2018年04月07日 | 基于单片机控制的迫击炮防重装弹系统设计

    在进行迫击炮实弹射击过程中，迫击炮炮弹不发火现象较为常见，若迫击炮炮弹不发火，则严禁再次装填炮弹，若再次装填，则易产生膛炸，造成严重人员伤亡。如何判定迫击炮炮弹不发火，防止重装弹，目前通常靠炮手观察炮口情况或听发射声音确定炮弹是否出膛，这种观察判断的方法不可靠。实弹射击时炮手心理高度紧张，往往造成观察结果不精确，为此设计本系统，防止重装弹，避免重大事故的发生。

1 系统特点
    目前国内外研究发展的迫击炮防重装装置主要有机械式、电子式等，本系统是机电结合式，系统只有在检测到填装的炮弹发生滞留时，才启动机械装置，使再次填装炮弹的过程无法进行。纯机械式的装置在装弹的过程会通过重力启动机械装置，这样对装弹操作会有一定的影响，并且在发射过程通过出膛的炮弹复位机械装置，若机械装置设计不完善，对炮弹射击弹道也会产生一定的影响，从而导致射击精度下降；纯电子式的装置只能检测到炮弹的滞留并报警，不能阻止炮弹的再次装入。
    本系统采用红外传感器作为炮弹进膛与出膛的检测手段，在炮口沿着直径方向向外延伸一定空间(尽量避离高温)，上下间隔一定距离安装两路红外发射、接收装置，较之其他防重装装置使用的加速度复位传感器或自感型变阻式传感器等检测装置结构简单、安装方便、性价比高。为提高可靠性，防止两路之间的相互干扰，红外发射与接收管套上管套，减少散射，同时为避免炮弹对红外的反射，分别将发射管与接收管安装在同一侧，如图1所示。

    本系统以单片机作为核心控制电路，相对于一般电路构成的防重装弹装置，电路更简洁，调试更快捷，基于软件编程的功能实现更强大且更易进行功能的扩展。本系统可以判断炮弹的半填装状态，故当中止发射，炮弹被重新取出后不会产生误报，并且本系统是在炮弹装入后过2．5 s还未检测到炮弹发射出膛才启动声光报警电路，大部分防重装装置只要装入炮弹就报警，发射出膛后报警解除，未发射出膛报警一直进行，这样的功能设置在正常工作时也有报警信号，人为地加深了炮手的疲惫感，当炮弹真正不发火报警继续时，炮手对其敏感度与警戒力会减弱。

    2 硬件结构

    图2为本系统电路控制部分的硬件结构，根据功能要求，选用Atmel公司推出的AT89C2051为控制核心，其是目前比较主流的单片机芯片，共有20个引脚，其中包括15个I／O口，选用此单片机可缩小装置的体积，简化电路。

    为提高可靠性，红外发射管发出的信号是38 kHz的调制信号，调制电路也采用AT89C2051通过软件编程来产生38 kHz红外调制信号，该信号通过多个并联的门电路提高驱动力，再加载在红外发射管上(图2未画出发射信号的调制电路)，这样不仅电路简单，得到的信号频率也比较稳定。
    红外接收采用的是一体化的接收头HS0038，其内部集成有红外接收、放大、解调、整形等电路，当接收到38 kHz的红外脉冲串时，输出低电平，否则输出高电平，其输出信号的极性与发送信号的相反，图2中使用三极管对其反向及放大后，两路红外接收管输出的信号分别连入AT89C2051的P3．2()与P3．2()引脚。
    红外传感器为检测炮弹装入与发射的手段，故其发射与接收器的正常工作是系统可靠的前提，为此设置了开机对其进行检测的功能。
    单片机作为控制核心，可以根据P3．2与P3．3输入信号的高、低及跳变判断出迫击炮发射过程所处的状态：待填装状态、半填装状态、填装完成状态、正常发射完成状态及不发火状态。当判断出发射过程处于不发火状态时，由P3．0控制启动机械装置卡住炮口，防止再次填装炮弹动作完成，同时由P3．1启动光闪烁报警及P3．4启动音乐片KD9561报警，为提高报警声响，采用LM386作为音频放大；当检测到完成一次正常发射状态时，计算一次炮弹发射的枚数，并通过数码管显示，系统设置了两位数码管，由单片机的P1口控制其段选码，P3．5与P3．7控制其位选码，最大计数值为99枚。

    3 软件设计
    本系统将红外接收管的输出信号引入单片机的P3．2()与P3．3()引脚，可以比较巧妙且比较简洁地通过软件编程判断迫击炮发射过程所处的状态，因为此两脚即是通用的I／O引脚又是外部中断的输入引脚，这样可以通过两引脚电平的高、低及是否有中断和中断产生的次序来判断发射过程所处的状态，当接收到红外光照时，P3．2=0且P3．3=0，故通过查询检测到P3．2=0且P3．3=0时，则发射过程处于
待填装状态；当检测到P3．2=1且P3．3=1时，则发射过程处于半填装状态；以半填装状态为判断前提，若炮弹被重新取出，则P3．3先由高变低，后P3．2由高变低，也即当产生了先后的中断，说明炮弹被取出重新回到待填装状态；反之当产生了先后的中断，说明炮弹已完全滑入身管进入填装完成状态，这时启动定时器，2．5 s后未检测到与中断，说明炮弹未出膛，进入不发火状态；反之在2．5 s内检测到与中断，说明完成一次正常发射。

    故软件系统由一个主程序、一个显示驱动子程序、两个外部中断服务程序和一个定时中断服务程序组成，两个外部中断服务程序完成指示此两中断产生顺序的次序变量的设置及出膛标识的设置，定时中断服务程序完成2．5 s的时间定时，并判断炮弹是否正常发射出膛，否则报警并驱动机械装置工作，主程序首先进行初始化，然后根据P3．2与P3．3电平的高低及中断程序中形成的标识变量判断出发射过程所处的状态，各程序流程如图3～图5所示。

        4 结语

    本系统采用20引脚单片机为主控电路，通过软件实现系统功能，使整个系统结构简单，功能可靠，并且易于对功能的扩展；使用红外传感器作为检测方式，克服了同类装置影响迫击炮射击精度、安装使用不方便、存在误报可能等问题，解决了迫击炮炮弹发射过程中由于人为因素导致的无法判断炮弹装填后是否发射出膛的问题，避免了潜在的重大事故的发生。

    将控制电路与机械装置整合为一体，外观设计成弧形状，用紧定箍将该装置安装于炮口。通过实弹射击的检验，本系统不影响炮弹的填装与发射，运行可靠，当模拟发生炮弹重装事故时能可靠及时地报警。