Электромагнитная пушка Гаусса на микроконтроллере

Всем привет. В данной статье рассмотрим, как изготовить портативную электромагнитную пушку Гаусса, собранную с применением микроконтроллера. Ну, насчет пушки Гаусса я, конечно, погорячился, но то, что это – электромагнитная пушка, нет сомнения. Данное устройство на микроконтроллере было разработано для того, чтобы обучить начинающих программированию микроконтроллеров на примере конструирования электромагнитной пушки своими руками.Разберем некоторые конструктивные моменты как в самой электромагнитной пушке Гаусса, так и в программе для микроконтроллера.

image

С самого начала нужно определиться с диаметром и длиной ствола самой пушки и материалом, из которого она будет изготовлена. Я применил пластиковый футляр диаметром 10 мм из-под ртутного термометра, поскольку он у меня валялся без дела. Вы можете использовать любой доступный материал, обладающий не ферромагнитными свойствами. Это стекло, пластик, медная трубка и т. д. Длина ствола может зависеть от количества применяемых электромагнитных катушек. В моем случае используется четыре электромагнитных катушки, длина ствола составила двадцать сантиметров.

image

Что касается диаметра применяемой трубки, то в процессе работы электромагнитная пушка показала, что нужно учитывать диаметр ствола относительно применяемого снаряда. Проще говоря, диаметр ствола не должен намного превышать диаметр применяемого снаряда. В идеале, ствол электромагнитной пушки должен подходить под сам снаряд.

Материалом для создания снарядов послужила ось от принтера диаметром пять миллиметров. Из данного материала и были изготовлены пять болванок длиной 2,5 сантиметра. Хотя также можно применять стальные болванки, скажем, из проволоки или электрода – что найдется.

Нужно уделить внимание и весу самого снаряда. Вес по возможности должен быть небольшим. Мои снаряды слегка тяжеловаты получились.

image

Перед созданием данной пушки были проведены эксперименты. В качестве ствола использовалась пустая паста от ручки, в качестве снаряда – иголка. Иголка с легкостью пробивала обложку журнала, установленного неподалеку от электромагнитной пушки.

Поскольку оригинальная электромагнитная пушка Гаусса строится по принципу заряда конденсатора большим напряжением, порядка трехсот вольт, то в целях безопасности начинающим радиолюбителям следует запитывать её низким напряжением, порядка двадцати вольт. Низкое напряжение приводит к тому, что дальность полета снаряда не очень большая. Но опять же, всё зависит от количества применяемых электромагнитных катушек. Чем больше электромагнитных катушек применяется, тем больше получается ускорение снаряда в электромагнитной пушке. Также имеют значение диаметр ствола (чем меньше диаметр ствола, тем снаряд летит дальше) и качество намотки непосредственно самих электромагнитных катушек. Пожалуй, электромагнитные катушки – самое основное в устройстве электромагнитной пушки, на это нужно обратить серьёзное внимание, чтобы добиться максимального полета снаряда.

Я приведу параметры своих электромагнитных катушек, у вас они могут быть другими. Катушка наматывается проводом диаметром 0,2 мм. Длина намотки слоя электромагнитной катушки составляет два сантиметра и содержит шесть таких рядов. Каждый новый слой я не изолировал, а начинал намотку нового слоя на предыдущий. Из-за того, что электромагнитные катушки запитываются низким напряжением, вам нужно получить максимальную добротность катушки. Поэтому все витки наматываем плотно друг другу, виток к витку.

image

Что касается подающего устройства, то тут особые пояснения не нужны. Все паялось из отходов фольгированного текстолита, оставшегося от производства печатных плат. На рисунках все подробно отображено. Сердцем подающего устройства является сервопривод SG90, управляемый микроконтроллером. Купить можно тут

image

Подающий шток изготовлен из стального прутка диаметром 1,5 мм, на конце штока запаяна гайка м3 для сцепления с сервоприводом. На качалке сервопривода для увеличения плеча установлена загнутая с двух концов медная проволока диаметром 1,5 мм.

Данного нехитрого устройства, собранного из подручных материалов, вполне хватает, чтобы подать снаряд в ствол электромагнитной пушки. Подающий шток должен полностью выходить из загрузочного магазина. В качестве направляющей для подающего штока послужила треснувшая латунная стойка с внутренним диаметром 3 мм и длиной 7 мм. Жалко было выбрасывать, вот и пригодилось, собственно, как и кусочки фольгированного текстолита.

Программа для микроконтроллера atmega16 создавалась в AtmelStudio, и является полностью открытым проектом для вас. Рассмотрим некоторые настройки в программе микроконтроллера, которые придется произвести. Для максимально эффективной работы электромагнитной пушки вам понадобится настроить в программе время работы каждой электромагнитной катушки. Настройка производится по порядку. Сначала подпаиваете в схему первую катушку, все остальные не подключаете. Задаете в программе время работы (в миллисекундах).

