基于AT89S5和光敏二極管實(shí)現(xiàn)無(wú)線光電靶系統(tǒng)的應(yīng)用方案

1 引言

中國(guó)人民解放軍某部高炮部隊(duì)，在日常訓(xùn)練中有一個(gè)難題，就是操炮戰(zhàn)士瞄準(zhǔn)移動(dòng)靶標(biāo)與否不好判斷。靶標(biāo)距離高炮幾十米，高度十幾米，并且不斷移動(dòng)，射擊的機(jī)會(huì)稍縱即逝。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，查閱了許多現(xiàn)有的光電靶產(chǎn)品，有的是實(shí)彈射擊的測(cè)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(zhǔn)訓(xùn)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(dòng)。針對(duì)部隊(duì)瞄準(zhǔn)訓(xùn)練的實(shí)際需要，這里研制了一套電路簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、造價(jià)低、便于移動(dòng)和自動(dòng)報(bào)靶的無(wú)線光電靶系統(tǒng)，較好地解決了日常訓(xùn)練中的問(wèn)題。

2 整體設(shè)計(jì)

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

當(dāng)操炮手訓(xùn)練中，瞄準(zhǔn)靶標(biāo)時(shí)踩動(dòng)射擊踏板，激光器發(fā)出一束激光，照射在靶標(biāo)上，靶標(biāo)上的光敏元件接收到激光，由單片機(jī)采集光敏元件的信息，利用無(wú)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(shí)用語(yǔ)音報(bào)告環(huán)數(shù)和偏離的方向系統(tǒng)圖如圖1所示。

3 光電靶電路設(shè)計(jì)

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

3．1 單片機(jī)模塊

這里采用51系列單片機(jī)中的新型號(hào)AT89S52，因?yàn)檫@款設(shè)計(jì)需要擴(kuò)展5個(gè)8位并行口，主要考慮其具有比較好的擴(kuò)展能力，其他特性無(wú)需贅述。

3．2 光電測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

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(qiáng)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?qǐng)A環(huán)）排列，由AT89S52單片機(jī)擴(kuò)展的接口電路對(duì)光敏元件的輸出信號(hào)進(jìn)行采集。

以前有的方案是利用光纖將采集的激光信號(hào)傳導(dǎo)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(gè)光敏元件由一個(gè)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(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處，其他電路圍繞光敏電路展開(kāi)設(shè)計(jì)。利用比較器進(jìn)行光電檢測(cè)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(yùn)算放大器，作為比較器使用，當(dāng)電壓V2》V1時(shí)，運(yùn)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(dāng)電壓V2

在靶面安排上，參考光檢測(cè)元件放在靶標(biāo)周圍不遠(yuǎn)處，使得其接受的環(huán)境光照條件與光電靶測(cè)光元件相同。當(dāng)沒(méi)有激光照射時(shí)，參考光檢測(cè)元件和光電靶測(cè)光元件同時(shí)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(yùn)算放大器LM3243的輸出電壓V0為O；當(dāng)有激光照射到光電靶測(cè)光元件的時(shí)候，V2就會(huì)大于V1，使V0為1。當(dāng)激光照射脫離光電靶的范圍，哪怕只照射到參考光檢測(cè)元件，運(yùn)放的輸出始終為0。利用這種方法實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的采集和A／D轉(zhuǎn)換，省去了速度慢且價(jià)格高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，電路得到簡(jiǎn)化，速度得到提高，同時(shí)也排除了環(huán)境光線的變化的影響。

在實(shí)際電路中，一個(gè)參考光檢測(cè)元件為多個(gè)光電靶測(cè)光元件提供參考電壓，電路得到進(jìn)一步簡(jiǎn)化。在這種情況下，要求多個(gè)光電靶測(cè)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(guò)篩選的測(cè)光元件完全可以滿足這種要求。

