基于單片機的無線光電靶

摘 要:高炮瞄準訓練時使用的靶子，需要不斷移動，并隨時報告瞄準效果。將激光器固定在炮身上，利用激光的指向性實現瞄準。將光敏元件直接布置在靶面上，將數據采集所用的單片機及其外圍電路也布置在靶子上，同時利用無線模塊將采集的信息傳回到地面的控制器。由地面的控制器對靶子進行控制，并對傳回的數據進行顯示和語音報告。硬件設計上采用參考光和瞄準激光進行比較做模數轉換，電路簡單、轉換迅速。對于較大的光斑利用軟件計算出其中心點，降低對激光器的要求，也就降低了成本。整個光電靶系統實現了便于移動、成本低和性價比高的特點，在解放軍高炮某部使用效果良好。

關鍵詞:瞄準訓練; 移動靶; 無線通信; 單片機; 參考光束; A/D轉換

中圖分類號:TP29 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)09-0021-04

Microcomputer-based Wireless Photoelectricity Target

LI Ming， YU Jun

(Vocational and Technical College， Dalian Fisheries College， Wafangdian 116300， China)

Abstract:

The target used in anti-aircraft artillery sighting and training needs to be moved unceasingly， and the aiming effect should be momentarily reported. The aiming is realized by fixing a laser on the barrel of the artillery and by the laser property of directivity. The photoconductive cell， the single chip computer and the peripheral circuit used for data acquisition are arranged on the target surface.The acquisited information is transmitted to the ground controller by the wireless module. The ground controller controls the target， displays the data and provides the pronunciation report. The A/D conversion is performed by the comparison of the reference light and the aiming laser in the hardware design. The circuit is simple and the transformation is rapid. In regard to the big light spot， its central point is calculated by the software. In this way， laser′s request is reduced， and the cost is reduced. The entire optoelectronic target system is convenient to be moved， has low cost and high cost-performance ratio. The effect of application in a certain anti-aircraft artillery unit of PLA is good.

Keywords: sighting training; moving target; wireless communication; microcontroller; reference beam; A/D conversion

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，查閱了許多現有的光電靶產品，有的是實彈射擊的測量裝置[1]，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[2]，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，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、無線通信模塊和夜間指示燈4部分組成。

圖1 無線光電靶系統圖

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[3-4]，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[5]。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)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[1]，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轉換[6]，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Vo接近電源電壓，稱為高電平1;當電壓V2

圖2 光敏電路原理圖

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境光線的照射，調整電位器RV1，使得V1略大于V2，運算放大器LM3243的輸出電壓Vo為0;當有激光照射到光電靶測光元件的時候，V2就會大于V1，使Vo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。利用這種方法實現光電信號的采集和A/D轉換，省去了速度慢且價格高的模數轉換器，電路得到簡化，速度得到提高，同時也排除了環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，才不至于出現誤差。經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環有16個光敏元件均布，6環有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，然后進行數據處理，就可以判定激光束所照射的中心點，從而給出射擊成績。擴展電路使用了數據收發器74HC244和譯碼器74HC138[8]。

2.3 無線通信模塊。

光電靶需要接收光電靶控制器發送來的操作命令，還需要把采集的射擊成績發送給光電靶控制器，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[9]。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發光，1個用來連接無線通信模塊。

3.2 發光二極管顯示陣列。

由AT89S52單片機擴展的并行口來驅動發光二極管(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，便于指示射擊結果，如圖3所示。

圖3 LED排列示意圖

圖3中，一個最小的圓圈代表一個LED。可以看出，10環只用1個LED，亮的時候表示擊中10環;9環只用4個LED，可以指示上下左右4種偏差，上邊的LED亮表示9環偏上等;8，7，6環都是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器[10]，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(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容[10-11]。

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，數據處理，向控制器發送檢測結果，無線命令接收和執行等子程序組成，由主程序根據條件調用子程序。主程序框圖如圖4所示。

圖4 光電靶主程序框圖

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。主程序根據命令內容，調用相應的子程序，完成命令要求的任務。中斷服務程序框圖略。

4.2 數據處理程序

數據處理程序的功能是根據讀取的光敏檢測數據，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，可能被照射光敏元件只有10環的，也可能還有9環的4個，還有可能8環的8個也被照射等。要確定10環，除了10環的光敏元件被照射，還有9環、8環、7環可能被照射，并且全環都被照射，否則不能確定10環。

