組員:411214306林致宇,411214307胡朝凱,411214309田禹炫,411214321黃昱晨,411214235梁祥
原理:透過排列在砲管上的兩組線圈依次通電,產生瞬間強大磁場,將具有磁性的彈丸吸入線圈中心並持續加速
材料
電源與基礎控制
18650 鋰電池:作為系統獨立動力來源。
3S 電池管理系統 (BMS) 與 Type-C 模組:建構完整的充放電保護與輸入迴路。
ESP32 開發板:擔任系統主控制核心(裝於防靜電袋內)。
XL4015 降壓模組:將電池電壓降至 5V,供邏輯電路使用。
高壓充放電與監控驅動
390V ZVS 升壓模組:負責將低壓轉換為高壓以推動主電容(以氣泡紙包覆)。
10A10 二極體:作為飛輪二極體,吸收線圈斷電時的反向突波。
基礎電子元件:包含 PC817 光耦合器、2SC2236 電晶體與 390k 等各數值電阻,共同組成電壓監控分壓與隔離觸發電路。
電磁加速與機械結構
電磁加速線圈:兩個大型黑色圓柱體為線圈本體。
漆包線軸:提供後續自行繞製或修改線圈參數使用。
金屬圓柱銷:作為受磁力牽引發射的實體彈丸。
伺服馬達:預備用於下學期整合的雲台機構,實現多角度瞄準控制。
電路圖
電源管理與分配
系統由 3S 鋰電池 (12.6V) 供電,配有 Type-C 充電與 BMS 管理。主電源開啟後分為兩路:一路經 XL4015 降壓模組轉為 5V,提供 ESP32 控制板與 LM393 感測模組運作電源。
高壓充電與監控
另一路 12V 經 ESP32 控制的繼電器導通,啟動 390V ZVS 模組,為兩顆 400V 470uF 主電容充電。高壓端透過 390k、5.6k、4.7k 電阻分壓,並由 BAS40-04 蕭特基二極體鉗位保護後,輸入 ESP32 的 ADC 引腳進行即時電壓監控。
隔離觸發與放電
為保護低壓電路,ESP32 觸發訊號經 PC817 光耦合器隔離,驅動 2SC2236 電晶體,開啟 80TPS16L 矽控整流器 (SCR)。SCR 導通使電容瞬間對第一級線圈放電,牽引彈丸。線圈並聯 10A10 飛輪二極體,吸收斷電反向突波以保護 SCR。
位置感測與二次加速
電路右側配置 LM393 遮斷感測模組。當彈丸通過第一級線圈並觸發感測器時,LM393 模組回傳訊號至電路。隨即觸發第二組光耦合器與 SCR,對第二級線圈放電,完成兩級疊加加速。
成品
此成品圖展示了整合於 3D 列印底板的雙級線圈砲實體裝置。
上圖左側為電源與控制區,配置 3S 18650 鋰電池組、總電源撥動開關、XL4015 降壓模組,以及配有 OLED 狀態螢幕的 ESP32 微控制器板。
上圖中央為 ZVS 升壓模組,負責將電池低壓轉換為高壓。
上圖右側為高壓放電與加速機構,搭載兩顆 400V 470uF 主電容、附設散熱片的 SCR 放電電路、第一與第二級加速線圈(下圖),以及安裝於線圈側邊的 LM393 光學遮斷感測模組(下圖)。畫面左上角亦可見作為彈丸的圓柱金屬銷。
目前該裝置已具備透過電池獨立運作的能力。雲台機構與遙控功能尚未完成,待下學期繼續進行整合。
連續試射影片
影片展示雙級線圈砲的連續試射過程。系統在電池獨立供電下,由 ESP32 自動控制 ZVS 模組進行電容充電與高壓監控。電壓達標後可按下按鈕觸發 SCR 進行第一級放電,金屬銷受磁力牽引向前,並成功觸發 LM393 光學感測模組,精準啟動第二級線圈完成二次疊加加速。整體過程驗證了電路充放電循環的穩定性與多級連動機制的可靠度。
射穿紙板影片
初步測試可以射穿薄紙板。
測速
以兩 LM393 模組間隔 5cm 測量時差換算速度,彈丸直徑 4mm 重量 1.9g,測得單位面積動能約 4J。