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基于STM32模拟电磁曲射炮系统的设计

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：王东寅刘涛孟青田帅康牛献渝郭烜博

[导读] 摘要:系统采用STM32F407作为控制核心，实现了模拟电磁曲射炮（以下简称电磁炮）的能量管理与发射控制，电磁炮可在水平方向及垂直方向调节并自动瞄准目标进行发射。

        (中北大学朔州校区山西省朔州市朔城区中北大学朔州校区)
        摘要:系统采用STM32F407作为控制核心，实现了模拟电磁曲射炮（以下简称电磁炮）的能量管理与发射控制，电磁炮可在水平方向及垂直方向调节并自动瞄准目标进行发射。硬件电路由单片机最小系统、电源模块、触摸显示模块、摄像头模块、舵机稳压模块、云台、电磁炮构成，通过串行同步数据收发接口进行各模块间的通信。
        关键词： STM32F407、电磁炮、摄像头、云台
        一、设计方案工作原理
        1.预期实现目标定位
        制作一个模拟电磁曲射炮装置，能够实现题目中的基本要求，完成发挥部分，使电磁炮能顺利发射炮弹并自动搜寻目标，击中环形靶。
        2.系统方案的选择与设计
        本装置主要由处理器，显示模块，电磁炮电容模块，舵机模块，摄像头模块组成。下面分别论证这几个模块的选择与设计
        (1)处理器选择
        方案1：采用51单片机作为主控芯片。传统的51单片机广为应用,具有使用简便，价格便宜等优点，但是其运算能力较低，片上资源少,处理速度较慢，功能相对单一，难以实现较复杂的任务要求。
        方案2:采用FPGA做主控制器。由FPGA来完成采集和信号处理等底层的核心计算。优点是计算速度快,功能强大;缺点是成本高，制作耗时长,不易控制。
        方案3:采用STM32F407单片机做主控芯片。该系列具有动态功耗调整功能，资料丰富，外设功能丰富（ADC、DAC、PWM、内部flash等），运算速度快，运行可靠，成本控制好。
        综合比较以上方案，在控制同样较为复杂的FPGA与STM32F407中，我们选择性能更为优良，可满足本系统要求的STM32F407作为系统控制器。
        (2)显示系统选择
        方案1：LCD液晶屏幕。LCD12864仍然是现在大多数单片机入门学习者的首选，但是因为年代悠久，对控制器占用过高，刷新率慢，色彩单一，无法触摸，LCD液晶屏无法满足需求。
        方案2：TFT液晶显示屏。TFT液晶显示器可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息。其使用特性好:低压应用，低驱动电压,固体化使用安全性和可靠性提高;低功耗，它的功耗约为CRT显示器的十分之一。
        综合以上方案比较，TFT液晶显示器便于操作，显示功能齐全，能够满足本系统的显示要求。因此我们选用方案2的TFT液晶显示屏作为显示系统。
        (3)电磁炮电容模块选择
        方案：使用4个低电压电容组成电容组。该方案的电容装置可轻松满足本装置要求，且操作简单，可直接用学生电源充电，解决了方案一中的不安全因素，使得整个装置更为安全可控。
        (4) 控制部件选择
        方案一：步进电机。采用步进电机进行控制，具有控制精度高、带载能力强的特点，但是由于体积庞大不便于对云台控制，对单片机IO占用过多，成本高，并不适合这次的比赛。
        方案二：舵机。舵机具有控制方法简单，响应速度快，噪音小，成本低而且一个舵机仅仅占用一个IO口，更加重要的是舵机本身就是一个闭环控制系统，适用于云台而且在官方采购清单中。
        总以上方案比较，我们选择方案二中舵机作为我们的控制系统。
        (5)摄像头模块选择
        OpenMV摄像头是一款小巧，低功耗，低成本的电路板，采用了STM32H7高性能微控制器。可扩展，支持Python的机器视觉模块，OpenMV搭载MicroPython解释器，允许在嵌入式上使用Python来编程 (Python 3 to be precise). Python使机器视觉算法的编程变得简单得多。同时可以使用OpenMV专用的IDE，它有有一个图像窗口可以直接看到摄像头的图像，有终端可以debug，还有一个包含图像信息的直方图。在本题中OpenMV4可完成引导标识的识别追踪，同时测算其与目标位置的距离，因此，我们选用OpenMV4作为摄像模块。
        3.系统结构工作原理
        系统总体框图如图所示：

        二、理论分析与计算
        1.电磁炮参数分析
        线圈层数：4圈      单层匝数：30圈
        电感参数：80.77uH（10KHz 0.3V的LCR电桥条件下）
        电阻参数：0.51Ω（理论）
        电容参数：63v 3300uf
        电容能量值：26.1954J（理论）
        子弹重量：9g（实测）
        垂直上升高度：160cm（实测）
        低电压电容组并联既满足了题目需求，又弹射高度在安全范围内，故可以满足题目需求。
        2.弹道分析
        通过物理学抛物线分析，以45°角抛射可达到最远距离，为了便于调整参数以及演示出完美的抛物线，因此，我们在45°基础上进行最远距离的抛射，并且在45°基础上进行角度增加获得其他距离。
        3.能量计算
        磁感应强度为：B=μ*n*i（μ=4π*10^-7）
        弹丸受到的电磁力：F=（B/5000）^2*S
        9g弹丸上升距离为：160cm
        我们在45°最远角度下进行调压测试，最终我们在37.2V电压下获得准确的三米距离。
        能量利用效率=弹丸上升高度/电容在37.2V电压下的总能量=57.9%
        三、核心部件电路设计
        1.电容充放电系统

        2.核心控制电路

        四、测试结果
        测试方案
        软件模块测试：采用自下而上的调试方式，先进行模块测试程序的调试，待全部通过之后将所有的软件程序串接起来并结合硬件电路进行整体调试。
        机械结构测试：首先对自制电磁炮模块进行炮弹发射调试，待全部机械结构搭建完成后对其稳定性进行调试。
        整体测试：装置全部构建完成后，按照题目要求先对基本问题完成情况进行测试，在完成基本要求后，根据测试数据对装置进行改进，继而测试发挥部分问题的完成情况。
        五、竞赛工作环境条件
        1.设计分析软件环境:Windows10操作系统，使用OpenMV ide、Keil等软件。
        2.仪器设备硬件平台：直流稳压电源，LCR电桥，示波器。
        3.配套加工安装条件：电钻、胶枪、电烙铁等工具,实现机械结构的制作。
        4.前期设计使用模块：前期的设计中，使用OpenMV4摄像头模块进行设计与调试，并自制建议电磁炮进行子弹发射试验。在机械结构搭建完毕后,对距离测量模块进行了调试与使用。
        六、总结
        实验证明，模拟电磁曲射炮装置可很好完成本题要求的所有问题，整个装置的稳定性良好。所用控制算法的优点是分析简单，易于实现，但是对不同的装置无法普适,缺乏自适应能力，因此还需改进现有算法,增加其适用范围，但由于时间和条件所限，未能做充分的实验研究。此外,在设计整个系统时，必须注意整体机械结构的设计,确保系统的稳定性，避免机械震动等因素增加控制难度。
        七、参考文献
        [1]杨玉东,王建新.电磁炮发射原理数值建模与分析[J].火炮发射与控制学报,2008(04):9-12.
        [2]田均光.关于电磁炮的原理及发射条件的探究[J].物理通报,2007(04):63-64.
        [3]郑民伟.电磁炮的原理和特点[J].现代物理知识,1998(04):11.