模拟电磁曲射炮研究与制作

毕业设计（论文）中文摘要模拟电磁曲射炮研究与制作摘要应用电磁学理论和超声波传感器原理，通过弹道分析、能量计算等原理，自制了模拟电磁曲射炮装置。本装置使用演示效果显著的球形弹丸为炮弹，以MSP430F5529单片机为主控器，利用电磁场产生的安培力来对炮弹进行加速，使其达到所需的动能，并击中目标环形靶。当键盘输入环形靶中心与定标点的距离d，一键启动后，自动瞄准炮击环形靶。该装置可通过LCD12864液晶显示屏，实时显示舵机的射程。最后根据理论分析结果，设计并制作的模拟电磁曲射炮装置，通过实验证明了该方案的可行性，验证了理论分析的正确性，以及本文设计方案的可行性，和原理系统的可靠性。对今后电磁教学和新型武器装置的研究具有重要的理论和实践意义。关键词MSP430F5529单片机；电磁学理论；超声波传感器GraduationProject(paper)ABSTRACTTitle：ResearchandmanufactureofsimulatedelectromagneticcurvedgunABSTRACT：Basedonthetheoryofelectromagneticsandtheprincipleofultrasonicsensor,adeviceforsimulatingelectromagneticcurvedgunismadebymeansoftheprincipleofballisticanalysisandenergycalculation.Inthisdevice,thesphericalprojectilewithremarkabledemonstrationeffectisusedastheprojectile,andMSP430F5529MCUisusedasthemaincontroller.Theampereforcegeneratedbytheelectromagneticfieldisusedtoacceleratetheprojectile,sothatitcanreachtherequiredkineticenergyandhitthetargetannulartarget.Whenthekeyboardentersthedistancedbetweentheannulartargetcenterandthefixedmark,afteronekeystarts,itwillautomaticallyaimandfiretheannulartarget.ThedevicecandisplaytherangeofsteeringgearinrealtimethroughLCD12864LCDscreen.Finally,accordingtothetheoreticalanalysisresults,asimulatedelectromagneticcurvedgundeviceisdesignedandmanufactured.Thefeasibilityoftheschemeisprovedbyexperiments,thecorrectnessofthetheoreticalanalysisisverified,thefeasibilityofthedesignschemeandthereliabilityoftheprinciplesystemareverified.Ithasimportanttheoreticalandpracticalsignificanceforfutureelectromagneticteachingandresearchonnewweapondevices.KEYWORDS：MSP430F5529MCU;Electromagnetictheory;Ultrasonictransducer第页共36页1引言1.1电炮产生的背景电炮是多数或部分地使用电能为射弹提供推力的一类新型超高速发射装配，又称作电（磁）发射器。它包括电磁炮、电热炮和混合炮三大类。此中电磁炮是推动电磁力推进射弹的装配，又称作电磁发射器；电热炮是大多或部分使用电能加热工质而推动射弹的发射装置，又称作电热发射器。电炮或电（磁）发射器是相对火炮而后生和存在的。军事的应用影响了电炮产生的背景。以往的化学发射武器，经历了漫长的发展过程。虽然火器与冷兵器时代所使用的机械发射装置相比，具有高得多的储能密度和功率密度，但是由于科学技术的进步，它已然不能满足人类对发射能力的进一步要求。1.2电磁炮的发展查尔斯·惠斯通1845年制作了世界第一台直线磁阻电动机，并用它把金属棒抛射20m远。1895年梅厄取得第一个直线感应电动机专利。接着，德国数学家柯比提出用“电磁推动”制造“电气炮”的设想。但第一个提出电磁炮观点并举行实验的挪威奥斯陆大学物理学教授在1901年获得了“电火炮专利”，并通过直流激励管状直线电动机的系列线圈，将500g重的弹丸加快到50m/s。1912年，法国的埃米尔·巴彻勒特制作了一个交流激励的磁推进装置。1917年，另一位法国发明者提出利用磁场力发射有翼炮弹的设想。尔后，美国费城的电炮公司研制了用于火炮的电磁加速器。1937年，美国的航空公司创始人诺思拉普教授在《0到80》一书中提及了电磁发射原理。美国普林斯顿大学紧随其后的用电磁力发射了绒体。第二次世界大战期间，德国、日本都曾研制过电磁炮。1944年德国的汉斯莱曾将10g弹丸加速到1.2km/s。1946年美国的威斯汀豪斯电气公司制造了一个全尺寸的飞机弹射装置，名叫“电拖”，它是一个初级运动的直线感应电动机。尔后，美国海军和空军也做了一些研究工作。但是，空军的科学研究所经过反复论证得出“电磁炮根本行不通”的结论。