在单片机和直流伺服电机作用下火炮系统研究

第一章 绪论

1.1  课题背景及来源  
火炮是进攻时用于摧毁敌方的前沿及纵深防御设施，摧毁装甲车辆、空中飞行物、水上舰船等运动目标，杀伤敌方武装人员等有生力量，压制敌方防御火力，实施纵深火力支援，为进攻部队开辟进攻道路；防御时用于构成密集的火力网，阻拦或迟滞敌方从地面、空中、水上的进攻，对敌方的火力进攻予以反压制；在国土防御中用于驻守大坝桥梁、进出通道或者海防大门等重要目标设施或者地理位置。它具有火力强、反应快、抗干扰性好、能够发射制导弹药和灵巧炸弹以实施精确打击的特点。我国是作为火炮的发源地，在明朝永乐年间就创建了世界上第一支炮兵部队——神机营。火炮在其后激烈的战争中不断发展壮大，最终在热兵器时代成为了战场上的主要火力骨干。在第一次世界大战中，炮战在阵地战和进攻战中都起到了极为重要的作用，协约国和同盟国双方投入战场的各类火炮达到7万门以上。
在第二次世界大战中，苏美英德四个主要作战国共生产了近200万门火炮和24亿发炮弹。在1945年的柏林战役中，苏军共集中了各类火炮4万余门，在一些战役重要的突破地段，每千米进攻正面的火炮密度就达到了 300门，充分发挥了炮火突击的威力，因而炮兵被誉为“战争之神”。在大规模的战役中如此，在第二次世界大战之后的历次局部战争中，火炮的战果依然辉煌。20 世纪50年代的朝鲜战争中共击伤、击落敌机12000架，其中80%是高射炮兵的战果；60年代末70年代初的越南战争中，美军损失900多家飞机中80%也是被高射炮毁伤的；1973年的第四次中东战争中，双方被毁伤的3000多辆坦克中50%也是被炮火命中的。20世纪90年代，爆发了以现代化高技术为主要特征的海湾战争，战场上出现了包括无人机、预警机在内的各种飞机，灵巧炸弹、战斧巡航导弹等精确制导武器。新武器装备的发展和应用使得传统的战场上的火力组成和任务分工、作战思想和作战模式发生了巨大变化。但是在战争末期的最终对抗中，强大的火炮等自动武器仍然具有十分重要的意义，因为一方面它是战斗行动的保障，另一方面它也是最终占领阵地、并夺取战斗全胜的骨干力量。
根据目前的情况的预测，制空论及制海伦的发展将使得空中战场和海上战场的在未来战争中地位愈发重要，但陆战场仍然是战争的主战场，而火炮等自动武器不可能完全被导弹等武器所取代。第一，地面战斗仍然是不可避免的，枪械、火炮、火箭炮、导弹从在几十米到几万米构成了一个地空配套、梯次衔接、大小互补、点面结合的火力网，而几乎不存在火力盲区，在未来战争中能够精确制导的火炮很可能发展成为拦截中低空入侵导弹和无人机的最佳手段；第二，火炮等自动武器是世界上各主要国家部队装备数量最多的武器，占到总兵力 60%～70%的陆军以火炮等作为主要火力装备已经有相当长的一段历史了，而这种格局在今后相当长的一段时间内都将持续下去。
在21世纪里，随着计算机技术、生物技术、光电子技术、微电子技术、空间技术及新材料、新能源等一批高精尖技术的迅猛发展，人类社会也将发生全方位的深刻变化，从而引发以高新技术为主要特征和推动力的新军事领域的深刻变革。随着高新技术的不断发展和应用，火炮在提高操作控制的自动化程度和动能、射程，以及更新杀伤和毁伤机理等方面都有着很大提升空间；在进一步改善机动性能、提高战场生存能力、实现数字化和智能化作战等方面，也有着很大的潜力；火炮在与其他兵器集束化、集成化方面还有一系列新的发展领域值得探索和研究。

