基于單片機的無線光電靶的設計

0引言

中國人民解放軍某部高炮部隊，在日常訓練中有一個難題，就是操炮戰(zhàn)士瞄準移動靶標與否不好判斷。靶標距離高炮幾十米，高度十幾米，并且不斷移動，射擊的機會稍縱即逝。

針對這個問題，查閱了許多現(xiàn)有的光電靶產(chǎn)品，有的是實彈射擊的測量裝置，使用的方法多數(shù)是平行光幕加光敏元件，也有的是采用單光幕，還有的是瞄準訓練器，功能都比較完善，但大部分都體積比較大，重量重，只能固定使用，很難移動。針對部隊瞄準訓練的實際需要，這里研制了一套電路簡單、體積小、重量輕、造價低、便于移動和自動報靶的無線光電靶系統(tǒng)，較好地解決了日常訓練中的問題。

1 整體設計

該無線光電靶系統(tǒng)主要由懸掛于移動裝置上的光電靶；置于操炮手附近的光電靶控制器；一個固定在炮身上并與炮身同步移動的半導體激光器三部分組成。

當操炮手訓練中，瞄準靶標時踩動射擊踏板，激光器發(fā)出一束激光，照射在靶標上，靶標上的光敏元件接收到激光，由單片機采集光敏元件的信息，利用無線裝置將信息發(fā)送到光電靶控制器，由控制器顯示激光照射的位置，同時用語音報告環(huán)數(shù)和偏離的方向系統(tǒng)圖如圖1所示。

2 光電靶電路設計

從圖1可以看出，光電靶由單片機、光敏元件陣列、無線通信模塊和夜間指示燈4部分組成。

2．1 單片機模塊

這里采用51系列單片機中的新型號AT89S52，因為這款設計需要擴展5個8位并行口，主要考慮其具有比較好的擴展能力，其他特性無需贅述。

2．2 光電測量模塊的設計

光敏元件采用光敏二極管，在反向電壓作用下，其電流隨光線強度成正比。將光敏二極管在規(guī)定的范圍內(nèi)(直徑60 mm)形成陣列(按照圓環(huán))排列，由AT89S52單片機擴展的接口電路對光敏元件的輸出信號進行采集。

以前有的方案是利用光纖將采集的激光信號傳導到光敏元件，這里為了降低成本減少體積，將光敏管直接布置在靶面上，每個光敏元件由一個遮光管套住，可避免大部分散射光的影響。光敏電路是光電靶的核心，也是本設計的創(chuàng)新之處，其他電路圍繞光敏電路展開設計。利用比較器進行光電檢測的模數(shù)轉(zhuǎn)換，圖2是光敏電路的基本原理圖。其中LM324是運算放大器，作為比較器使用，當電壓V2>V1時，運算放大器正向飽和，輸出電壓V。接近電源電壓，稱為高電平1；當電壓V2V1時，運算放大器反向飽和，由于這里只使用了單電源供電，運放輸出V0=O V，稱為低電平0。

在靶面安排上，參考光檢測元件放在靶標周圍不遠處，使得其接受的環(huán)境光照條件與光電靶測光元件相同。當沒有激光照射時，參考光檢測元件和光電靶測光元件同時受到環(huán)境光線的照射，調(diào)整電位器RV1，使得V1略大于V2，運算放大器LM3243的輸出電壓V0為O；當有激光照射到光電靶測光元件的時候，V2就會大于V1，使V0為1。當激光照射脫離光電靶的范圍，哪怕只照射到參考光檢測元件，運放的輸出始終為0。利用這種方法實現(xiàn)光電信號的采集和A／D轉(zhuǎn)換，省去了速度慢且價格高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，電路得到簡化，速度得到提高，同時也排除了環(huán)境光線的變化的影響。

在實際電路中，一個參考光檢測元件為多個光電靶測光元件提供參考電壓，電路得到進一步簡化。在這種情況下，要求多個光電靶測光元件的光電特性一致，或者接近一致，才不至于出現(xiàn)誤差。經(jīng)過篩選的測光元件完全可以滿足這種要求。

實際實驗證明，在陽光強烈的室外，只要沒有陽光直射到靶面，就工作正常；在夜晚星光下(遠處有路燈)，也工作正常。

光敏元件的排列與LED的排列方式基本一致，不同的地方是，7環(huán)有16個光敏元件均布，6環(huán)有24個光敏元件均布。這樣排列的目的是減小各個光敏元件的間距，以免激光束照射不到。