在此结论影响下，电磁炮的研究一度降到低潮。可是，澳大利亚和其它一些科学家却持不同看法，仍坚持不懈地工作，并取得了一定的进展。例如，澳大利亚国立大学的马歇尔及其同事在改良大电流滑动接触技术方面，提出了“等离子体电弧电枢”观点。美国的布拉斯特和索勒首先利用等离子体电枢把31mg弹丸加快到6km/s。他们点亮了即将熄灭的电磁炮研究之“火”。随后磁行波加速超导体的概念问世。1972年，电刷换向的螺旋线圈炮由美国字航局提出；而麻省理工学院则制作出第一台类似同步直线电动机的线圈炮。基于上述的工作成就和脉冲功率技术学科的发展，使电磁技术在70年代有了重大突破。1978年澳大利亚国立大学的马歇尔等发布了惊人的研究成果：用550MJ单极发电机和等离子体电枢，在5m长的导轨炮上把3g聚碳酸脂弹丸加快到5.9km/s的初速度。从实验上证明用电磁力可将较重的弹丸推进到高速的可能性，促进了电磁炮的发展，取得了开拓性的贡献。今后，电磁炮的研究工作开始进入了新阶段。从而使世界各国的科学家受到极大鼓舞和启发，同时引发军方的浓厚兴趣和关注，因而纷纷投入大量人力、财力对电磁炮进行实验钻研，并成立了很多电磁炮实验室。美国、前苏联、澳大利亚、英国、法国、日本、中国、以色列、德国、荷兰以及丹麦等十几个国家竟相实验研制。经过17年的研究和实验，中国的新概念武器“超高速动能电炮”的研制已经到了最后阶段，即将问世，2007进入局部试用阶段。据透露，现在世界一些主要的国家如美、俄等，都在研究这种新概念武器，中国虽起步稍晚，但有长足的进展，电磁发射技术并不比先进国家落后，更有可能首先拥有这种超高速动能武器。“电磁炮”和“电热炮”统称为电炮。电磁炮操纵电磁力推动弹头到每秒50千米超高速运行状态，具备战略性武器的功效，分轨道炮、线圈炮和重接炮三种。电热炮是利用电热能量来推动弹头，最高射速每秒约3千米左右，可作为战术武器使用，分直热式和间热式两种形式。我国的电磁炮的理论论证在上世纪80年代中期就基本完成，从那时起就开始进行实用化的研究，经过近20年的努力，已经结出丰硕的成果，2007年进部分装备部队进行量产前的定型试用。1.3本文研究内容本文主要研究自制模拟电磁曲射炮装置，研究它的工作原理，控制方式以及参数设计。并分成以下几个方面：给出了电磁炮发展的背景，分析了其工作原理，对其硬件设计、软件编程进行介绍，并对其特点及选择的电路要求作出了阐述。分析研究电磁炮各个模块的构成，从而选择合适模块。对方案可行性的进行了简要的阐述，并对实验结果进行对比分析。总结本文所做工作。

2系统方案设计及论证2.1预期实现目标定位自制模拟电磁曲射炮装置使用演示效果显著的球形弹丸为炮弹，以MSP430F5529单片机为主控器，使用超声波传感器检测射击点位置，利用线圈通电产生的电磁场使弹丸受力射出，并在固定距离内击中目标环形靶。最终实现用键盘输入环形靶中心与定标点的距离d，一键启动后，迅速搜寻目标完成炮击环形靶，并在LCD12864液晶显示屏，实时显示超声波测量距离、是否发炮等各项参数。2.2技术方案分析比较根据预期实现目标定位，本系统以下几部分需要进行分析论证：2.2.1主控制器模块方案1：采用TI公司所生产的MSP430系列单片机。MSP430F5529微控制器是一款16位超低功耗混合信号处理器，其具备精简指令集、定时比较、串行系统编程等功能。在25MHz晶体驱动下，指令速度可达到25MIPS。MSP430F5529单片机拥有丰富的片上外设、片内资源及高性能的模拟技术，同时可以灵活运用汇编语言，性价比高。方案2：采取传统8位的51单片机。51单片机价格低廉，在RAM区间有一个双重功能的地址，但是需拓展AD、E²PROM等功能，很大程度上增加了软、硬件的负担。在保护能力、输出能力、运行速度与稳定性等方面较差。方案3：STC89C52单片机，该器件采取ATMEL搞密度非易失存储器制造技能制造，与工业尺度的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。=1\*GB2⑴增强型8051单片机，6时钟/机械周期和12时钟/机械周期可以任意选择，指令代码彻底兼容传统8051.=2\*GB2⑵工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）=3\*GB2⑶工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz=4\*GB2⑷用户应用程序空间为8K字节=5\*GB2⑸片上集成512字节RAM=6\*GB2⑹通用I/O口（32个）复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻=7\*GB2⑺ISP/IAP，不必专用编程器，不必专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒便可完成一片=8\*GB2⑻具有EEPROM功能=9\*GB2⑼具有看门狗功能=10\*GB2⑽共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2=11\*GB2⑾外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒=12\*GB2⑿通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART=13\*GB2⒀工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）=14\*GB2⒁PDIP封装STC89C52单片机最小系统如图1所示。