自动步枪击发计数系统设计分析*

2023-04-12孙非凡罗永祥管小荣

火力与指挥控制 2023年2期

李杨，孙非凡，罗永祥，管小荣，徐诚

（1.泰州学院船舶与机电工程学院，江苏泰州 225300；2.南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094）

0 引言

自动步枪是一种通过被击发子弹的火药气体产生的压力和其复进簧的弹力实现连续击发的装置［1］。在国内外军队中，步枪等武器仍然是步兵最重要和最常用的武器，且在国防事业中处于越来越重要的地位［2］。

目前56 式自动步枪在我国使用较为广泛，属于导气式活塞短行程式步枪［3］。理论发射速度为600 发/min，设计寿命为10 000 发左右，超过此数量后步枪的膛线和撞针就有可能发生严重磨损而影响使用［4］。但是自动步枪射击速度非常快，可以达到每分钟数百发，单凭人类的肉眼无法有效地计数，所以设计一种可以自动高效地统计击发次数的装置显得十分必要。

由于所研究的对象为武器系统，国内外公开的此类文献相对较少。目前主流的研究方法侧重于使用红外传感器、温度传感器以及涡流传感器等方式将子弹的击发转变为电信号进行检测［5-9］。

目前国内外的研究主要都是围绕与子弹有关联的相关部位，来对子弹的射击数目进行相应的计数。本文旨在通过实时检测自动步枪拉机柄往复运动的方式，设计一种针对自动步枪击发次数进行自动计数的装置，从而用于判断步枪的使用性能以及监测步枪是否能够正常工作。此外，此击发计数装置的设计也可以为研究探索自动步枪的进一步改进提供数据支持。

1 击发计数系统结构设计

自动步枪在现代战争中是一种经常使用的基本武器，是一种通过被击发子弹的火药气体的压力和其复进簧的弹力实现连续击发的装置。它由枪管、击发机构、弹匣等多个部分组成。在击发的过程中，先要由人工上膛的方式来进行第一发子弹的上膛，在子弹上膛之后，射击者盯着瞄准镜移动枪的方向和角度至合适的位置后扣动扳机进行击发。击发时，自动步枪的撞针会撞击子弹底部，子弹中的火药形成火药气体，推动子弹穿过枪管经由枪口高速射出，同时由于枪机的向后运动完成抛壳的动作，在复进簧的作用下完成下一发子弹的自动上膛［10］。枪机与拉机柄固连，故在枪机运动的同时，拉机柄也会被子弹火药气体产生的推力完成后坐和复进的动作，从而可以完成下一发子弹的自动上膛，进而可以不用手动上膛即可继续下一次的击发，直到子弹发射完毕为止。枪身的基本步枪结构简图如图1 所示。

图1 步枪结构简图Fig.1 Simple structure of riflese

本文采用根据自动步枪拉机柄的进退运动，检测其进退的次数，从而间接地得到子弹击发的数目其安装结构如图2 所示。

图2 传感器安装示意图Fig.2 Schematic diagram of sensor installation

如图2 所示，将传感器（接近开关）放置于拉机柄的前方1 mm～2 mm（接近开关的检测距离一般为5 mm 左右），通过检测拉机柄的接近与远离获得检测信号并传输至与之相连的单片机中，亦可使单片机按照预定的程序进行计数。传感器与一块支架固连在一起，该支架可胶粘或焊接于枪身之上。

2 击发计数检测系统设计

2.1 硬件设计

在此自动步枪的击发计数系统中，采用八位数码管来对计数的结果进行显示，采用AT89C51 单片机对检测信号进行分析处理。由于该电路中同时兼顾到测试按键击发的使用、多位数进位的准确和误差干扰的屏蔽，故在仿真分析时需要输入3 个不同的信号，此处利用一个单刀三掷开关将该3 个输入信号有选择地连接于单片机外部接口。输入端的3个信号全部用来仿真验证，一个信号为按钮，由人为手动按下，它模拟接近开关得到的击发信号；一个信号模拟固定频率的击发是否可以准确进位和计数；一个信号则作为验证系统精度所使用。其proteus 仿真模型如下页图3 所示。

图3 自动步枪击发计数检测系统Fig.3 fire counting detection system of automatic rifles

2.2 程序设计

自动步枪在扣动扳机后击发子弹，子弹的高压气体反作用于枪机活塞，活塞带动拉机柄向后运动，随后由于复进簧的作用再次向传感器方向移动并停留于原位置，完成再次上膛。拉机柄每往复运动一次，传感器就会获得一次变化信号。

另外，此计数系统需要考虑到一个影响计数精度的因素是拉机柄在由复进簧推动而复进到位时，会由于碰撞而向后发生小距离反弹，这次反弹会再次被接近开关检测，而事实上此计数信号属于干扰信号，此时并没有子弹的击发。所以应该把该信号误差屏蔽掉，否则便会对计数的结果产生影响。由于56 式自动步枪的击发速度约为600 发/min，即0.1 s/发，即拉机柄前后运动一次的时间为0.1 s，而该小距离的反弹时间必定小于该工作过程时间的一半。故设计时设置一个50 ms 的时间间隔，在单片机得到传感器的传输信号并成功计数一次后，从该次计数起的后50 ms 内的信号都不再进行计数。由此即可消除由拉机柄复进到位反弹所造成的计数不准确的问题。

