安徽省大学生电子设计大赛设计报告.docx
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安徽省大学生电子设计大赛设计报告
2014年安徽省大学生TI杯
电子设计竞赛设计报告
（本科组）
题目：
电磁加速器（C组）
队号：
20140321
摘要：
电磁加速器是利用物理学中运动电荷或载流导体在磁场中受到电磁力（洛伦兹力）作用的来加速弹丸的。
根据加速方式,电磁加速器可细分为轨导加速器、线圈加速器。
线圈加速器的结构主要是感应耦合的固定线圈、导轨（管），电源模块，控制模块，驱动模块等组成。
固定线圈安置在轨道上,固定线圈相当于炮身。
利用固定线圈与金属小球之间互感时产生的电磁力作为小球的加速力。
当固定线圈接通电源时,金属小球会产生相应的感应电流,这时两个线圈相当于两个电磁铁,他们相互排斥,通过这个排斥力推动可动弹丸线圈加速射出。
关键字：
电磁整流驱动单片机
目录
1.引言4
2.方案设计4
2.1系统原理和系统分析4
2.1.1电磁加速器原理4
2.1.2系统分析4
2.2电路参数计算4
2.3方案设计与比较4
2.2.1电源电路设计方案5
2.2.2主电路设计方案5
2.2.3控制电路设计方案5
2.2.4驱动电路设计方案5
3.设计实现6
3.1整流电路6
3.2主电路6
3.3控制电路7
3.4驱动电路8
4.测试8
4.1测试方法与仪器8
4.2测量数据如下表所示：
8
4.3测试结果分析9
5.结论9
6.参考文献10
附录11
附录一：
电路图11
附录二：
源程序11
1.引言
电磁加速器是利用物理学中运动电荷或载流导体在磁场中受到电磁力（洛伦兹力）作用的来加速弹丸的。
利用固定线圈与金属小球之间互感时产生的电磁力作为小球的加速力。
当固定线圈接通电源时,金属小球会产生相应的感应电流,这时固定线圈和小球相当于两个电磁铁,他们相互排斥,通过这个排斥力推动可动弹丸线圈加速射出。
2.方案设计
2.1系统原理和系统分析
2.1.1电磁加速器原理
由线圈的互感知识可知:
小球所受的力可表示为:
F=If*Ip*dM/dx,其中F为洛伦兹力（N）、If为固定线圈中的电流强度（A）、Ip为小球中的感应电流强度（A）、dM/dx为固定线圈与小球的互感（H）、为互感梯度（H/m）。
由上式可知,固定线圈中的感应电流强度越大,小球中的感应电流强度就越大,小球所受的电磁力就越大。
通过多次实验我们发现使用常规三相交流电作为激励电源,使用一级线圈发射速度较低没有实用价值。
因此,我们设计了二级线圈炮。
轨道上固定有两个线圈,依次将整流之后的电引进这些固定线圈中,在其内部形成强大的磁场。
具体步骤如下:
先给一级线圈加交变电流,二级线圈不通电。
由电磁感应定律可知,在小球表面上产成强大的感生电流,该电流与一级线圈内部电流的相位相反,产生互斥作用,推动小球前进。
作用力随着距离的加大而迅速减小,当小球离一级线圈距离超过电磁力作用范围时,一级线圈对小球几乎没有推力作用,但这时小球正好进入二级线圈的作用范围,再次获得二级线圈施与的电磁力作用进一步加速,依次两级线圈的加速后小球便获得了较高的发射速度。
2.1.2系统分析
根据题目要求，使小球能在轨道上运动并且通过多级线圈加速，脱离轨道后弹出3-5米。
我们设计的电磁加速器主要由储能装置，加速装置和开关组成。
因为通过第一级线圈后，小球会有速度，因此要设计控制电路控制线圈电流的有无，并且用整流电路将交流转换为直流，再通过电容充放电给线圈提供电流，计算电容充放电的时间来设置电路通断。
小球经过第一级线圈开始加速，在经过第一级线圈中点前，必须断开电流，否则小球会被反拉而减速，第二级也是如此，因此我们利用空气开关来实现电流的通断。
2.2电路参数计算
220V交流电通过整流器生成直流直流，第一级线圈用两个450V/1000μF的电容并联充放电，第二级线圈用四个50V/4700μF的电容并联充放电。
由于电流较大，为了防止电容被烧坏，我们加上一个500Ω的电阻。