    1.2 国内外研究现状及发展趋势 ................11-17
        1.2.1 伺服系统及伺服电机简介 ................11-12
        1.2.2 国内外火炮伺服系统现状及发展趋势 ..........12-14
        1.2.3 国内外直流伺服电机现状及发展趋势 ...........14-15
        1.2.4 国内外交流伺服电机现状及发展趋势 ...........15-17
    1.3 本文的主要内容 ................17-19
第二章AVR 单片机及直流伺服电机原理介绍 ................19-33
    2.1 AVR 单片机介绍 ................19-27
        2.1.1 AVR 单片机简介 ................19-20
        2.1.2 AVR 单片机的特点 ................20-22
        2.1.3 AVR 单片机的分类 ................22-23
        2.1.4 AVR 单片机的内核结构 ................23-24
        2.1.5 AVR 单片机最小系统 ................24-25
        2.1.6 AVR 单片机的中断 ................25-26
        2.1.7 AVR 单片机的定时器/计数器 ..............26-27
    2.2 直流伺服电机原理 ................27-33
第三章伺服系统的总体设计及关键元器件的选型和介绍 ..........33-49
    3.1 系统的设计要求及设计思想 ................33-34
    3.2 系统设计思想的论证 ................34-41
    3.3 关键元器件的选型和介绍 ................41-49
        3.3.1 单片机芯片 ATmega16 介绍 ................41-42
        3.3.2 直流电机介绍 ................42-43
        3.3.3 电机驱动芯片 L298N 介绍 ................43-45
        3.3.4 光电编码器 GAS60 介绍 ................45-46
        3.3.5 键盘/显示驱动芯片 CH454 介绍 .............46-49
第四章系统硬件设计 ................49-60
    4.1 上位机至单片机之间电路设计 ................49-52
        4.1.1 PC 机与单片机接口 ................49-50
        4.1.2 RS-232 到 485 电平转换电路 .............50-51
        4.1.3 RS-232 到 RS-485 电平转换电路 ............51-52
    4.2 单片机周边电路设计 ................52-58
    4.3 系统整体电路图 ................58-60
第五章系统软件设计及仿真 ................60-72
    5.1 系统的软件设计 ................60-66
        5.1.1 系统总体流程图 ................60
        5.1.2 通信部分流程图 ................60-62
        5.1.3 系统输入部分流程图 ................62-63
        5.1.4 键盘/显示部分流程图 ................63
        5.1.5 信号控制部分流程图 ................63-65
        5.1.6 直流电机控制部分流程图 .............65-66
    5.2 系统的仿真 ................66-72
第六章控制电路的制作与调试 ................72-76
    6.1 PCB 板的制作 ................72-73
    6.2 部分控制电路调试 ................73-76
        6.2.1 调试场地 ................73
        6.2.2 电路板的焊接 ................73-74
        6.2.3 控制电路的调试 ................74-76

结 论

本文的主要设计思想是在单片机和伺服电机的共同作用下，实现对火炮转角的远程化、自动化操作。单片机我们选取了功能强大、外设丰富的AVR单片机作为主控芯片，电机我们选取了一款直流无刷伺服电机作为执行元件。数据输入采取上位机输入和键盘输入两种模式，出于距离和稳定性方面的考虑单片机和上位机之间使用RS485总线，而内部总线使用I2C总线；电机驱动芯片使用L298N，这一个驱动芯片就可以驱动我们所要的两个电机，简化了系统负荷；使用了专门的键盘/显示芯片CH454驱动键盘和LED显示器，简化了系统设计；使用绝对式光电编码器作为测量元件对电机的转角进行测量并反馈给单片机，单片机通过比较再进行一定的操作加以调整；可以通过外部按键对电机转速进行调整，开始，加速，减速，停止都有对应的指示灯加以显示，提高了系统的可操作性。根据系统设计要求我们对一些关键器件进行了选型，给出了各部分及系统整体的硬件电路图，给出了系统整体及各个部分的软件流程图。
在此基础上我们对部分系统进行了仿真，制作了控制部分的PCB板，对部分控制电路进行了室内调试，结果表明设计基本达到了我们预期的要求。当然，系统中还有一些问题值得我们进一步研究；如无刷直流电机的控制算法、系统的电磁兼容性及抗干扰性问题，这些问题的研究有利于系统工作性能的提高，这也为我们下一步的研究指明了方向。