本程序中采用Keil uVision4 中自带的端口定义头文件：

数码管的数字显示采用字符数组的方式，数组里面存放0～9 数字的代码，以便于后续的调用。另外还需定义用于判断是否误计数的状态变量及用于定时器定时的变量等，代码如下：

由于接近开关检测到信号时输出低电平，从高电平到低电平变化一次即代表接近开关得到信号一次，所以设计单片机的触发方式为下降沿触发，此处采用INT0 中断检测的方式，则P3.2 口端口从1 变为0 则代表了接近开关传输的一次信号，即模拟了射出一发子弹时接近开关的信号。

使用T0 定时器判断信号检测时间间隔是否大于50 ms，从而用于消除误计数。代码如下：

主函数中写入ET0，TH0、TL0 等参数，并相应开放EA 总中断和各种定时器模式。其中，应设置EA=1（开启总中断）；ET0=1（开放T0 中断）；IT0=1（下降沿触发）；EX0=1（打开INT0 的中断允许）；TMOD=0x01（定时器模式，T0 使用工作方式1）；TR0=0（打开T0 定时器）。另外，一些数码显示子程序、延时子程序等较为通用，此处不再赘述。

3 击发计数系统功能验证

3.1 击发计数系统功能仿真验证

3.1.1 计数可行性仿真验证

连续点击连接于P3.2 口的计数按钮会发现每按下一次按钮，数码管的数字就会加一，并且能够准确进位。固定频率信号连续击发5 663 次后的计数界面如图4 所示。本设计的最大的计数数字为99999999，完全能够满足自动步枪射击寿命的计数需求。

图4 计数界面Fig.4 Counting interface

若需要清零重新计数，则可以按下左侧的复位清零按钮，数码管的显示变为00000000，可以重新进行下一次的计数。

3.1.2 消除复进到位反弹误计数仿真验证

为了验证拉机柄在接近开关前侧发生的反弹抖动对计数的影响是否能够被解决。为此将单刀三掷开关拨动至分段线性激励源，分段线性激励源可以自行随意设置检测信号，从而帮助分析验证计数系统能否完成功能需求。

将线性激励源设为如下页图5 所示波形，此波形有6 次下降沿，但其中有2 次下降沿间隔小于50 ms，只有4 次下降沿间隔大于50 ms，故单片机应当只计数其中的4 次方可判定为计数正确，即接通电源后数码管应显示数字4 即为正确。仿真后结果如图6 所示，成功验证了计数的正确性，消除了复进到位后的反弹误计数。

图5 验证波形Fig.5 The waveform used for verification

图6 消除误计数验证结果Fig.6 Verification results of eliminating false counting

通过上述验证，可以看出，计数系统可以满足一次计数后50 ms 内无论任何信号进入都不再计数的功能，由此消除了拉机柄反弹抖动对计数的影响，可以使计数系统的计数结果准确无误。

3.2 击发计数系统功能实验验证

本文研究的是所设计遥控武器全系统中击发计数的单一功能内容，所使用实验验证系统是针对遥控武器全系统的控制箱跟上位机电脑，控制箱如图7 所示。

图7 控制箱Fig.7 Control box

该遥控武器系统使用电机丝杆拉动拉机柄进行首发装填上膛功能，通过电磁铁拉动扳机进行射击，通过电磁铁的吸合时间控制连发射击子弹发数。控制箱上包含首发装填控制按钮，发射按钮可进行单发射击。X.KY1 与X.KY2 用于连接遥控武器上面的连接器。控制箱通过RS-422 连接上位机电脑。上位机可用于对遥控武器的控制，并能够实时监测系统状态。上位机控制软件界面初始如下页图8 所示。

图8 上位机控制界面Fig.8 Upper computer control interface

本实验只进行系统的击发计数功能验证，实验验证流程为：1）通过控制箱发出首发装填指令；2）通过控制箱发出单发射击指令；3）通过上位机发出单发射击指令；4）通过上位机发出3 发射击指令。

最终实验完成后的上位机软件界面如图9 所示。

图9 实验结果界面Fig.9 Experimental result interface

通过实验观察，遥控武器枪支先进行了上膛动作，后陆续实现了单发射击、单发射击、三连发射击功能，与实验预期流程相吻合。

通过实验结果界面可以看出，由于首发装填指令是由控制箱通过RS-422 接口发出，故软件界面最终RS422 首发装填指令计数为1；第1 次发射指令由控制箱通过RS-422 接口发出，故RS422 发射指令计数为1；通过3 次发射指令共发射了5 发子弹，故电磁铁吸合次数为3，子弹发射发数为5，剩余子弹25 发。

通过实验结果可以看出，所设计击发计数系统能够准确无误的对遥控武器进行计数，与仿真结果相吻合。