通过计算，电容充电的时间为15s,放电时间为2ms,因此采用可控硅和单片机来控制电路。
2.3方案设计与比较
2.2.1电源电路设计方案
交流220V电压经过整流器得到300V左右直流电，通过LU7805来稳压，使输出电压平稳，此时电容可以迅速充电，给线圈提供电能。
2.2.2主电路设计方案
两个1000μF的电容迅速充电，考虑到电容承受的电流，串联一个5.1k的限流电阻，防止电容烧坏。
电容充满后，要用开关来控制电路，此时可以可以选择普通开关，继电器和可控硅来完成开关动作。
方案一用普通开关控制，需要人为控制而且掌握不好通断时间，因此不采用。
方案二用继电器来控制，考虑到题目要求和整体设计，继电器不方便控制，因此不采用。
方案三用可控硅来控制，可控硅的瞬时导通特点，并且可以利用单片机方便控制可控硅导通，并且满足方案要求，用可控硅来控制电路。
综上分析，我们选择了方案三，利用可控硅作为开关电路。
可控硅导通，使电容开始放电，线圈因通电产生磁力，使小球加速运动，电容放电时间极短，因此必须利用控制电路切断电流，因此设计了控制电路来完善电路功能。
主电路还用了二极管来保护电路，防止电路电压过高。
2.2.3控制电路设计方案
（1）电路参数计算两个1000μF的电容并联为2mF，线圈电阻为1.5欧姆，根据时间常数τ=RC计算可知，充电时间为10s,放电时间为2ms。
（2）由于电磁的反拉特性，必须让小球通过线圈中点前切断电流，否则小球被反拉而减速，因此设计了控制系统来控制电路通断。
在此利用单片机控制可控硅的导通来控制线圈电流，在小球经过第一级线圈中点前，单片机控制，使可控硅断开，线圈无电流，无磁力，对小球没有影响。
所用的控制芯片为AT89C51,AT89C51指令简单，易学易懂，外围电路简单，硬件设计方便，IO口操作简单，无方向寄存器，资源丰富，一般设计足够用了，价格便宜、容易购买，资料丰富容易查到，程序烧写简单，好多的优点,AT89C51提供以下标准功能：
4k字节FLASH闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，2个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种可选的节电工作模式。
空闲方式体制CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器体制工作并禁止其他所有不见工作直到下一个硬件复位。
因此控制电路选用AT89C51单片机。
2.2.4驱动电路设计方案
驱动电路使用了可控硅开关电路，可控硅的特点：
单向可控硅的导通需要两个条件：
（1）A.K之间要加正向电压因此要设计驱动；
（2）G.K之间输入一个正向触发电流信号，无论是直流或脉冲信号。
而单片机控制电路的电流很小，无法使可控硅导通，因此设计驱动电路增大电流来驱动可控硅，使可控硅导通，线圈有电流，小球加速，使可控硅断开，电流消失，小球继续运动到第二级线圈，完成加速。
方案一：
电容充电结束后，通过单片机对继电器进行控制，从而控制了放电模块的迅速放电，给线圈充电。
方案二：
利用可控硅控制放电模块的导通。
对以上两种方案进行比较，可控管控制耐1000v电压，继电器不耐压100V以上就是会发热，此时放电模块电压达到300V左右，因此我们选择了可控硅。
3.设计实现
3.1整流电路
为了达到想要的小球速度，采用220V交流电给电路供电，将交流通过整流桥整流得300V直流，给电路提供能源。
整流电路图
3.2主电路
220V交流电经D1、D2、D3、D4和C构成的整流滤波电路，给电容充电，用可控硅控制电路通断，当小球进入线圈，电容开始放电，产生电流，在经过线圈中点前，单片机控制电路使电流断开，小球由于惯性运动到第二级线圈，通过第二级线圈后，小球脱离轨道，开始做平抛运动。
通过计算，电阻用5.1k的，电容用两个1000μF并联，二极管用来保护电路，可控硅来控制开关。
主电路图
可控硅原理结构图
可控硅原理：