图1STC89C52单片机最小系统STC89C52已经内置了上电复位设计，并且可以通过编程熔丝位控制复位的额外时间，因此我们只要在单片机外部的复位线路上电时，直接接电阻到VCC上就可以了，当单片机开始工作时，其复位引脚变为低电平，触发芯片复位。综合比较分析，最终选择方案1。2.2.2非接触式传感器方案1：采用超声波传感器。利用HC-SRO4超声波传送信号，其安装方便、不易老化材料坚固、耐腐且使用寿命长；采用IO触发测距，能够灵敏、稳定的检测出信号长短从而确认环形靶中心与定标点的距离d。超声波传感器（HC-SR04）模块主要由一个超声波发射装置和一个超声波接收装置组成，结构简单，使用方便，测量精度高，是一种常用的距离测量装置。超声波传感器（HC-SR04）模块工作原理，是一个集成度较高的测距模块，引出四个端口VCC、GND、Trig、Echo其中VCC、GND为模块的供电端口，Trig为输入控制端、Echo为输出接收端。只需要主控芯片配置两个端口，一个I/O端口配置输出控制，另一个I/O端口配置定时器捕获功能。首先输出控制一段至少10us的高电平信号给Trig（控制端），HC-SR04模块随即会循环发出8个40KHz的方波，发出的超声波遇到被测物体时，就会被反射回来，当超声波接收装置接收到反射的超声波信号，HC-SR04模块会通过Echo（接收端）向主控芯片发送高电平的信号，主控芯片通过配置的捕获功能，获得高电平的持续时间（T）。高电平反射信号时间(T)与测量的距离(S)成正比。如式（1）所示S=(T*C)/2式（1）式（1）中：S为模块与被测物体的距离，T为高电平反射信号时间，C为声速。在获得高电平反射信号时间（T）的方法上，采用了定时器捕获计数法，其主要原理是：主控芯片（MSP430F5529）配置定时器捕获功能（上升沿触发），定时器在系统初始化时启动计数，主控芯片发送10us启动高电平信号后，等待HC-SR04模块的Echo（接收端）高电平反射信号，当捕获输入端口由低电平突变为高电平（接收到高电平反射信号），触发捕获上升沿中断，进入捕获中断，将此时的定时器数据记录为t1，同时将捕获触发条件更改为下降沿触发。当捕获输入端口由高电平突变为低电平（高电平反射信号结束），触发捕获下降沿中断，进入捕获中断，记录此时的定时器数据为t2，同时将捕获触发条件更改为上升沿中断。通过获得的t1，t2两个数据。计算出高电平反射信号时间如式（2）所示：T=(t2-t1)/f式（2）式（2）中：T为高电平反射信号时间，t1为上升沿捕获的定时器数据，t2为下降沿捕获的定时器数据，f为主控芯片配置定时器的频率。本文设计的平台曲射炮目标最大射程距离为3m，而通用的为4m，也可以通过改变模块上的电阻大小，从而提高或降低测量的距离。满足本平台功能使用要求方案二：红外线测距传感器模块（反射式）主要由一个红外线发射端和红外线接收端，可以运用许多功能例如热探测器、物体检测和红外测距等。有灵敏度高，反射快等优点。其中红外线测距传感器模块（反射式）测距原理有三种方法=1\*GB2⑴往返路程测时法：通过测量红外线发射到红外线接收所需的时间t，求得测量距离S，如式（3）所示： S=C*t/2式（3）式（3）中：S为测量的距离，C为光速，t为间隔的时间。但其缺点是光速过快，当测量距离较短时，无法准确的获得时间t，从而影响准确性，一般用于距离过长的场景=2\*GB2⑵相位测距仪：将红外光通过调制器转换一种有规律的调制光，调制光在往返过程中会发生一定的相移，从而利用相位计比较发射的调制光信号与接收的调制光信号的相位，从而求出距离S但其缺点是虽然不需要使用高频芯片测量时间t，但是这种特殊的调制器，电路结构复杂，价格较贵。=3\*GB2⑶短距离测量原理：使用红外线的测距功能。红外线测距传感器模块的原理，通过红外线发射端发出红外线，当碰到物体后，红外线将会反射回来，被红外线接收装置接收，通过红外线接收装置接收红外线的强弱，进行判断物体距传感器模块的大致距离，并不能输出准确距离。但其缺点是只能大致的判断距离，而不能有精确的数据，无法满足，平台曲射炮对于目标的距离准确性的要求，从而不能选用。 基于上面对超声波传感器模块（HC-SR04）和红外线距离传感器的分析，我们选择精度高，模块简单和成本较低的超声波传感器模块方案3：采用激光传感器。激光传感器检测信号为激光光束，利用激光光束集激光聚性，不易发散的特点，其准确性，量程大，抗光能力强。激光传感器的工作原理是由激光发射器，对准被测物体发射激光光束，当激光接触到被测物体时，会像向各方向散射，而其中部分散射光，返回到接收传感器随后成像到雪崩光电二极管上，将检测到的微弱光信号转换为相应的电信号。但是光速太快，对于主控芯片在测量近距离目标时，激光光束发射到接收的时间不易测量。而对射式激光传感器测量时首先将接收传感器放置在被测物体上，需要对准目标才能准确的测量，但是激光的不易发散的特性，在扫描过程中无法很好的确定目标的位置，同时其需要复杂的激光对射程序来返回信号，从而确定目标点，很大程度上增加了设计编程难度。综合比较分析，最终选择方案12.2.3云台的选择方案1：采取舵机驱动云台。舵机通过单片机，设置比例控制云台，自身的集成控制电路，根据脉宽调节转角以及仰角，能够灵敏、精准、稳定地转动云台。方案2：采取步进电机驱动云台。开关控制电机驱动云台精度较准，但因其质量较轻，所以自身容易抖动不易控制，极不稳定的突发性运行过程很难满足本装置需求。综合比较分析，最终采用方案12.2.4电磁曲射炮的种类方案1：采取线圈式电磁曲射炮。