實(shí)際實(shí)驗(yàn)證明，在陽(yáng)光強(qiáng)烈的室外，只要沒(méi)有陽(yáng)光直射到靶面，就工作正常；在夜晚星光下（遠(yuǎn)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(gè)光敏元件均布，6環(huán)有24個(gè)光敏元件均布。這樣排列的目的是減小各個(gè)光敏元件的間距，以免激光束照射不到。

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

3．3 無(wú)線通信模塊

光電靶需要接收光電靶控制器發(fā)送來(lái)的操作命令，還需要把采集的射擊成績(jī)發(fā)送給光電靶控制器，所以無(wú)線模塊需要雙向通信（半雙工）。這里采用市場(chǎng)比較常見(jiàn)的工業(yè)無(wú)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(wú)線通信模塊與單片機(jī)的連接利用一個(gè)擴(kuò)展的并行口和幾根控制線。

3．4 夜間指示燈

為了夜間訓(xùn)練方便，設(shè)計(jì)了由發(fā)光二極管組成的靶標(biāo)指示燈，在夜間可以打開(kāi)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(wú)線控制其開(kāi)關(guān)。

4 光電靶控制器電路設(shè)計(jì)

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

4．1 單片機(jī)電路

使用的單片機(jī)仍然是AT89S52，擴(kuò)展5個(gè)8位并行口，其中4個(gè)并行口用來(lái)控制LED發(fā)光，1個(gè)用來(lái)連接無(wú)線通信模塊。

4．2 發(fā)光二極管顯示陣列

由AT89S52單片機(jī)擴(kuò)展的并行口來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED）的亮和滅，用來(lái)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(gè)最小的圓圈代表一個(gè)LED?？梢钥闯觯?0環(huán)只用1個(gè)LED，亮的時(shí)候表示擊中10環(huán)；9環(huán)只用4個(gè)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(gè)LED，可以表示8種偏差。

4．3 激光器

購(gòu)買市場(chǎng)常見(jiàn)的筆形半導(dǎo)體激光器。

4．4 無(wú)線通信裝置

購(gòu)買市場(chǎng)常見(jiàn)的無(wú)線收發(fā)器，加以改造以適合與單片機(jī)匹配。光電靶和控制器均為雙向收發(fā)（半雙工）。

4．5 語(yǔ)音電路

在單片機(jī)的控制下播放事先錄制好語(yǔ)音內(nèi)容。

5 光電靶程序設(shè)計(jì)

5．1 光電靶的主程序

整個(gè)光電靶的程序由開(kāi)機(jī)自檢，光信號(hào)檢測(cè)，數(shù)據(jù)處理，向控制器發(fā)送檢測(cè)結(jié)果，無(wú)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(wú)線接收利用中斷完成。每次接收到一個(gè)有效的命令，就會(huì)將命令保存在一個(gè)指定地址，然后建立一個(gè)標(biāo)志位，通知主程序。主程序根據(jù)命令內(nèi)容，調(diào)用相應(yīng)的子程序，完成命令要求的任務(wù)。中斷服務(wù)程序框圖略。

5．2 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(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)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(biāo)，往往是同時(shí)照射幾個(gè)光敏元件，該程序就是要確定光斑的中心位置。

對(duì)照?qǐng)D3，假設(shè)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(gè)，還有可能8環(huán)的8個(gè)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(lái)確定。環(huán)號(hào)，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(gè)，比如光斑照射到9，8，7環(huán)，環(huán)數(shù)就是3。區(qū)號(hào)和區(qū)數(shù)：正上方為1區(qū)，右上方為2區(qū)，按照順時(shí)針?lè)较蚍譃?個(gè)區(qū)，編號(hào)為1～8號(hào)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(hào)計(jì)算：首先要根據(jù)所有照射到的環(huán)號(hào)計(jì)算出環(huán)數(shù)，然后計(jì)算出中心環(huán)號(hào)。最大環(huán)號(hào)減去環(huán)數(shù)除以2取整，這就是光斑中心的環(huán)號(hào)。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(hào)計(jì)算：根據(jù)所照射的所有區(qū)號(hào)計(jì)算出區(qū)數(shù)，再計(jì)算出中間區(qū)號(hào)，就是光斑的中心區(qū)號(hào)。這里有一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)被照射的區(qū)號(hào)是7，8，1，2，3的時(shí)候，要把最大區(qū)號(hào)確定為11，最小區(qū)號(hào)確定為7，再計(jì)算出區(qū)數(shù)和中心區(qū)號(hào)。如果計(jì)算的中心區(qū)號(hào)大于8則減去8才是真正結(jié)果。以區(qū)號(hào)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(hào)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(hào)，即偏上方。