PORTA |=(1<<1); // катушка 1
_delay_ms(350); / / время работы

Прошиваете микроконтроллер, и запускаете программу на микроконтроллере. Усилия катушки должно хватать на то, чтобы втянуть снаряд и придать начальное ускорение. Добившись максимального вылета снаряда, подстраивая время работы катушки в программе микроконтроллера, подключаете вторую катушку и также настраиваете по времени, добиваясь еще большей дальности полета снаряда. Соответственно, первая катушка остается включенной.

PORTA |=(1<<1); // катушка 1
_delay_ms(350);
PORTA &=~(1<<1);
PORTA |=(1<<2); // катушка 2
_delay_ms(150);

Таким способом настраиваете работу каждой электромагнитной катушки, подключая их по порядку. По мере увеличения количества электромагнитных катушек в устройстве электромагнитной пушке Гаусса скорость и, соответственно, дальность снаряда должны также увеличиваться.

Данную кропотливую процедуру настройки каждой катушки можно избежать. Но для этого придется модернизировать устройство самой электромагнитной пушки, установив датчики между электромагнитными катушками для отслеживания перемещения снаряда от одной катушки к другой. Датчики в сочетании с микроконтроллером позволят не только упростить процесс настройки, но и увеличат дальность полета снаряда. Данные навороты я не стал делать и усложнять программу микроконтроллера. Целью было реализовать интересный и несложный проект с применением микроконтроллера. Насколько он интересен, судить, конечно, вам. Скажу честно, я радовался, как ребенок, «молотя» из данного устройства, и у меня созрела идея более серьезного устройства на микроконтроллере. Но это уже тема для другой статьи.



Программа и схема atmel-programme.clan.su/Puhka.zip

Similar posts

AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

More
Ads

Comments 55

    +9
    Добро пожаловать на Хабр!
      +3
      И вам привет.
        +5
        Судя по качеству статьи — автору уже давно пора было тут зарегистрироваться.
        0
        Можно сервоприводом предварительно разгонять, или даже пулять :).
          0
          Так и было :), пришлось скорость подачи замедлять.
          +3
          Без датчиков прохождения «снаряда», установленных между катушек, и включения последующей ступени по их срабатыванию — совершенно не эффективный девайс. Да и собрать можно было без применения контроллера в таком случае.
            +2
            Нормальный дивайс. Эффективный.
            Датчики только на пару процентов увеличат скорость снаряда если задержки на глаз хорошо подобраны для данного типа снаряда.
            А вот диоды в катушках не очень хорошее решение.
            Они не дают катушкам резче выключаться, поэтому надо делать паузу между включениями катушек, а то они будут тянуть каждая в свою сторону на некоторых отрезках времени.

            Сами катушки лучше рассчитать в программе для моделирования электромагнитных полей. Возможно лучше даже стрелять магнитами.
              0
              Спасибо за подсказку. Я настолько, конечно не углублялся.
                0
                Кстати, можете посмотреть в сторону FEMM, умельцы с gauss2k сделали для неё скрипт как раз для рассчёта ступеней ускорителя.
                0
                Сами катушки лучше рассчитать в программе для моделирования электромагнитных полей

                По каким параметрам рассчитывать катушки?
                  0
                  Смотря что мы можем варьировать.
                  Изменять очевидно можно геомерию катушек.
                  Сечение провода, а значит и ток более под вопросом.
                  Но думаю стоило бы и ток варьировать при заданном напряжении.

                  Тогда это превращается в задачу соленоида, где надо максимизировать силу.
                  Решать можно, например, в пакете COMSOL
                  0
                  А вот диоды в катушках не очень хорошее решение.
                  Они не дают катушкам резче выключаться, поэтому надо делать паузу между включениями катушек, а то они будут тянуть каждая в свою сторону на некоторых отрезках времени.

                  Поясните, пожалуйста, почему диоды не дают катушкам резче выключаться?
                  Если их убрать, то они, очевидно, будут разрушать транзистор.
                    +1
                    Диоды продолжают пропускать ток некоторое время после выключения транзисторов. Т.е. катушка продолжает создавать магнитное поле когда его уже не должно быть.
                    Ставить надо двухсторонние трансилы они же TVS-ы вольт на 40.
                      0
                      Ага, я понял! Если диод идеальный, то ток будет бесконечно ходить по катушке, поддерживая созданное магнитное поле. Но поскольку диод не идеальный и требует напряжение смещения, то магнитное поле все-таки будет разрушаться в соответствии с рассеиваемой мощностью диода.