使用高质量的漆包线，由于电磁场产生的安培力作用于金属弹丸，加速以达到发射弹丸所需的动能并击中目标环形靶，通过单片机编程调适出最佳发射位置和电流变向时间，制作出安全、简单的电磁曲射炮发射装置。方案2：采取活塞式电磁曲射炮。结合无线遥控活塞式多速率显示，线圈产生的磁力、炮弹的冲击力较大。但是本次竞赛试题要求是能用键盘给电磁曲射炮输入环形靶中心与定标点的距离d，一键启动。综合要求分析，最终选择方案1。2.2.5显示模块方案1：采取LCD12864显示屏。128x64的显示区域可以构成一个完整的中文人机交互图形界面，功耗低。LCD12864显示屏不仅能显示数字、汉字、符号，也能显示图像、信息等各方面参数。方案2：采取数码管显示。数码管成本低、亮度高，可显示简单字符和数字，数码管数量与显示信息成正比，当显示信息数目较多时，数码管内部会轮番扫描，严重占用CPU的时间。方案3：采取彩屏显示。彩屏显示效果较好，但成本高，功耗大，编程设计相对繁琐，性价比极低。综合比较分析，最终选择方案1。

3系统理论分析与计算3.1总体方案设计系统可分为控制模块、电源模块、角度检测模块、电磁驱动模块、按键及显示模块、声光提示模块五部分组成，系统框图如下图2所示：控制控制模块超声波测距模块按键及显示模块超声波测距模块按键及显示模块继电器模块继电器模块升降压模块升降压模块电源模块电源模块图2系统框图3.1系统结构工作原理本系统主要由MSP430F5529单片机系统、继电器模块、超声波测距模块、升压模块、LCD12864显示屏、4×4键盘、直流电源等部分组成。目标位置由超声波测距模块检测，当确定炮击位置时，单个芯片输出高电平信号。运用继电器实现到时自动复位及控制电磁曲射炮发射，同时经过LRC充放电电路，将信号传送给单片机，然后通过显示屏将所测量的距离、发炮的情况等参数显示出来。模拟电磁曲射炮装置的控制原理图如图3所示：图3控制原理图3.1.1控制模块采取TI公司的MSP430F5529作为主控制芯片。TI的MSP430™系列的超低功耗微控制器包含数个采用外设集的器件，通常可应用于多种应用。此架构可以与多种低功耗模式配合使用，延续了便携式测量应用电池寿命。该微控制器具有一个强大的16位精简指令集(RISC)CPU，使用16位寄存器以及常数发生器，以便获得最高编码效率。此数控振荡器(DCO)可使器件在3.5µs（典型值）内从低功耗模式唤醒至激活模式。作为16位CPU,最高可达25MHZ可以实现快速运算的能力。其具备低功耗体积小，技术成熟并且成本低。同时它还有着可控性高，软件编成灵活，大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算，还有高效的查表处理指令等特点。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。如图4、5、6分别为MSP430F5529引脚图、结构图和MSP430F5529LP开发版。图4MSP430F5529引脚图图5MSP430F5529结构图图6MSP430F5529LP开发版3.1.2电源模块我们采用输入220交流电经过桥整流为+3.3v，±5v±12v的直流稳压电源给予相关设备供电，同时准备了蓄电池充放电直流输出12v电源给予舵机供电。如图7、8所示电源电路演示图和电容模块实物图。图7电源电路演示图图8电容模块实物图电磁力使弹丸加速是依靠电压产生的电流实现的，所以需要电压来运作，工作时，电源产生的电压被瞬间传送到线圈，使线圈产生磁场从而产生电磁力作用弹丸，为了在该模型上获得较大的出口动能，需要较高的瞬时功率来驱动线圈，这样的瞬时功率需要专门的电源提供。电容器是比较合适且易得的电源，由于电容器是储能器件，并且其储存发射所需的最直接的能量，因此将电容器作为储能电源。由于导通时所需的电流很大，同时又需要保证能够反复的充放电，所以我们选择使用具有大电流放电能力超强，循环使用寿命长和能量转换效率高的超级电容器作为储能电源。电容器与线圈之间需要有一个开关器件来控制通断。所以应当采用弱电控制强电的方法，因此还需要少量电能用于控制电容器与线圈之间的通断，控制所需能量将由控制电源提供。无论是储能电源还是控制电源都没有根本的电力来源，因此需要一个电源给这控制回路和储能电源供电，这个电源是加速器上最根本的电力来源因此命名为总电源。由于该模型的实验性质，并且本着方便、简化结构的理念，我们并没有设计升压电路给超级电容器充电，原因是将直流低压12V升压至电磁曲射炮所需的300伏左右的电压，所要求的升压电路稳定性十分的高，不宜实现，同时由于输入功率一定，短时间内不能将超级电容器升高的目标电压，所以选择使用市电220V的直流高压升压仪器。该仪器能迅速稳定到目标电压，使超级电容器能够迅速的达到所需电压，然后瞬间放电给发射线圈，完成电磁曲射炮的发射。决定将市电交流220V作为总电源，因为市电来源广泛，经全桥整流后可获得约315V的脉冲直流，这可以直接给电容充电来驱动线圈，并且可以通过变压器之后整流滤波输出作为控制电源。3.1.3继电器模块本平台使用了两种继电器，光耦继电器和大功率磁吸继电器。=1\*GB2⑴光耦继电器：如图5即固态继电器的一种，不同于其他继电器，光耦继电器无触点，所以是没有寿命的，发光二极管导通发光，接收二极管导通截止，不会因为老化而坏掉，因此光耦继电器应用于反复需要开关的领域。同时光耦继电器无动作声音、具有防震抗摔、AC/DC兼用等特性。虽然它的导通截止动作迅速，但是当两端电压远高于截止电压，会将二极管击穿，影响电路正常的运行。=2\*GB2⑵电磁式继电器：是一种常见的继电器类型。其工作过程，在电磁铁加上电压，使线圈中流过一定的电流，从而电磁铁产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的作用力，从而使动触点能够与静触点接触导通。