基于單片機的無(wú)線(xiàn)光電靶
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中國人民解放軍某部高炮部隊，在日常訓練中有一個(gè)難題，就是操炮戰士瞄準移動(dòng)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(dòng)，射擊的機會(huì )稍縱即逝。
針對這個(gè)問(wèn)題，查閱了許多現有的光電靶產(chǎn)品，有的是實(shí)彈射擊的測量裝置，使用的方法多數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(dòng)。針對部隊瞄準訓練的實(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)報靶的無(wú)線(xiàn)光電靶系統，較好地解決了日常訓練中的問(wèn)題。
1 整體設計
該無(wú)線(xiàn)光電靶系統主要由懸掛于移動(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)的半導體激光器三部分組成。
當操炮手訓練中，瞄準靶標時(shí)踩動(dòng)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(wú)線(xiàn)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)音報告環(huán)數和偏離的方向系統圖如圖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(wú)線(xiàn)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(gè)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(wú)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(xiàn)強度成正比。將光敏二極管在規定的范圍內(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(jìn)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(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，也是本設計的創(chuàng )新之處，其他電路圍繞光敏電路展開(kāi)設計。利用比較器進(jìn)行光電檢測的模數轉換，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(shí)，運算放大器正向飽和，輸出電壓V。接近電源電壓，稱(chēng)為高電平1；當電壓V2V1時(shí)，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(chēng)為低電平0。
在靶面安排上，參考光檢測元件放在靶標周?chē)贿h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(méi)有激光照射時(shí)，參考光檢測元件和光電靶測光元件同時(shí)受到環(huán)境光線(xiàn)的照射，調整電位器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(shí)候，V2就會(huì )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(shí)現光電信號的采集和A／D轉換，省去了速度慢且價(jià)格高的模數轉換器，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(xiàn)的變化的影響。
在實(shí)際電路中，一個(gè)參考光檢測元件為多個(gè)光電靶測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)光電靶測光元件的光電特性一致，或者接近一致，才不至于出現誤差。經(jīng)過(guò)篩選的測光元件完全可以滿(mǎn)足這種要求。
實(shí)際實(shí)驗證明，在陽(yáng)光強烈的室外，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系列單片機擴展的多個(gè)并行接口來(lái)讀取光電靶的信息，然后進(jìn)行數據處理，就可以判定激光束所照射的中心點(diǎn)，從而給出射擊成績(jì)。擴展電路使用了數據收發(fā)器74HC244和譯碼器74HCl388。
2．3 無(wú)線(xiàn)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(jì)發(fā)送給光電靶控制器，所以無(wú)線(xiàn)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(xiàn)通信模塊并加以改造，基本滿(mǎn)足功能需要，并且成本低廉。無(wú)線(xiàn)通信模塊與單片機的連接利用一個(gè)擴展的并行口和幾根控制線(xiàn)。
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