可控硅是可控硅整流元件的简称,是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件,一般由两晶闸管反向连接而成.它的功用不仅是整流，还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电。
可控硅第一阳极A1与第二阳极A2间，无论所加电压极性是正向还是反向，只要控制极G和第一阳极A1间加有正负极性不同的触发电压，就可触发导通呈低阻状态。
此时A1、A2间压降也约1V。
双向可控硅一旦导通，即使失去触发电压，也能继续保持导通状态。
只有当第一阳极A1、第二阳极A2电流减小，小于维持电流或A1、A2间当电压极性改变且没有触发电压时，双向可控硅才截断，此时只有重新加触发电压方可导通。
3.3控制电路
考虑到电路需要，电容充放电的时间、线圈电流的有无对小球速度有影响，若小球已经通过线圈中心线圈还有电流，线圈就会产生较大的反拉压力，减慢小球的速度。
因此必须控制好电路线圈的电流，依此我们利用单片机的优点，通过控制可控硅的开断来控制线圈电流，我们选用AT89C51单片机。
。
AT89C51的引脚
单片机的最小系统
3.4驱动电路
由于单片机中的电流很小，可能只有几mA,无法驱动可控硅来使电路通，我们需要外接驱动电路来加大电流，我们外加一个几伏电压来驱动。
4.测试
4.1测试方法与仪器
（1）实验设备及测量仪器
高1m的试验台，直径为22mm的实心钢球，卷尺。
（2）测试方法
把电磁加速器放在水平试验台上，让金属小球静置在管道入口端。
启动加速电路，小球开始加速运动，当金属小球脱离轨道后，开始做平抛运动，观察其第一次落地点，做标记，并用卷尺测量第一次落地点到轨道出口的水平距离S，测了九组数据（S1-S9），并和赛题要求距离进行比较，判断小球是否落在了要求的范围内。
4.2测量数据如下表所示：
S（m）
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
S9
测量结果
3.52
3.41
3.57
3.60
3.45
3.64
3.50
3.44
3.55
是否满足要求
是
是
是
是
是
是
是
是
是
4.3测试结果分析
根据以上九组数据可以看出：
小球落地点每次都能达到题目3-5m的基本要求，落地点距导轨出口端的水平距离与加速度大小有关，由测试结果可知：
（1）加速度大小取决于电源大小，电压并非越大越好，在其它参数不变的情况下，电压升值很高，根据电容放电特性可知，小球在通过线圈中点后，线圈中仍有大电流通过，将产生严重的反拉，降低小球速度。
在一定范围内，小球获得的加速度与电压成正比，因此我们选用220V电压，经过整流得到330V直流，能给线圈提供足够大的电流。
充放电的时间与电容大小有关，电容大放电快，同时考虑到电容的耐压值和能承受电流的大小，我们采用两个1000μF的电容并联。
（2）小球的初始位置对小球的速度有一定的关系，存在一速度最快的初始位置。
若小球距离线圈太远，放电时小球与线圈耦合不佳，小球受力小，导致小球速度慢；若小球距离线圈太近，则在放电电流较大时，小球已经通过线圈中心，产生较大的反拉压力，减慢小球的速度。
总之，若小球偏离最佳位初始置较大，将对小球速度产生很大的影响。
（3）加速级数的增加对提高小球速度有明显的作用，通过增加级数来提高小球的速度。
但增加级数意味着需要更多的电能储存，电路实现比较麻烦。
（4）在装置试射过程中，曾出现过可控硅烧毁的情况，说明小球对于放电过程的控制要求极高，需要载流大且延迟速度极短的大功率开关器件。
在实验中，我们采用几A的可控硅，因为放电时间极短，可以采用。
5.结论
本系统设计的电磁加速器，能实现题目的基本要求，实现金属小球在轨道上由静止开始运动，经过两级线圈加速到一定速度，脱离轨道后做平抛运动，但在测试过程中，有小球飞离不远的情况，经论证，是线圈匝数不够及电容不够大等原因，反复调试，多次计算和测试，最终做成了电磁加速器。