利用51系列單片機擴展的多個并行接口來讀取光電靶的信息，然后進行數(shù)據(jù)處理，就可以判定激光束所照射的中心點，從而給出射擊成績。擴展電路使用了數(shù)據(jù)收發(fā)器74HC244和譯碼器74HCl388。

2．3 無線通信模塊

光電靶需要接收光電靶控制器發(fā)送來的操作命令，還需要把采集的射擊成績發(fā)送給光電靶控制器，所以無線模塊需要雙向通信(半雙工)。這里采用市場比較常見的工業(yè)無線通信模塊并加以改造，基本滿足功能需要，并且成本低廉。無線通信模塊與單片機的連接利用一個擴展的并行口和幾根控制線。

2．4 夜間指示燈

為了夜間訓練方便，設計了由發(fā)光二極管組成的靶標指示燈，在夜間可以打開此指示燈，以便觀瞄。此指示燈是由靶心燈(內(nèi)燈)和靶周燈(外燈)組成，可以由光電靶控制器無線控制其開關。

3 光電靶控制器電路設計

從圖1可以看出，光電靶控制器由單片機、發(fā)光二極管陣列、無線通信模塊、激光模塊和語音播放模塊組成。另外還有用于操作的按鍵。

3．1 單片機電路

使用的單片機仍然是AT89S52，擴展5個8位并行口，其中4個并行口用來控制LED發(fā)光，1個用來連接無線通信模塊。

3．2 發(fā)光二極管顯示陣列

由AT89S52單片機擴展的并行口來驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)的亮和滅，用來顯示擊中的位置。LED的排列方式與光敏元件的排列方式一致，便于指示射擊結(jié)果，如圖3所示。

圖3中，一個最小的圓圈代表一個LED。可以看出，10環(huán)只用1個LED，亮的時候表示擊中10環(huán)；9環(huán)只用4個LED，可以指示上下左右4種偏差，上邊的LED亮表示9環(huán)偏上等；8，7，6環(huán)都是8個LED，可以表示8種偏差。

3．3 激光器

購買市場常見的筆形半導體激光器。

3．4 無線通信裝置

購買市場常見的無線收發(fā)器，加以改造以適合與單片機匹配。光電靶和控制器均為雙向收發(fā)(半雙工)。

3．5 語音電路

在單片機的控制下播放事先錄制好語音內(nèi)容。

4 光電靶程序設計

4．1 光電靶的主程序

整個光電靶的程序由開機自檢，光信號檢測，數(shù)據(jù)處理，向控制器發(fā)送檢測結(jié)果，無線命令接收和執(zhí)行等子程序組成，由主程序根據(jù)條件調(diào)用子程序。主程序框圖如圖4所示。

無線接收利用中斷完成。每次接收到一個有效的命令，就會將命令保存在一個指定地址，然后建立一個標志位，通知主程序。主程序根據(jù)命令內(nèi)容，調(diào)用相應的子程序，完成命令要求的任務。中斷服務程序框圖略。

4．2 數(shù)據(jù)處理程序

數(shù)據(jù)處理程序的功能是根據(jù)讀取的光敏檢測數(shù)據(jù)，計算出激光擊中的位置。

由于民用激光器的光斑直徑有的比較大，有的比較小。在幾十米的距離上，一般光斑直徑在10～30 mm。激光照射靶標，往往是同時照射幾個光敏元件，該程序就是要確定光斑的中心位置。

對照圖3，假設光斑中心在10環(huán)，可能被照射光敏元件只有10環(huán)的，也可能還有9環(huán)的4個，還有可能8環(huán)的8個也被照射等。要確定10環(huán)，除了10環(huán)的光敏元件被照射，還有9環(huán)、8環(huán)、7環(huán)可能被照射，并且全環(huán)都被照射，否則不能確定10環(huán)。

10環(huán)以外的其他環(huán)數(shù)的確定，需要根據(jù)光斑照射到的環(huán)數(shù)和區(qū)數(shù)來確定。環(huán)號，就是10，9，8，7，6環(huán)；環(huán)數(shù)就是光斑照射到的環(huán)有幾個，比如光斑照射到9，8，7環(huán)，環(huán)數(shù)就是3。區(qū)號和區(qū)數(shù)：正上方為1區(qū)，右上方為2區(qū)，按照順時針方向分為8個區(qū)，編號為1～8號區(qū)；光斑照射到3，4，5，6區(qū)，則區(qū)數(shù)為4。

中心環(huán)號計算：首先要根據(jù)所有照射到的環(huán)號計算出環(huán)數(shù)，然后計算出中心環(huán)號。最大環(huán)號減去環(huán)數(shù)除以2取整，這就是光斑中心的環(huán)號。取整的目的是小數(shù)的環(huán)數(shù)不好顯示。如果用數(shù)碼顯示則可以保留小數(shù)。

