【风采汇】电赛国二电磁炮

大一就头铁来参赛了，奔着体验体验来的，没想到经过靠近两个月的学习，对stm 32也小有所成，跟着原子哥，从0开始一点点学。在后面练习的时候恰好又练了图像处理方便的题，加上大量的运气因素，有了这么好的结果，太舒服了。

写一点点程序的内容

.程序设计

（1）摄像头采集

采用ov2640摄像头进行图像数据采集，识别红色标志物。由于不自带处理器，我们采用最简单的方式，将图像信息传到LCD显示屏上，再通过读点函数，得到每个点的RGB值。考虑到只要识别红色，同时为了减轻单片机的负担，所以没有选择繁琐地将RGB转换成色调饱和度等信息，而是直接对RGB数据进行分析处理。

我们将摄像头和炮台的位置相对固定在同一竖直线，当红色标识的代表点（即红色标志的中心）处于屏幕中间时，即可保证在水平层面上的精确瞄准。

（２）超声波测距

通过sc_sr04，由单片机发出15um的高电平，记录下收到的反馈高电平的时间（等于超声波来回的时间），在根据声音传播的速度，实现对距离的测控。

（3）距离控制

距离控制初步设想为给定一个角度，测量水平移动距离，计算出初始速度。而保证电压电容等一致，可保证初速度基本相同。已知初速度后，可根据出射的角度算出相应的位移。但由于反求角度时，需要用到acsin函数，即使用泰勒展开式，也很麻烦。考虑到实际需要的位移仅在200到300cm之间，且位移精度以厘米为单位已足够，所以我们觉得采用最简单的，直接通过实验建立角度和位移之间的关系，用最简单有效的方式控制出射距离。

摘要：根据题目要求，通过对电磁炮基本原理的分析，结合现代控制技术设计理念实现了以STM32-F407单片机为核心控制的电磁炮发射控制系统。电磁炮由加速线圈和弹丸线圈构成，根据通电线圈之间磁场的相互作用原理而工作的。加速线圈固定在炮管中，当它通入交变电流时，产生的交变磁场就会在弹丸线圈中产生感应电流。感应电流的磁场与加速线圈电流的磁场互相作用，产生电磁场力，使弹丸加速运动并发射出去。由电容放电来提供电磁炮发射的能量来源，我们根据电容放电能量的大小以及各种能量损耗，大致确定了电磁炮的发射速度，通过不断的重复实验，确定了电容大小及放电的电压大小。电磁炮的放射方位由两个舵机来确定，使电磁炮能绕Z轴，Y轴转动。通过一系列的理论计算，改变电磁炮在XY面和在ZX面内的转角，从而控制电磁炮射出子弹的落地位置，舵机的转动角度由单片机编程控制。

关键词：电磁炮发射控制系统，STM32-F407单片机，电容放电。

一、系统方案

1.系统结构

系统包括STM32-F407单片机模块，DC转DC模块，电磁炮及电机云台模块，电容放电模块，电容充电放电开关模块。系统框图如下：

2.方案比较与选择

（1）DC转DC模块

DC12V转换DC5V和DC6V降压模块

方案一：稳压管稳压电路，此电路结构简单，易设计焊接，但是带负载能力差，一般只为芯片提供基准电压，不作电源使用，适用于对供电电压不高的芯片使用，不适用。

方案二；使用LM2596多路开关电源，可完成3.3V/5V/12V/ADJ可调输出,多路输出可以调节5V,6V输出，LM2596是降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，而且在市场上可以购买到，方便快捷。

所以选择方案二。

DC12V转换DC200V升压模块

方案一：使用逆变器，输入DC12V，输出AC220V,再经过整流桥整流，滤波，稳压，从而输出190V，此方案输出电压较为稳定，可以满足要求，但是在稳压阶段会散发很大热量，因为AC220V整流滤波出来的电压将近311V，稳压后输出190V，有很大一部分功率经稳压器通过热量散发，不太安全，且逆变器和高压稳压器价格较昂贵，性价比不高。

方案二：ZVS升压电路，再经过变压器变压，整流滤波，可以得到DC190\V,ZVS电路的作用和逆变器的作用相似，使直流变为交流，且输出电压根据输入电压的改变而改变，降低了功率消耗，此电路输出的直流稳压不很稳定，但足以容充电。

所以选择方案二。

(2)电机模块

方案一：步进电机，布进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。简单的说是靠电脉冲信号来控制角度与转动圈数。所以说他只靠脉冲信号来决定转动多少。因没有传感器，所以停止角度会有偏差。但是精确的脉冲信号则会将偏差减至最低。作为电磁炮的方位驱动装置，要求电机有很精准的转动角度。

方案二：伺服电机,伺服电机不是说一个电机，而是一个电机系统，它包含电机、传感器和控制器。伺服电机的精度极为精确，实现了位置，速度和力矩的闭环控制，而且抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。但是伺服电机是由一整套系统组成，体积太大，部件太多，用于控制小电磁炮有点大材小用，而且伺服电机价格较为昂贵。

方案三：舵机，舵机的主要组成部分为伺服电机。其中包含伺服电机控制电路+减速齿轮组，伺服电机没有减速齿轮组，而舵机有减速齿轮组。舵机的结构紧凑，易于安装，控制简单，大扭力，而且成本低，体积小，可以用单片机进行控制。

综合上述三种电机的优缺点，我们选择舵机。

二、理论分析与计算

（1）电容放电的能量

我们采用2个470μF耐压400V的电解电容并联，根据电容的储能公式W＝½CU²可求出电容储存的能量。

W＝½CU²=0.5x940x10-6x4002=75.2J

(2)ZVS电路相关计算

如下为ZVS电路图：

下图为ZVS电路的波形图：

由波形图可知L1下端b点的波形为正弦波的绝对值（即为下面降到的Vbm）。由稳态时电感两端电压积分为0，流过电容电流积分为0，可计算出b点电压振幅。

设b点电压为Vb=||,电源电压为Vcc,

则L1两端电压为既

对L1两端电压积分计算得

由波形图可知b点电压为a到c的电压的一半，所以a、c两端的电压即C1端电压为 *2，即为

则Vac=12xπ=37.7V

计算输出交流电流的频率

该谐振为LC并联谐振，所以谐振频率为f=

f==5699Hz

（3）电磁炮炮弹所获得的动能

三，电路与程序设计

1.电路设计

（1）ZVS升压与整流稳压模块

如下图所示：

变压器左边电路为ZVS升压电路，它的作用是将直流变为交流，输出电压和频率以上理论计算已经算出，变压器的前级线圈与后级线圈之比为5：50，整流桥所用的二极管HER608，因为经变压器后的电压很高，所选用的二极管耐压也要很高，经过0.1微法电容滤波后输出直流电压，电压值在上述理论计算中已算出。

（2）电容放电开关模块

如下图所示,单片机给此电路信号，置1时，此电路导通，电容放电，为电磁炮提供能量，置0时，电路不导通，电容持续储存能量。电路图中的可控硅型号为BCB60-1600，二极管选用的是HER608

（3）电容充电开关模块

电路图如下，三极管选用的是8050，二极管为1N4148,继电器型号为HK4100F-DC5V-SHC。继电器线圈的一段接5V电源，另一端接三极管8050的集电结C,继电器线圈两端并联一个二极管1N4148,用于吸收释放继电器断电时产生的反向电动势。当STM32-F407单片机置1时，输出高电平，三极管导通，高电压为电容充电，当STM32-F407单片机置0时，输出低电平，三极管截止不导通，高电压停止给电容充电。