如果把电路改进下，利用变压器变压，用大功率的可控硅，能使小球获得更大的速度，从而飞出更远的距离，达到题目的更高要求。
实验过程中，有各种困难，难题，但通过查阅资料，与组员讨论试验，将问题一一解决了，尽管设计达不到题目的高级要求，但是在设计过程中，我们学到了很多，对电子线路、单片机原理及应用、电路故障排除、各种电子器件有了更深的了解，相信对自己以后会有很多帮助，在实验中，我们体会到把理论应用于实践的重要性。
6.参考文献
[1]王连英,《基于Mutlisim10电子仿真与设计》，北京，北京邮电大学出版社，2009
[2]徐伟，沈建良，《C51单片机高效率入门》，北京：
机械工业出版社，2007
[3]张长利，沈明霞，《电路》，北京：
北京的农业出版社，2008
[4]高吉祥，《高频电子线路设计》，北京：
电子工业出版社，2007
[5]杨霓清，《高频电子线路》，北京：
机械工业出版社，2007
[6]郭天祥，《51单片机C语言教程》，北京：
电子工业出版社，2009
[7]黄智伟，《全国大学生电子设计竞赛训练教程》，北京：
电子工业出版社，2006
附录
附录一：
电路图
1级电路
2级电路
附录二：
源程序
#include
sbitPWMOUT=P0^0;
unsignedcharHighRH=0;//高电平重载值的高字节
unsignedcharHighRL=0;//高电平重载值的低字节
unsignedcharLowRH=0;//低电平重载值的高字节
unsignedcharLowRL=0;//低电平重载值的低字节
voidConfigPWM（unsignedintfr,unsignedchardc）;
voidClosePWM（）;
voidmain（）
{
unsignedinti;
EA=1;//开总中断
while
（1）
{
ConfigPWM（50,50）;//频率100Hz，za占空比10%
for（i=0;i<40000;i++）;
ClosePWM（）;
}
}
/*配置并启动PWM,fr-频率，dc-占空比*/
voidConfigPWM（unsignedintfr,unsignedchardc）
{
unsignedinthigh,low;
unsignedlongtmp;
tmp=（11059200/12）/fr;//计算一个周期所需的计数值
high=（tmp*dc）/100;//计算高电平所需的计数值
low=tmp-high;//计算低电平所需的计数值
high=65536-high+12;//计算高电平的重载值并补偿中断延迟
low=65536-low+12;//计算低电平的重载值并补偿中断延迟
HighRH=（unsignedchar）（high>>8）;//高电平重载值拆分为高低字节
HighRL=（unsignedchar）high;
LowRH=（unsignedchar）（low>>8）;//低电平重载值拆分为高低字节
LowRL=（unsignedchar）low;
TMOD&=0xF0;//清零T0的控制位
TMOD|=0x01;//配置T0为模式一
TH0=HighRH;//加载T0重载值
TL0=HighRL;
ET0=1;//使能T0中断
TR0=1;//启动T0
PWMOUT=1;//输出高电平
}
/*关闭PWM*/
voidClosePWM（）
{
TR0=0;//停止定时器
ET0=0;//禁止中断
PWMOUT=1;//输出高电平
}
/*T0中断服务函数，产生PWM输出*/
voidInterruptTimer0（）interrupt1
{
if（PWMOUT==1）//当前输出为高电平时，装载低电平值并输出低电平
{
TH0=LowRH;
TL0=LowRL;
PWMOUT=0;
}
else//当前输出为低电平时，装载高电平值并输出高电平
{
TH0=HighRH;
TL0=HighRL;
PWMOUT=1;
}
}
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