《電子技術應用》
您所在的位置:首頁 > 嵌入式技術 > 設計應用 > 基于AT89S52單片機的無線光電靶控制器的設計
基于AT89S52單片機的無線光電靶控制器的設計
摘要: 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。
Abstract:
Key words :

0 引言

      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(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V2


    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轉換,省去了速度慢且價格高的模數(shù)轉換器,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,便于指示射擊結果,如圖3所示。



    圖3中,一個最小的圓圈代表一個LED??梢钥闯觯?0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)據處理,向控制器發(fā)送檢測結果,無線命令接收和執(zhí)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。


    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(shù)據處理程序
    數(shù)據處理程序的功能是根據讀取的光敏檢測數(shù)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(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,直到沒有照射,最大區(qū)號確定。這里判斷到6區(qū),已經留有余地,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。在對掃描的數(shù)據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)產生的信息重新發(fā)送一次,以便核對。
    數(shù)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(shù)據,并保存在一個指定的地址里,以便主程序處理。數(shù)據的內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 結語
    利用參考光和比較器進行模數(shù)轉換,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。現(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,便于數(shù)據的儲存和管理。

此內容為AET網站原創(chuàng),未經授權禁止轉載。