10環以外的其他環數的確定，需要根據光斑照射到的環數和區數來確定。環號，就是10，9，8，7，6環;環數就是光斑照射到的環有幾個，比如光斑照射到9，8，7環，環數就是3。區號和區數:正上方為1區，右上方為2區，按照順時針方向分為8個區，編號為1~8號區;光斑照射到3，4，5，6區，則區數為4。

中心環號計算:首先要根據所有照射到的環號計算出環數，然后計算出中心環號。最大環號減去環數除以2取整，這就是光斑中心的環號。取整的目的是小數的環數不好顯示。如果用數碼顯示則可以保留小數。

中心區號計算:根據所照射的所有區號計算出區數，再計算出中間區號，就是光斑的中心區號。這里有一個問題:當被照射的區號是7，8，1，2，3的時候，要把最大區號確定為11，最小區號確定為7，再計算出區數和中心區號。如果計算的中心區號大于8則減去8才是真正結果。以區號是7，8，1，2，3為例:區數=11-7+1=5，5/2=2.5，2.5取整=2，最大區號減去區數的一半取整，即11-2=9，由于9大于8，要減去8，即9-8=1，這就是中心區號，即偏上方。

中心環號和區號確定，數據處理完畢。

圖5是8個區的區號計算子程序框圖，其他子程序略。

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

圖5 區號計算子程序框圖

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行，無線數據信號的接收和顯示，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。在主循環中，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，立即啟動無線發送模塊進行發送。這幾個鍵盤命令都是針對光電靶的命令，內燈命令和外燈命令是對光電靶的夜間指示燈的控制命令，擊發命令和重發命令解釋如下:

擊發命令 在操炮手瞄準靶標踩下開炮開關時，接通激光器電源發出激光，并同時產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。光電靶接收到擊發命令，開始對光敏元件進行掃描，得到原始數據。在對掃描的數據處理之后得到激光光斑中心位置的信息，就是環號和區號。光電靶將此環號和區號通過無線模塊發送回光電靶控制器。光電靶控制器據此控制LED的顯示和語音播放。

圖6 光電靶控制器主程序框圖

重發命令 這個命令是要光電靶將上次擊發產生的信息重新發送一次，以便核對。

數據的接收 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據，并保存在一個指定的地址里，以便主程序處理。數據的內容是激光光斑中心的環號和區號。中斷服務程序的框圖如圖7所示。

圖7 中斷服務程序框圖

6 結 語

利用參考光和比較器進行模數轉換，電路簡單可靠，速度快。光敏元件圓環狀排列，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。現在正在改進，準備添加射擊成績統計功能，在光電靶控制器上加一個數碼顯示器，實時顯示射擊次數、總環數等，同時還可以與上位機聯網，便于數據的儲存和管理。

參考文獻

[1]謝海燕，謝勇，顧敏芬，等.無線激光打靶器系統建模與設計[J].南京師范大學學報:工程技術版，2005(1):68-71.

[2]馬學林，嚴仲明，董亮，等.基于FPGA的高速目標單光幕測速系統的設計[J].現代電子技術，2009，32(12):1-3.

[3]李明，畢萬新.單片機原理與接口技術[M].大連:大連理工大學出版社，2009.

[4]張靖武，周靈彬.單片機系統的Proteus設計與仿真[M].北京:電子工業出版社，2008.

[5]孫傳友，孫曉斌，張一.感測技術與系統設計[M].北京:科學出版社，2004.

[6]華成英.模擬電子技術基礎[M].北京:清華大學出版社，2006.

[7]周連貴.電子技術基礎[M].北京:機械工業出版社，2007.

[8]唐競新.數字電子電路[M].北京:清華大學出版社，2005.

[9]Princeton Technology Corp.. Remote control encoder PT2262[EB/OL].[2009-01-25]. http://www.princeton.com.tw/， 2009.

[10]謝剛.智能型語音單片機[EB/OL].[2009-10-01].http://www.xie-gang.com/YYDPJ.htm，2009.

[11]張裕，劉毅敏，方康玲.語音播報記事器的設計[J].現代電子技術，2009，32(11):174-176.