                      Я вот думаю — а ведь можно было бы тогда зашунтировать транзистор последовательным диодом и конденсатором. В таком случае при закрытии ток пошел бы на заряд конденсатора, перекачав энергию из катушки в конденсатор.

                      Или как вариант — подсоединить к катушке несколько диодов подряд.
                      +1
                      Была тема одна на радиокоте… у человека электромагнитная заслонка не хотела закрываться когда ставил диод на нее, а там ШИМ был всего 300гц. оказалось индуктивность огромная и диод замедлял процесс отключения до того что между импульсами ток не прекращался. Собственно, так во многих схемах и работают дроссели DC-DC преобразователей.
                    +2
                    Скорей всего вы не читали стати, а сразу сделали негативное заключение. Мне хотелось сделать интересный проект, именно, на микроконтроллере, для начинающих изучать программирование микроконтроллеров. И что данную пушку можно реализовать без участия микроконтроллера и так понятно.
                      0
                      .
                      0
                      Впервые про такие пушки я узнал из поста про робота-футболиста. Я так понял, что обычно пушки делают с разрядом конденсатора. Более хитрые схемы умудряются при этом переиспользовать энергию катушек.
                        0
                        > Соответственно, первая катушка остается включенной.

                        zim48, я могу ошибаться, но вроде эффективнее при каком-то прохождении снаряда питание на катушке инвертировать. Если не именяет память, то катушка сначала втягивает объект, а когда он начинает выходить не толкает дальше, а пытается втянуть обратно (эдакий маятник с затуханием). Тем самым, будучи включенной катушка начинает мешать последующей. Т.е. по хорошему, нужно инвертировать питание (понятно процесс не моментальный) дабы направление магнитного поля изменилось и катушка как бы начала поддталкивать снаряд. Правда и тут катушку нужно будет выключить как только так сразу.

                        ЗЫ учебник физики не брал в руки больше 10 лет, раздел Магнетизм мог и позабыть.
                          0
                          Экспериментировал с одной электромагнитной катушкой. Именно инвертировал катушку после выхода снаряда из катушки. Толи я чего-то делал не так, но результат, в место отталкивания наоборот замедлял вылет.
                            0
                            Нужно подождать комментариев более обладающих в этой теме людей. Но вполне возможно что нужно правильно считать момент инверсии с учётом переходных процессов. Да ещё посмотреть как эти процессы проявляться будут. Т.е. по идее, к моменту максимального вылета из катушки катушка или обесточена должна быть, либо заинвертирована. У тебя получается, что силы притягивания перевешиваются за счёт заданного ускорения и массы «снаряда», а потом подключается уже следующая катушка. Т.е. потюнить можно.
                              0
                              Так как снаряд не является магнитом, то будет втягиватся в катушку при любой полярности питающего напряжения. Если же вы пытаетесь побыстрее погасить ток в катушке при достижении снарядом её центра, то такой подход имеет правно на жизнь, но, имхо, с точки зрения практической реализации проще поставить ещё ступень или отключать ток немного раньше.
                              Кстати, а не тонковаты ли провода идущие к катушкам? И какой источник питания вы используете(видео посмотреть не могу интернет по талонам)?
                                0
                                Провода подключал и потолще, особой разницы не наблюдал. Напряжение катушек постоянное 20B.
                              +2
                              А что даст инвертирование?
                              Вот если бы снаряд был магнитным — то да, один полюс притягивается, другой отталкивается, можно инвертировать в нужный момент и «подтолкнуть».
                              А тут же просто нейтральный ферромагнетик. Ему всё равно, в каком направлении течёт ток в катушке. Производная направлена в сторону увеличения индуктивности за счёт помещения в соленоид сердечника. Потенциальная яма — внутри соленоида.
                                0
                                У этого ферромагнетика остается остаточная намагниченность некоторое время.
                                  0
                                  Возможно, что такой трюк можно было бы применить для последней катушки в цепочке.
                                  0
                                  Инвертирование поля можно рассматривать для пары катушек, а не для одной, тогда смещение сердечника в следующую катушку будет приводить к выталкиванию первой катушкой во вторую, но проблема в том, что этот процесс тоже нужно своевременно начать, и не менее своевременно закончить для достижения эффекта.
                                  А по поводу датчиков, они необходимы для возможности корректировки задержек и процесса самообучения:
                                  в EEPROM хранятся некие значения задержек для каждой из катушек, и некие значения дельта смещений задержек от предыдущего выстрела, программа корректирует считанную задержку новой дельтой и считает время излета.
                                  Если таковое окажется успешнее предыдущего, происходит запись новой задержки и текущей дельты в EEPROM.
                                  Новую дельту можно выбирать либо относительно предыдущей, либо совсем случайно, и в случае снижения показателей скорострельности — запись данных не производить. Таким образом пушка может самостоятельно повышать эффективность стрельбы. Короче целая область для фантазии.
                                  0
                                  Железный цилиндр не имеет своего магнитного поля, поэтому магнитное поле стремится втянуть объект так, чтобы его центр оказался в центре катушки. В идеале катушка должна быть мгновенно обесточена при прохождении центра объекта через центр катушки, иначе начнет действовать сила, втягивающая объект обратно. Остаточная намагниченность не в счет, она формируется самим магнитным полем по аналогии с реактивным сопротивлением.
                                    0
                                    Инвертирование одной катушки будет также ослаблять магнитное поле следующей!
                                  +1
                                  Каждая катушка придаёт снаряду дополнительное ускорение? А что будет, если их закольцевать? И в нужный момент разомкнуть кольцо и отправить снаряд к цели.

