【風采匯】電賽國二電磁炮

大一就頭鐵來參賽了，奔著體驗體驗來的，沒想到經過靠近兩個月的學習，對stm 32也小有所成，跟著原子哥，從0開始一點點學。在后面練習的時候恰好又練了圖像處理方便的題，加上大量的運氣因素，有了這么好的結果，太舒服了。

寫一點點程序的內容

.程序設計

（1）攝像頭采集

采用ov2640攝像頭進行圖像數據采集，識別紅色標志物。由于不自帶處理器，我們采用最簡單的方式，將圖像信息傳到LCD顯示屏上，再通過讀點函數，得到每個點的RGB值。考慮到只要識別紅色，同時為了減輕單片機的負擔，所以沒有選擇繁瑣地將RGB轉換成色調飽和度等信息，而是直接對RGB數據進行分析處理。

我們將攝像頭和炮臺的位置相對固定在同一豎直線，當紅色標識的代表點（即紅色標志的中心）處于屏幕中間時，即可保證在水平層面上的精確瞄準。

（２）超聲波測距

通過sc_sr04，由單片機發出15um的高電平，記錄下收到的反饋高電平的時間（等于超聲波來回的時間），在根據聲音傳播的速度，實現對距離的測控。

（3）距離控制

距離控制初步設想為給定一個角度，測量水平移動距離，計算出初始速度。而保證電壓電容等一致，可保證初速度基本相同。已知初速度后，可根據出射的角度算出相應的位移。但由于反求角度時，需要用到acsin函數，即使用泰勒展開式，也很麻煩。考慮到實際需要的位移僅在200到300cm之間，且位移精度以厘米為單位已足夠，所以我們覺得采用最簡單的，直接通過實驗建立角度和位移之間的關系，用最簡單有效的方式控制出射距離。

摘要：根據題目要求，通過對電磁炮基本原理的分析，結合現代控制技術設計理念實現了以STM32-F407單片機為核心控制的電磁炮發射控制系統。電磁炮由加速線圈和彈丸線圈構成，根據通電線圈之間磁場的相互作用原理而工作的。加速線圈固定在炮管中，當它通入交變電流時，產生的交變磁場就會在彈丸線圈中產生感應電流。感應電流的磁場與加速線圈電流的磁場互相作用，產生電磁場力，使彈丸加速運動并發射出去。由電容放電來提供電磁炮發射的能量來源，我們根據電容放電能量的大小以及各種能量損耗，大致確定了電磁炮的發射速度，通過不斷的重復實驗，確定了電容大小及放電的電壓大小。電磁炮的放射方位由兩個舵機來確定，使電磁炮能繞Z軸，Y軸轉動。通過一系列的理論計算，改變電磁炮在XY面和在ZX面內的轉角，從而控制電磁炮射出子彈的落地位置，舵機的轉動角度由單片機編程控制。

關鍵詞：電磁炮發射控制系統，STM32-F407單片機，電容放電。

一、系統方案

1.系統結構

系統包括STM32-F407單片機模塊，DC轉DC模塊，電磁炮及電機云臺模塊，電容放電模塊，電容充電放電開關模塊。系統框圖如下：

2.方案比較與選擇

（1）DC轉DC模塊

DC12V轉換DC5V和DC6V降壓模塊

方案一：穩壓管穩壓電路，此電路結構簡單，易設計焊接，但是帶負載能力差，一般只為芯片提供基準電壓，不作電源使用，適用于對供電電壓不高的芯片使用，不適用。

方案二；使用LM2596多路開關電源，可完成3.3V/5V/12V/ADJ可調輸出,多路輸出可以調節5V,6V輸出，LM2596是降壓型電源管理單片集成電路的開關電壓調節器，能夠輸出3A的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節特性，而且在市場上可以購買到，方便快捷。

所以選擇方案二。

DC12V轉換DC200V升壓模塊

方案一：使用逆變器，輸入DC12V，輸出AC220V,再經過整流橋整流，濾波，穩壓，從而輸出190V，此方案輸出電壓較為穩定，可以滿足要求，但是在穩壓階段會散發很大熱量，因為AC220V整流濾波出來的電壓將近311V，穩壓后輸出190V，有很大一部分功率經穩壓器通過熱量散發，不太安全，且逆變器和高壓穩壓器價格較昂貴，性價比不高。