当电磁铁无电压后，线圈内无电流通过，电磁力就会消失，而衔铁会在返回弹簧的作用下，返回到原来的位置，从而动触点与静触点分开，实现线路的通断。然而对本平台的功能运作，需要反复开合进行充电与放电的过程，会使电磁式继电器动静触点的耐久性降低，但是需要安全稳定的通过大电流，电磁式继电器能够承受更高的的电压与电流。由于选用的超级电容的特性，其大电流放电能力超强，而放电的瞬时性，从而产生极高的电压，从而普通的接触式开关耐受不了，易损坏，所以使用的大功率电磁式继电器用于电容器的充电与放电。型号wj-176(JQX-52F)。优点是可以用低电压、小电流来控制高电压、大电流。而主控芯片MSP430F5529的引脚输出最高电压为3.3V，无法控制12V磁吸继电器。所以我们这里考虑需要反复的充电和放电过程，选择适用于反复开合的光耦继电器（5V），由于其采用发光二极管导通截止，接受二极管导通截止的特性，不易损坏。所以将主控芯片发出控制的3.3V信号，通过3.3V转5V转换芯片，输出5V信号，控制5V光耦继电器通断，而光耦继电器输出端口控制大电流磁吸继电器12V（单独供控制电源）控制回路，而大电流磁吸继电器触点控制超级电容器的充电回路与放电回路。图9光耦继电器3.1.4电机模块在选择云台的驱动力模块上，有减速电机，直流电机、步进电机，以及舵机等选择。=1\*GB2⑴直流电动机具有调速性能好，启动条件容易等特点，但是转子在启动与停止时，都会因为转子惯性而不能有效且准确的启动和停止。对于本平台曲射炮满足不了转动的精准度，从而无法有效的打击目标。=2\*GB2⑵减速电动机本质为减速机与直流电机的结合，通过减速机（变速齿轮箱）实现电机降速提高扭矩，同时降低了负载的惯性。但是由于减速箱的变速比是一定的，无法通过提高功率等方法，使其转动速度的加快，满足不了本平台曲射炮的快速性。=3\*GB2⑶步进电动机（脉冲电机）不同于传统电机，它通过接收数字控制信号（电脉冲信号）并转化为相应的角位移或直线位移，其准确性高于其他类型的电机，但是在启动或者加速时控制芯片产生的步进脉冲变化的太快，转子由于惯性而无法跟随电信号的变化，产生堵转或者失步在停止或者减速时也会发生相同情况可能产生超步。不适合曲射炮的快速性。=4\*GB2⑷舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，通过PWM波控制其角度，自身的集成控制电路，根据调整PWM波占空比的大小从而控制舵机转动相应的角度。

所以采用舵机驱动云台。舵机通过控制芯片产生PWM波控制舵机的角度，设置比例控制云台转动，根据调整PWM波占空比大小能够迅速的转动相应的角度，能够灵敏、精准、稳定地转动云台。我们采用了LD-1501MG型号，因为考虑到底层需要承受较大的力，所以要提供较大的力矩，而该型号舵机正好可以满足转矩。同时用非磁性的的刚性云台组件将两个舵机组装为一体，从而达到水平方向与竖直方向的转动效果，在水平方向与竖直方向的捕捉速度较快。图10电机模块3.1.5显示模块采用LCD12864显示屏。128x64的显示区域可以构成一个完整的中文人机交互图形界面。LCD12864显示屏（带字库）不仅能显示数字、汉字、符号，也能显示图像、信息等各方面参数该显示屏虽然一次显示的数值较少，但是我们只需要知道其旋转的角度及炮弹发射的仰角，因此该功能足够，而且该显示屏有着亮度高，显示清晰，低功耗，成本低的优点。12864LCD显示器（点阵液晶显示模块）是由128*64个液晶点共同组成的128列*64行的阵列显示模块。该显示器是一片行驱动器与两块列驱动器组成的驱动电路，所以实际是两块64*64液晶屏构成的。其具有驱动芯片控制显示模式等，目前市面上主要有两个版本，带字库和不带字库版本。带字库版本通过主控芯片直接传输需要显示的文字内容，即可显示。但是并是适合所有使用场景，当有需要显示其他类型字体，不同字体大小或图案等，就需要使用其图形模式（不带字库版本只有图形模式显示）。其显示逻辑为，将显示的内容通过点阵转换软件输出十六进制的数据数组。主控芯片将这些数据数组传输到LCD12864模块的显示数据存储器（DDRAM）。通过行驱动器每次选位一排16位的液晶点，列驱动器根据十六进制数据显示当前一排的液晶点，0表示灭，1表示亮，随后行驱动器转下一行显示相关数据内容，12864LCD驱动芯片会根据存储在显示数据存储器的数据进行反复显示，直到主控芯片传输新的显示信息数据数组。3.1.6升降压模块降压采用LM2596DC-DC3A可调降压模块，由于控制大电流继电器的所需吸合的控制电压为5V电压，而主控芯片MSP430F5529端口输出电压峰值为3.3V，从而无法控制继电器的动静触片的吸合操作，所以需要LM2596模块进行升压，将3.3V升到5V电压，于对降压的要求不大，而且其体积较小精度系数又在合理范围内所以选用该模块。该模块具备体积小，操作方便等优点。3.2测量方法的选择与工作原理分析通过继电器检测到发射信号并将此信号传送给单片机，从而使其检测到高平信号的脉冲。工作原理如图11所示：图11系统工作原理图3.2.1弹丸的发射超声波测距模块检测到物体时，输出一段高电平信号给单片机，单片机捕获高电平的时间通过换算从而计算出超声波确定的距离，确认发射位置后，电容瞬间放电，此时电磁场产生的安培力作用于金属弹丸，加速以达到发射弹丸所需的动能。因为电容放电瞬间电流过大会烧毁小功率继电器，所以采用大功率继电器，以免烧坏电路。3.2.2定点瞄准射击在键盘输入距离d值之后，可通过主控芯片计算判断，所需的仰角，从而可以直接调整舵机改变炮管口仰度，进行电磁曲射炮的充能与发射流程，进而击中目标靶。