                                  Как-то так:

                                  image
                                    +3
                                    БАК?
                                      0
                                      даже у кольцевых циклотронов есть синхротронное излучение, что уж говорить о таком чуде
                                        0
                                        Синхротронное излучение — это излучение заряженных релятивистских частиц в магнитном поле. Откуда здесь заряд и релятивизм, если гоняют незаряженную ферромагнитную болванку на вполне ньютоновских скоростях? Другое дело — излучение от катушек, но там его не так много.
                                          0
                                          естественно никто не сравнивает классическую и релятивистскую механику, если не так понятно, то имелось в виду что не так просто все сделать
                                            0
                                            Основная проблема — подвесить снаряд. Можно запихнуть сверхпроводники, тогда получится настоящий макро-БАК. Теоретически, остаточной намагниченности хватит для подвески легкого заряда. Или — стрелять магнитами, но это дорого.
                                        0
                                        А что делать с центробежной силой?
                                          0
                                          забавная мысль, а снарядом сделать шарик от мыши)
                                          0
                                          А почему такой драйвер ключей плохой? Зачем там опторазвязка? Разряд затвора резистором, вкупе с плохим зарядом слабой оптопарой и последовтельным резистором — дважды плохо.
                                          Что такое -16 вольт? Правда минус 16 или вы так землю обозначили. Если правда минус 16, то получается к транзисторам приложено 32 вольта, что уже почти за гранью области безопасной работы. К затворам также, в таком случае, прикладывается гораздо больше разрешенных +15 В.
                                          Почему не сделать однополярное питание? Тогда пойдет два драйвера типа IR4427, либо даже хватит напрямую от ноги микроконтроллера. Иначе IR2110.
                                            0
                                            Опторазвязку поставил во избежание зависания микроконтроллера, хотя вы правы можно и нее ставить. Насчет 16 вольт, спасибо что подправили, некорректно указал землю. Для 5В и 16B земля общая.
                                              +1
                                              Что бы не было зависаний — грамотно разводите землю. А эта развязка у вас очень сильно снижает мощность, которая доходит до затвора.
                                              Подавайте напрямую с ноги контроллера, через резистор ом на 50-100.
                                            0
                                            А не будет эффективнее если катушки делать из изолированных проводов и/или добавлять обмотку на снаряд?
                                              +1
                                              Это провода в лаковой изоляции. Её не видно, но она есть =)
                                              Обмотку на снаряде как запитывать? Тянуть за снарядом провод, как на ПТУР первого поколения?
                                                0
                                                Там замкнуть на снаряде катушку и ждать индукции от внешней обмотки. Но я не настоящий сварщик, и не знаю куда там вектор и какой силы пойдет после такого.
                                              0
                                              Вот о чем стоить задуматься так это об остаточной намагниченности снарядов.
                                              Неправильное расположение намагниченых снарядов в магазине может привести к сильному ухудшению энергетики выстрела.
                                                0
                                                Полностью с вами согласен, есть такое.
                                              0
                                              Думаю стоит прикрутить к устройству счетчик патронов в магазине
                                                0
                                                Надо было сделать в магазине заслонку на соленоиде чтобы подавать патроны в трубку по одному. А на торце трубки вместо подающего штока расположить proximity sensor типа VL6180X. Тогда можно было бы непринужденно без подстройки стрелять снарядами с произвольной формой.
                                                Это и счетчик снарядов заменило бы.
                                                  0
                                                  Похоже на то )
                                                  0
                                                  Провел эксперимент.Нашло у себя цилиндрический неодимовый магнит 20x6mm. Применил в качестве снаряда, при этом программу не переделывал. Сила выстрела значительно возросла, коробку пробивает.
                                                    0
                                                    Аккуратнее, неодимовые магниты довольно хрупкие…
                                                      +1
                                                      Уже поломал :)
                                                    0
                                                    А в чём так красиво нарисована схема?
                                                      +1
                                                      AnimeStudia

                                                    Only users with full accounts can post comments. Log in, please.