方案二：ZVS升壓電路，再經過變壓器變壓，整流濾波，可以得到DC190\V,ZVS電路的作用和逆變器的作用相似，使直流變為交流，且輸出電壓根據輸入電壓的改變而改變，降低了功率消耗，此電路輸出的直流穩壓不很穩定，但足以容充電。

所以選擇方案二。

(2)電機模塊

方案一：步進電機，布進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元步進電機件。簡單的說是靠電脈沖信號來控制角度與轉動圈數。所以說他只靠脈沖信號來決定轉動多少。因沒有傳感器，所以停止角度會有偏差。但是精確的脈沖信號則會將偏差減至最低。作為電磁炮的方位驅動裝置，要求電機有很精準的轉動角度。

方案二：伺服電機,伺服電機不是說一個電機，而是一個電機系統，它包含電機、傳感器和控制器。伺服電機的精度極為精確，實現了位置，速度和力矩的閉環控制，而且抗過載能力強，能承受三倍于額定轉矩的負載，低速運行平穩，低速運行時不會產生類似于步進電機的步進運行現象。但是伺服電機是由一整套系統組成，體積太大，部件太多，用于控制小電磁炮有點大材小用，而且伺服電機價格較為昂貴。

方案三：舵機，舵機的主要組成部分為伺服電機。其中包含伺服電機控制電路+減速齒輪組，伺服電機沒有減速齒輪組，而舵機有減速齒輪組。舵機的結構緊湊，易于安裝，控制簡單，大扭力，而且成本低，體積小，可以用單片機進行控制。

綜合上述三種電機的優缺點，我們選擇舵機。

二、理論分析與計算

（1）電容放電的能量

我們采用2個470μF耐壓400V的電解電容并聯，根據電容的儲能公式W＝?CU2可求出電容儲存的能量。

W＝?CU2=0.5x940x10-6x4002=75.2J

(2)ZVS電路相關計算

如下為ZVS電路圖：

下圖為ZVS電路的波形圖：

由波形圖可知L1下端b點的波形為正弦波的絕對值（即為下面降到的Vbm）。由穩態時電感兩端電壓積分為0，流過電容電流積分為0，可計算出b點電壓振幅。

設b點電壓為Vb=||,電源電壓為Vcc,

則L1兩端電壓為既

對L1兩端電壓積分計算得

由波形圖可知b點電壓為a到c的電壓的一半，所以a、c兩端的電壓即C1端電壓為 *2，即為

則Vac=12xπ=37.7V

計算輸出交流電流的頻率

該諧振為LC并聯諧振，所以諧振頻率為f=

f==5699Hz

（3）電磁炮炮彈所獲得的動能

三，電路與程序設計

1.電路設計

（1）ZVS升壓與整流穩壓模塊

如下圖所示：

矩形: 圓角: ZVS升壓模塊矩形: 圓角: 輸出DC190V

額哇哇哇哇哇哇哇的矩形: 圓角: 直流電源矩形: 圓角: 整流濾波

變壓器左邊電路為ZVS升壓電路，它的作用是將直流變為交流，輸出電壓和頻率以上理論計算已經算出，變壓器的前級線圈與后級線圈之比為5：50，整流橋所用的二極管HER608，因為經變壓器后的電壓很高，所選用的二極管耐壓也要很高，經過0.1微法電容濾波后輸出直流電壓，電壓值在上述理論計算中已算出。

（2）電容放電開關模塊

如下圖所示,單片機給此電路信號，置1時，此電路導通，電容放電，為電磁炮提供能量，置0時，電路不導通，電容持續儲存能量。電路圖中的可控硅型號為BCB60-1600，二極管選用的是HER608

（3）電容充電開關模塊

電路圖如下，三極管選用的是8050，二極管為1N4148,繼電器型號為HK4100F-DC5V-SHC。繼電器線圈的一段接5V電源，另一端接三極管8050的集電結C,繼電器線圈兩端并聯一個二極管1N4148,用于吸收釋放繼電器斷電時產生的反向電動勢。當STM32-F407單片機置1時，輸出高電平，三極管導通，高電壓為電容充電，當STM32-F407單片機置0時，輸出低電平，三極管截止不導通，高電壓停止給電容充電。