也可进行同时输入偏离角α和距离d，同样能达到预期效果。当不知定点目标距离和偏移距离时，通过采用超声波传感器旋转水平舵机进行地毯式检测，当检测到环形靶引导标识时，通过超声波传感器传回的距离数据以及水平旋转检测到目标的角度，调整炮口仰角，瞄准射击。从而实现自动搜寻目标并炮击目标。3.2.3击中环形靶环数由键盘输入环形靶中心与定标点距离d后，舵机（水平、）垂直方向转动，当超声波传感器检测到信号时，开始计时同时输出高电平，到达预计距离时间的时候，电磁曲射炮自动瞄准射击环形靶。稍微改变舵机的角度，到达指定计算点即可准确自动瞄准射击环形靶。3.3参数计算本电磁曲射炮演示仪的核心部件即为线圈式击发装置。它是由自制的0.5mm、200匝左右漆包线、13mm口径PVC管、绝缘胶布、自制韧性无磁性底座组成。其中漆包线的选择、自制线圈中每层匝数、绕线层数等制作工艺质量的好坏，直接影响到电磁曲射炮的性能指标。弹丸所承受的制动电流在线圈中快速的运动时间以放电电路的上升沿时间内为最佳,因此根据具体实验的效果要求,定量分析功效,在优化设计中反复研究实验螺线管线圈在放电过程中强脉冲的瞬态特性,得出结论：电流制动线圈产生磁场的能量、在炮管中的运动摩擦系数都是由螺线管线圈制作过程中线圈的线径和匝数所决定的。理论公式如式（4）-式（8）所示：磁通公式：式（4）密度公式：式（5）安培力：式（6）能量公式：式（7）电能储能公式：式（8）

4核心部件电路设计4.1关键器件性能分析（1）控制单元MSP430F5529是一款16位、低功耗单片机，含有定时器、混合信号处理器。P2端口用于检测矩阵键盘，P3端口用于屏幕的8位并行数据口，P6用于屏幕的使能端和读写。(2)传感器单元超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号的传感器。当信号返回时输出高电平，灵敏度较高。4.2核心电路设计核心电路图，如图12所示：图12电磁曲射炮工作原理由图12可知，该核心电路为12v电源，C为110V，1000uf的电容，D1为反向限流二极管，PNP三极管，KA1开关，自制变压器以及自制线圈组成。首先闭合KA1开关，12V电源电流通过PNP三级管和自制变压器，自制变压器将12V电压升压至110V，用于超级电容器的充电，此时为核心电路的充电过程。当超级电容器充电完毕，拉开KA1开关，此电源回路断开，超级电容器储能元件瞬间放电，由于电路有D1反向限流二极管的存在，超级电容器的电流不会向自制变压器放电，只能向自制线圈放电，从而使得自制线圈瞬间获得大电流，产生电磁力，作用于小铁球发射。但是在制作自制变压器过程中并不是很理想，会出现线圈未绑扎紧密，出现漏磁的现象，同时线圈发热严重等,从而影响电能的转化。同时对超级电容器的充电的效率并不是很好。所以用辅助电源（高压直流仪器）直接升压供电，关于控制充放电部分采用光耦继电器和大电流磁吸继电器组合实现电路设计。图13控制电路Ka：为光耦继电器控制线圈，Ka1：为光耦继电器常开开关，Kb：大电流磁吸继电器线圈，Kb1：磁吸继电器常开开关，本电路设计将高压线路与低压线路分隔开，互不影响，防止高压线路产生感应电影响到主控芯片的信号的接受与发送。而高压直流仪器有防短路设计，保证当有异常情况发生时，反向限流二极管被击穿，造成线路短路，损坏设备。

5系统软件设计分析5.1程序功能描述与设计思路⑴程序功能描述键盘实现功能：设置距离d、切换界面、设置脉冲周期档、设置脉冲数以及实现功能的启动和停止。显示部分：名称、弹丸发射情况、距离d、当前模式。5.2程序流程图如图14所示：图14程序流程图首先此程序有三个功能=1\*GB2⑴ 直接输入目标的直线距离，不改变偏转角度，点击确认直线距离，仰角舵机启动，调整仰角，导通电源使电容充电，电容容量达到我们所需要求，断开电源，释放电容电量给绕管线圈，使其产生较大的洛伦兹力，小铁球随即发射，最后炮管回正，回到初始状态。=2\*GB2⑵ 同时输入目标直线距离和偏转正负角度，点击确认输入数据，水平舵机与仰角舵机分别转向到相应数据参考位，达到后，运行电容的充电过程与放电过程，发射小铁球，最后炮管回正，回到初始状态。=3\*GB2⑶ 全自动搜寻目标：在不知目标直线距离与正负角度情况下，直接按下启动按键，水平舵机，将方向转向左侧逐渐向右转动，同时超声波距离模块启动，实时反馈所测得的距离，直到测得目标标志物的距离，从而水平舵机停下，根据超声波距离模块传回的距离数据，调整仰角舵机的仰角，达到后，运行电容的充电过程与放电过程，发射小铁球。最后炮管回正，回到初始状态。5.3功能特性设计的曲射炮电路平台，运用简单的电路设计，通过主控芯片的进行逻辑判断，保证能够自动化运行平台，将对目标打击。本平台设计的电磁曲射炮，基本实现曲射炮的2-3m的发射距离和+30度的转向角度固定目标靶的射击。在实际运用中，需要有一定大小的标识物来确定目标，用于超声波传感器（HC-SR04）测量目标的距离，反馈到主控芯片。用于超级电容器充电的高压直流设备，虽然输出的直流电压稳定高效，但是并不便于携带，使得本平台过于的繁重。电磁曲射炮在发射完毕后，需要人工重新装弹，使平台的全自动性能降低。全自动搜寻目标模式下，需要水平舵机从左至右，利用超声波传感器（HC-SR04）测量的距离数据判断是否检测到标识物，等待超声波的回波，当旋转搜寻60度后，所消耗的时间较长。本平台所设计的功能只能实现对于固定目标靶的打击，并不能实现活动靶的瞄准射击。

