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如何利用单片机设计一种模拟电磁曲射炮？

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2021-11-11 07:17:58　　评论淘帖0 邀请回答您可以邀请以下用户，快速回答问题 × heks 该类别下有 50 个回答。邀请回答 hgimtk 该类别下有 44 个回答。邀请回答新星之火12138 该类别下有 42 个回答。邀请回答 wang21cj 该类别下有 41 个回答。邀请回答 chm5 该类别下有 40 个回答。邀请回答 hjfjsdgfjdsf 该类别下有 37 个回答。邀请回答 fdjslkjd 该类别下有 35 个回答。邀请回答 uvysdfydad 该类别下有 35 个回答。邀请回答 werywer 该类别下有 35 个回答。邀请回答 h1654155957.9520 该类别下有 35 个回答。邀请回答 jenny042 该类别下有 34 个回答。邀请回答 dfzvzs 该类别下有 34 个回答。邀请回答维生素B2 该类别下有 34 个回答。邀请回答凤毛麟角该类别下有 34 个回答。邀请回答 hfgdzc 该类别下有 33 个回答。邀请回答 ggfvxv 该类别下有 33 个回答。邀请回答刘洋该类别下有 33 个回答。邀请回答 meihuacg 该类别下有 33 个回答。邀请回答 lining870815844 该类别下有 32 个回答。邀请回答 h1654155275.6678 该类别下有 32 个回答。邀请回答举报凤毛麟角相关推荐 • 如何去制作一种基于STM32F407核心板的模拟电磁曲射炮呢 2103 • 如何利用STC89C52单片机设计一种温控风扇系统？ 1649 • 如何利用BISS0001和单片机设计制作一种智能台灯？ 1970 • 如何利用51单片机设计简易交通灯？ 1554 • 如何设计并制作一种便于模拟汽车电磁阀实际工作状态的电源？ 1274 • 如何去实现一种基于单片机的全自动洗衣机模拟系统设计 2374 • 如何利用AVR单片机设计一智能风扇控制器？ 2586 • 如何利用单片机去控制一种继电器呢 3909 • 如何利用IRA去开发一种STM8S单片机呢 1658 • 如何用单片机I/O口去模拟一种串口程序？求解 947 1个回答

文中介绍了一种模拟电磁曲射炮。该装置由驱动装置、控制系统和定位系统组成。驱动装置由6-12v电源、100v 1000μf电容、升压线圈构成；控制系统是使用Arduino Mega2560单片机、继电器等；定位系统主要使用单片机控制舵机实现。测试结果显示：当几v电源供电时，单片机利用程序控制舵机水平、垂直角度。根据发射炮管角度的变化控制弹丸的落点，使得弹丸可以在指定输入的条件下，击中目标环形靶。本装置满足设计的基本要求，达到理想效果。

1 系统方案

模拟电磁曲射炮
系统采用Arduino Mega2560单片机作为主控制器，通过键盘输入距离、角度参数，由两台舵机和云台控制炮管执行转向输出。实际测量时，主办方将环形靶放于指定位置，键盘输入距离和角度参数，通过单片机的算法控制，使得舵机调整角度，命中目标环形靶。系统整体结构如图所示。

                              图1 系统整体结构图
1.1 角度控制模块的方案论证

方案一：使用舵机进行角度调整。电机传动系统在机械学中有重要应用。本方案中单片机控制舵机的转动参数，使得炮管角度发生改变，从而使得弹丸射中目标环形靶。利用惯性、pwm占空比以及舵机型号，使修改角度参数可以使弹丸射中环形靶及达到题目要求的发射周期。此方法最大的优点是适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统，故本设计选择该方案进行研究。
方案二：使用步进电机完成角度调节。它是一种通过由电脉冲转化的角位移的执行机构，即通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到精确定位，通常电机内部都是有铁芯和绕阻线圈的，损耗会以热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机效率较低，电流一般较大致使电机普遍存在发热情况，甚至比一般交流电机更为严重，因此，我们选择方案一。
1.2 标靶距离检测模块的检测及论证

   方案一：激光测距，即由激光头发射可见激光和光敏电阻接收来测量距离。通过激光测量发射炮管和标识靶之间的距离，通过算法命中地面环形靶。该方法测量精度较高。
方案二：超声波测距，即通过超声波在空气中的传播速度为已知，超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。测距仪的精度是厘米级的，容易报错，易受环境及障碍物的干扰。
方案三：通过改变炮管倾斜角度改变落点位置。发射角度越大，电磁力转化为弹丸重力势能就越多，所以是90度角发射，落地时间最长；0度发射，落地时间最短。本题目中没有限制炮管垂直方向上的角度，为了得到最优方案，应该采用45度为发射初始角度。由于本设计中使用舵机，索性采用方案三。
1.3单片机选择方案及论证

