实现人机交互和参数设定。STM32通过PWM信号控制充能-击发控制电路，调节发射电压，控制电磁炮击发。

（1）STM32F103主控电路

核心控制部分由STM32F103芯片及外围电路构成，电路如图2所示。

图2 核心控制电路

（2）超声波测距电路

超声波测距电路采用HC-SR04模块实现。

（3）充能-击发控制电路

充能-击发控制部分电路由充能电路、击发电路和充电电源控制电路三部分组成。充电阶段STM32控制充电电源开关电路接通直流电源与升压充能模块，对电容充电储能；单片机通过改变PWM信号占空比调控UC3843芯片2号引脚参考电位，实现储能电容电压调节。充电完成后，电源开关电路断开，结束充电，电磁炮进入待发状态。输入击发信号后，STM32控制电磁炮击发部分导通晶闸管，储能电容对电感线圈放电，形成磁场驱动金属弹丸发射。相关部分电路如图3所示。

图3 充能-击发控制电路

3.2 软件程序设计

软件系统设置了三种工作模式：手动、半自动、自动。手动模式下，通过触摸屏设定标靶距离，系统根据公式计算充电电压。点击发射后自动调整至35°仰角，开始充电，电压稳定后提示击发。

半自动模式下，手动输入定标点与环形靶中心距离和环形靶偏转角。云台定位于偏转角，系统启动红外测距确定定标点位置，根据公式计算充电电压。点击发射后自动开始充电，充电电压稳定后击发。

自动模式下，云台在-30°～30°范围进行自动测距扫描，确定环形靶偏转角和距离，控制云台定位于偏转角，计算充电电压后自动进入击发环节。

（1）充能和击发控制程序

充能控制程序能够根据手动输入或自动测量的标靶距离计算得到充电电压，产生对应PWM控制信号调整电容储能电压，同时开始充电过程和击发控制。详细流程如图4所示。

图4 充能和击发流程

（2）自动扫描程序

云台以2°步进自动扫描-30°～30°范围，通过超声波检测标靶位置。超声波检测到标靶回波后，自动停止扫描，根据运动方向进行角度计算和补偿，确定偏转角并进行精确测距。详细流程如图5所示。

图5 自动扫描流程

4 测试结果

4.1 测试方案及条件

（1）测试条件：带有距离和角度标尺的测试地图、直流稳压电源、电池、秒表。

（2）测试方案：组装设备置于测试地图基点，利用直流稳压电源和电池给系统供电，检查线路连接和接地安全情况。根据试题要求对每种情况进行5次重复测试，通过卷尺和地图距离标尺确定弹着点偏离；通过秒表计量完成时间。

4.2 测试结果

（1）基础部分

表1 基本要求（2）测试结果

表2 基本要求（3）测试结果

（2）发挥部分

表3 发挥部分（1）测试结果

表4 发挥部分（2）测试结果

5 总结

该作品系统的成功完成了各项所需功能，相关指标明显高于要求，系统可靠性高。通过对电磁炮工作的准确理论分析和大量实际测量，建立了精确地数学模型和换算公式，大大提高了系统精度。电路设计完善合理，特别是核心部分斩波升压充电电路十分稳定，能够通过单片机PWM有效控制储能电容充电电压，高低压隔离措施完善，可靠性高。