6工作环境条件设计分析软件环境：使用CCS6进行程序编写及仿真；使用Multisim和AD09进行电路仿真与调试。仪器设备硬件平台：直流稳压电源、函数信号发生器、示波器、万用表等。配套加工安装条件：所需要准备的材料有MSP430F5529单片机、LCD屏、超声波传感器、电子元器件、pcb板等；所需工具有螺丝刀、剪刀、502胶水等。前期设计使用模块：MSP430F5529单片机、超声波传感器等。

7测试方案与测试结果7.1测试方法与仪器⑴基础部分不断改变线圈电压、匝数，通过超声波传感器感应物体对不同电压、不同匝数的电磁曲射炮进行试验并记录射程数值，综合比较分析，选取最符合要求的一组数据。⑵发挥部分的要求对检测处理输出信号信息具有一定的难度，需要超声波传感器寻找合适的位置，高精度地检测。7.2系统测试性能指标上文参数计算一节中提及，电磁曲射炮射击的距离（炮口仰度无变化），主要由线圈的匝数和线圈的电压的因素。线圈两端电压一定，改变线圈匝数，匝数越高，所产生的电磁力越大，作用小铁球到达的距离越远；反之，匝数越低，所产生的电磁力越小，作用小铁球到达的距离近；而当线圈匝数一定时，改变线圈电压，电压越高，所产生的电磁力越大，作用小铁球到达的距离越远；反之，电压越低，所产生的电磁力越小，作用小铁球到达的距离越近。下面是相关实验测试。=1\*GB2⑴射程测量电压和匝数变化测试值结果如下表1和2所示。（炮口仰度20°）表1测量电压变化测试值（匝数200）电压300V180V110V100V90V射程2.2m1.9m1.0m0.7m0.3m表2测试匝数变化测试值（电压220）匝数50100150200250300射程0m0.5m2m2.6m3m3.7m由于改变线圈匝数和电压来改变电磁力，过程繁琐，不易实现。所以选择控制产生一定的电磁力大小，通过改变炮管的仰角，从而达到射程的改变。这种方法，方便快捷，易于主控芯片控制云台调节。因此最终选择匝数为200，电压为220为电磁曲射炮的线圈数据。分析仰角情况于射程的距离关系：由于线圈匝数和线圈电压确定了，那么小铁球受到的电磁力是一定的。曲射炮实际是一种斜抛运动，根据小铁球的受力分析图如图15所示：如图15小铁球受力分析图（忽略管壁摩擦）图观察分析：图15小铁球受力分析图（忽略管壁摩擦）设小铁球射出时速度是V0,初速与水平方向夹角是β，将初速正交分解为水平和竖直两个分量得：水平分量如式（9）：Vox＝V竖直分量如式（10）：Voy＝Vo∗设物体从抛出到落地的时间是T,则由竖直分运动的位移公式得式（11）、（12）VoyT=2∗S=Vox=（Vo=（Vo^2/g）因为2所以S=（Vo^2/g）∗sin(2β)所以此时的射程最大。根据上述分析进行如表3实验测试：表3炮口仰度的测量平均值炮口仰度0°3°6°9°12°15°18°射程0.5m0.8m1.11m1.21m1.32m1.71m2.11m炮口仰度21°24°27°30°33°36°39°射程2.42m2.51m2.55m2.58m2.64m2.71m2.82m炮口仰度42°45°射程3m3.2m以上表的数据测量为基础，建立相关射程函数，在主控芯片的程序中。通过得到的目标距离控制相应的炮口仰角然后进行发射。根据上述实验的结果实现2-3m范围的目标射程。7.3测试结果基本部分：一键启动后，在固定距离内能够准确的将炮弹射出炮口，而且误差范围不大于50cm。发挥部分：设定距离、偏移角后能准确一键启动，击中固定目标靶，在指定范围内自动搜寻标识物标并炮击环形靶。7.4创新特色展望⑴软件方面：以MSP430F5529单片机为控制核心、采用二度自由云台加超声波探头采集数据实现目标位置的距离与方位的投射。采用CCS6编写代码，与MSP430系列单片机适配度高，编写程序便捷，仿真测试。⑵硬件方面：=1\*GB3①自制线圈式电磁曲射炮自制线圈式电磁曲射炮由舵机、炮管、线圈组成，其中线圈采用规格为0.5mm的漆包线，总匝数为200匝左右；炮管采用内径为13mm的PVC管；底座由自制韧性无磁性舵机组成。其中漆包线的选择、每层匝数、绕线层数等参数及制作工艺质量的好坏，都将影响电磁曲射炮的性能指标。=2\*GB3②自制3.3V-5V双向电平转换电路=3\*GB3③自制升压模块

8结论和总结8.1对设计的小结电磁铁是可以吸引铁磁的材料,吸引的过程可以理解为加速,如果把线圈做成中空的,在线圈入口放入铁磁材料做成的弹丸,线圈通电瞬间就会吸引磁性弹丸对其进行加速,在弹丸运行至线圈中间时断开电源,这样弹丸就可以依靠惯性飞出线圈。与传统火药推动的大炮相比,电磁炮利用电磁感应原理可大大提高弹丸的射速与射程。此可见模拟电磁曲射炮装置，总体结构简洁、大方，底座等材料还属于废品重新利用，符合可持续发展的环保道路，而且其构造稳固，有利于系统性能的发挥。检测出来的数据显示，其总体性能比较好，机械性能不错，如果经济允许，换上更加优质的元器件，其性能会更加完美。8.2设计收获体会经过这次设计，我们收获匪浅。学到了很多全新的知识，比如A/D数模转换，更加深了对MSP430F5529单片机系统板的使用和性能；在设计的过程当中一步一步走向目的地；最重要的是这设计模拟电磁曲射炮的奋战过程中增强了我们的合作精神，促进了我们的友谊！8.3对设计进一步完善的建议1、部分材料可能可以选取更轻便的材料；2、经济允许，可以换上性能更加好的元器件；3、机械结构的构架待加强。