方案一：用普通51直插单片机做控制核心。单片机只有P0、P1、P2、P3四个及16个引脚、两个定时器等，本次设计代码相对复杂，高电平时无输出能力，因此51单片机不合适。
方案二：用Arduino开发板做控制核心。它是一款开源硬件产品，同时支持SPI、IIC、UART串口通信，能通过多种传感器感知环境。其中Arduino Mega2560是采用USB接口的核心电路板，具有54路数字输入输出，适合需要大量I0接口的设计。处理器核心是ATmega2560，同时具有54路数字输入/输出口(其中1~5路可作为PWM输出)、15路模拟输入、4路UART接口、一个16MHz晶体振荡器、一个USB口等，通过USB数据线连接电脑便能实现供电、程序下载和数据通讯。综合我们对于单片机的了解程度以及实验要求，最终选用方案二。
2系统理论分析与计算

2.1 电磁炮总体设计分析

电磁炮是电磁发射威廉希尔官方网站演化而来的一种先进动能的发射系统，利用电磁系统中电磁场产生的安培力对金属炮弹进行加速，将电能转化为弹丸动能，大大提高弹丸的速度和射程，使其具备打击目标所需的动能。
电磁炮发射是由线圈、电感、电容、磁性弹丸以及附属部件组成。它是利用驱动线圈中的电流与被磁化的磁性弹丸的磁化电流之间的安培力将弹丸发射出去，由于磁化电流与驱动线圈中的电流具有相同的方向，致使弹丸受到吸力而加速，电磁炮炮管部分原理图如图所示。

图2 电磁炮炮管部分原理图
2.2电磁炮参数的分析

电磁炮是由电池组、电解电容、发射线圈、升压线圈等组成。
电容器是储存电量和电势能的元件，通常是一个导体被另一个导体所包围，或者由一个导体发出的电场线全部终止在另一个导体的导体系。电容的具体参数对于本次设计至关重要。
标称电容量，标识电容器的电容量，但电容器实际电容量与标称电容量是有偏差的。电解电容器的容值越大，在同等条件下，电容越大，放电时的电流越大；额定电压，为最低环境温度和额定环境温度下可连续加在电容器两端的最高直流电压，此电压的作用在于保护电容器。若工作电压超过电容器的耐压，电容器将被击穿，造成不可逆损害。
线圈是电磁炮动力的决定因素之一。线圈的制作，匝数的多少决定着威力和精度的大小，但这并不意味着单位长度内匝数越多场强越强。匝数越多电阻越大,电流也随之减小，需要找到一个合适的平衡点，致使磁场最强。值得注意的是，线圈本质上是一种电感，作为一种储能元件，需要考虑电感。空心线圈电感量的公式是L=(2R*μ*n^2*S)/h^2，其中h为线圈的长度，可得若线圈长度过长，电感将迅速减小，影响线圈的储能，但h过短将影响弹丸的初速，则线圈匝数及长度的选择需要慎之又慎。
2.3炮管情况分析

  电磁炮是用电磁力加速弹丸从而使其发射的系统。它凭借新能源动力和赋予弹丸较高的初速度吸引着人们，本设计同样也存在着一系列问题。
第一，弹道磨损问题。电磁炮炮管的磨损，主要是前期对于电解电容充放电掌握不够，导致弹丸在弹道内与内壁碰撞，电磁力转换的能量部分变成热能消耗，最终造成能量的流失；
第二，电、动能转化之间的损电问题。常规火炮的转换效率仅有20%，而电磁炮的能源转换效率最高可达50%，更加重了它的使用比例。但是因为电容威廉希尔官方网站、配件材料等因素的限制，远达不到理论的能量转化率，导致电磁炮的耗电较大。
3电路与程序设计

3.1电路设计

3.1.1总体电路设计
本次设计的系统总体电路设计，包括了电源模块、发射模块、操作模块。该系统主要由5—12V电源输入、舵机、继电器、电解电容、升压线圈、弹丸等构成。

3.1.2舵机角度控制部分
本次设计采用数字舵机，只需要发送一次PWM信号就能保持在规定的某个位置，具有控制精度高、线性度好、响应速度快等特点。
PWM脉宽型调节角度，周期20ms,占空比0.5ms~ 2.5ms的脉宽电平对应舵机0度~ 180度角度范围，且成线性关系。此次设计所用LD-1501MG舵机控制器采用500~2500数值对应舵机控制输出角度的占空比0.5ms~2.5ms的范围，这样舵机的控制精度是3us,在2000个脉宽范围内控制精度能达到0.3度。
3.1.3独立按键系统
通过独立按键系统，完成基础实验键盘输入环形靶靶心距离和中心轴线偏离角度，从而击中环形靶。独立按键电路图如图所示。

3.2 程序设计

本次设计系统程序主要包括：主程序模块、按键处理程序模块、电磁炮发射模块、继电器子程序等几个部分。系统总体流程如图所示：

4 测试方案与测试结果

4.1测试方案

将电磁炮放置于定标点，做到精确命中环形靶。按照题目要求输入距离和夹角参数，并通过LCD显示，单片机经过计算得出舵机的水平、垂直旋转角度，最后一键启动电磁炮，命中环形靶。具体的实物如附件1所示。
4.2测试结果

经测试和不断分析数据后，原理图没有出现问题，硬件电路根据测试不断调整可以实现题目所要求的功能。测试数据：