中心環(huán)號(hào)和區(qū)號(hào)確定，數(shù)據(jù)處理完畢。

圖5是8個(gè)區(qū)的區(qū)號(hào)計(jì)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(hào)不是8，那就直接計(jì)算中心區(qū)號(hào)。如果原始數(shù)據(jù)的最大區(qū)號(hào)是8，就要判斷1區(qū)是否有被激光照射，如果沒(méi)有，那就直接計(jì)算中心區(qū)號(hào)。如果1區(qū)有激光照射，最大區(qū)號(hào)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(hào)確定。這里判斷到6區(qū)，已經(jīng)留有余地，實(shí)際上不大可能出現(xiàn)這種情況（參照?qǐng)D3分析）。第一次計(jì)算的中心區(qū)號(hào)，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。

6 光電靶控制器的程序設(shè)計(jì)

光電靶控制器的程序主要由開(kāi)機(jī)自檢，操作命令的接收和執(zhí)行，無(wú)線數(shù)據(jù)信號(hào)的接收和顯示，聲音的播放控制等幾個(gè)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(kāi)機(jī)自檢之后，進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)中，除了按照各種標(biāo)志位來(lái)控制LED的顯示和語(yǔ)音播放之外，就是檢查按鍵，一旦有鍵盤命令，立即啟動(dòng)無(wú)線發(fā)送模塊進(jìn)行發(fā)送。這幾個(gè)鍵盤命令都是針對(duì)光電靶的命令，內(nèi)燈命令和外燈命令是對(duì)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(zhǔn)靶標(biāo)踩下開(kāi)炮開(kāi)關(guān)時(shí)，接通激光器電源發(fā)出激光，并同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)給光電靶控制器的單片機(jī)，由單片機(jī)通過(guò)無(wú)線信號(hào)傳送給光電靶。光電靶接收到擊發(fā)命令，開(kāi)始對(duì)光敏元件進(jìn)行掃描，得到原始數(shù)據(jù)。在對(duì)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(hào)和區(qū)號(hào)。光電靶將此環(huán)號(hào)和區(qū)號(hào)通過(guò)無(wú)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(yǔ)音播放。

重發(fā)命令 這個(gè)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(duì)。

數(shù)據(jù)的接收每當(dāng)無(wú)線模塊接收到一次有效的信號(hào)，就會(huì)申請(qǐng)一次中斷。在中斷服務(wù)程序中讀取接收的數(shù)據(jù)，并保存在一個(gè)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(hào)和區(qū)號(hào)。中斷服務(wù)程序的框圖如圖7所示。

7 結(jié)語(yǔ)

利用參考光和比較器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，電路簡(jiǎn)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(jī)的程序處理可以很容易得到光斑的中心位置。經(jīng)中國(guó)人民解放軍高炮某部使用效果很好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，解決了動(dòng)態(tài)靶瞄準(zhǔn)的訓(xùn)練問(wèn)題。而且光電靶重量輕、移動(dòng)方便，很適合各種野外訓(xùn)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(xùn)練上?，F(xiàn)在正在改進(jìn)，準(zhǔn)備添加射擊成績(jī)統(tǒng)計(jì)功能，在光電靶控制器上加一個(gè)數(shù)碼顯示器，實(shí)時(shí)顯示射擊次數(shù)、總環(huán)數(shù)等，同時(shí)還可以與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，便于數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和管理。

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