致谢一篇论文的完美呈现，少不了多数人的努力。我要感谢在整个论文写作过程当中帮助过我们的每一个人。通过此次论文设计，我们在学习上和思想上都受益匪浅，深刻理解到理论知识与实践相结合的重要性，只有不断地通过动手操作和独立思考才能真正的掌握所学知识。首先，我们要特别感谢我们的论文指导老师，戴丽君老师。在我们整个课程设计制作过程中，从论文的选题、研制计划的安排、公式的格式的更改和论文的具体的内容，到最后正文的撰写，戴老师都给予了悉心的指导，课题进行期间，戴老师宽人律己的高尚品德，务实的工作作风，高度的责任心深深打动了我们，一直激励着我们开拓进取。论文中每一成果的获得均凝聚了导师们的心血和智慧。在此我们衷心感谢戴老师的帮助和悉心的指导。提出的每条建议，整理的每条思路，都使我们获益匪浅。同时，我们也要感谢在大学三年中的每一位老师，是你们使我获得更多的专业知识，开拓了眼界，对铁路事业又有了一份新的认识。感谢2017级供电系的同学和朋友们，在课题进行到比较困难的时候，能给我们提出宝贵的合理意见为我们的论文提出了高贵的意见，贡献了论文资料。也正是因为你们的陪伴，才让我的大学生活变得多姿多彩，独一无二。最后，我们要感谢我们的家人，无论是物质上的还是精神上的，这种支持与信任，让我们可以放开自己，展示自己，可以毫无顾忌的奔着自己的目标努力。在这次论文写作过程中，深感学习的永无止境。人生不就是这样嘛，在一次次不断地学习和完善中度过的。我们坚信未来的工作学习中，我们会更加努力，不断拼搏。最后，想由衷的说一声，谢谢！参考文献褚鸿杰.微流体陀螺仪驱动与检测技术研究[D].南京理工大学,2011.丰立东.基于同步电荷提取方法的能量回收技术研究[D].南京航空航天大学,2010.苑广会,苑广展,李凯.基于单片机的超声波测距系统设计[J].云南水力发电,2017,33(02):115-117.祝孝正,郝伟,王丽.无线遥控活塞式多速率显示电磁炮演示仪[J].物理实验,2010,30(01):14-16+27.张秋艳.张俊霞.周晓荣.一种低功率高精度多功能智能称重器设计[J].机械与电子:2018:30-41.胡仁杰.堵国樑.黄惠春.全国大学生电子设计竞赛优秀作品设计报告选编[M].南京.东南大学出版社:,2018:290-310.

附录附录1：成果图附录2：源程intmain(void){ WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; //Stopwatchdogtimer Port_Init();//系统初始化，设置IO口属性 //Clock_Init(); delay_ms(100); //延时100ms LCD_init(); //液晶参数初始化设置 LCD_clear();//清屏 //DJ_1(); HC_SR04Init(); P=60; DJ_2(); P_1=55; DJ_1(); P4DIR|=BIT0+BIT1; //P4.0为充电I/O控制，P4.1为释放I/O控制 P4OUT&=~BIT0; P4OUT&=~BIT1; while(1) { LCD_DisplayCgrom(0,0,"电赛第九组"); key=GetKey(); LCD_putchar(3,4,key); if(key>=0x30&&key<=0x39) //功能输入距离 { while(1) { key=GetKey(); LCD_putchar(3,4,key); if(key>=0x30&&key<=0x39) //距离输入， { str_1[i]=key; //b=b*10+str_1[i]-0x30; i++; LCD_putchar(2,4,key); LCD_DisplayCgrom(2,1,str_1); __delay_cycles(500000); } if(key==0x41) { for(d=0;d<4;d++) { b=b*10+str_1[d]-0x30; str_1[d]=0; } LCD_putnum(3,1,b); LCD_DisplayCgrom(1,1,str_1); //数据处理的的为b __delay_cycles(1000000); i=0; //b=0; //数据清零记得给清值 //P_0=Spin(); //DJ_1(); } if(key==0x46) { LCD_DisplayCgrom(1,3,"距离确认值"); break; } } } if(key==0x43) //选择按钮“功1” { P_1=Spin(); //俯仰 DJ_1(); __delay_cycles(100000); Kong(); } if(key==0x44) { /* key=GetKey(); LCD_putchar(3,4,key); if(key>=0x30&&key<=0x39) //功能输入距离 {*/ while(1) { LCD_DisplayCgrom(1,3,"角度输入"); key=GetKey(); LCD_putchar(3,4,key); if(key>=0x30&&key<=0x39) //距离输入， { str_1[i]=key; //b=b*10+str_1[i]-0x30; i++; LCD_putchar(2,4,key); LCD_DisplayCgrom(2,1,str_1); __delay_cycles(500000); } if(key==0x41) { for(d=0;d<2;d++) { v=v*10+str_1[d]-0x30; str_1[d]=0; } LCD_putnum(3,1,v); LCD_DisplayCgrom(1,1,str_1); //数据处理的的为b __delay_cycles(1000000); i=0; //b=0; //数据清零记得给清值 //P_0=Spin(); //DJ_1(); } if(key==0x46) { LCD_DisplayCgrom(1,3,"角度确认值"); break; } } P_1=