中心區(qū)號計算：根據(jù)所照射的所有區(qū)號計算出區(qū)數(shù)，再計算出中間區(qū)號，就是光斑的中心區(qū)號。這里有一個問題：當被照射的區(qū)號是7，8，1，2，3的時候，要把最大區(qū)號確定為11，最小區(qū)號確定為7，再計算出區(qū)數(shù)和中心區(qū)號。如果計算的中心區(qū)號大于8則減去8才是真正結(jié)果。以區(qū)號是7，8，1，2，3為例：區(qū)數(shù)=11-7+1=5，5／2=2．5，2．5取整=2，最大區(qū)號減去區(qū)數(shù)的一半取整，即11-2=9，由于9大于8，要減去8，即9-8=1，這就是中心區(qū)號，即偏上方。

中心環(huán)號和區(qū)號確定，數(shù)據(jù)處理完畢。

圖5是8個區(qū)的區(qū)號計算子程序框圖，其他子程序略。

從圖5中可以看出，如果原始數(shù)據(jù)的最大區(qū)號不是8，那就直接計算中心區(qū)號。如果原始數(shù)據(jù)的最大區(qū)號是8，就要判斷1區(qū)是否有被激光照射，如果沒有，那就直接計算中心區(qū)號。如果1區(qū)有激光照射，最大區(qū)號要加1，然后還要判斷2區(qū)，依此類推，直到?jīng)]有照射，最大區(qū)號確定。這里判斷到6區(qū)，已經(jīng)留有余地，實際上不大可能出現(xiàn)這種情況(參照圖3分析)。第一次計算的中心區(qū)號，還要判斷其值是否大于8，如果大于8還要減1，得到最終的結(jié)果。

5 光電靶控制器的程序設計

光電靶控制器的程序主要由開機自檢，操作命令的接收和執(zhí)行，無線數(shù)據(jù)信號的接收和顯示，聲音的播放控制等幾個部分組成，其主程序的框圖如圖6所示。

從圖6可以看出，主程序開機自檢之后，進入主循環(huán)。在主循環(huán)中，除了按照各種標志位來控制LED的顯示和語音播放之外，就是檢查按鍵，一旦有鍵盤命令，立即啟動無線發(fā)送模塊進行發(fā)送。這幾個鍵盤命令都是針對光電靶的命令，內(nèi)燈命令和外燈命令是對光電靶的夜間指示燈的控制命令，擊發(fā)命令和重發(fā)命令解釋如下：

擊發(fā)命令 在操炮手瞄準靶標踩下開炮開關時，接通激光器電源發(fā)出激光，并同時產(chǎn)生一個信號給光電靶控制器的單片機，由單片機通過無線信號傳送給光電靶。光電靶接收到擊發(fā)命令，開始對光敏元件進行掃描，得到原始數(shù)據(jù)。在對掃描的數(shù)據(jù)處理之后得到激光光斑中心位置的信息，就是環(huán)號和區(qū)號。光電靶將此環(huán)號和區(qū)號通過無線模塊發(fā)送回光電靶控制器。光電靶控制器據(jù)此控制LED的顯示和語音播放。

重發(fā)命令 這個命令是要光電靶將上次擊發(fā)產(chǎn)生的信息重新發(fā)送一次，以便核對。

數(shù)據(jù)的接收每當無線模塊接收到一次有效的信號，就會申請一次中斷。在中斷服務程序中讀取接收的數(shù)據(jù)，并保存在一個指定的地址里，以便主程序處理。數(shù)據(jù)的內(nèi)容是激光光斑中心的環(huán)號和區(qū)號。中斷服務程序的框圖如圖7所示。

6 結(jié)語

利用參考光和比較器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，電路簡單可靠，速度快。光敏元件圓環(huán)狀排列，可以充分利用元件。利用單片機的程序處理可以很容易得到光斑的中心位置。經(jīng)中國人民解放軍高炮某部使用效果很好，達到了設計要求，解決了動態(tài)靶瞄準的訓練問題。而且光電靶重量輕、移動方便，很適合各種野外訓練需要。如果將激光器安裝在其他槍械上，還可以用在步兵的射擊訓練上?，F(xiàn)在正在改進，準備添加射擊成績統(tǒng)計功能，在光電靶控制器上加一個數(shù)碼顯示器，實時顯示射擊次數(shù)、總環(huán)數(shù)等，同時還可以與上位機聯(lián)網(wǎng)，便于數(shù)據(jù)的儲存和管理。