激光打靶系统的设计.docx

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激光打靶系统的设计

1引言.1

2概述.2

2.1激光打靶系统概述2

2.2本设计方案思路3

2.3研发方向和技术关键3

2.4主要技术指标3

3总体设计.4

3.1激光的检测4

3.2靶位的划分4

3.3编码标准5

3.4成绩的传送和处理5

3.5其他说明5

4硬件设计.6

4.1信号放大电路6

4.2整形电路8

4.3编码电路9

4.4串行传送11

4.5电平转换13

5软件设计.14

5.1总体方案14

5.2程序流图14

5.3模块说明15

6制作与调试.18

6.1硬件电路的布线与焊接18

6.2调试18

7结论.20

致谢.21

参考文献.22

附录.23

1引言

目前的射击打靶训练，基本以实弹训练为主，国防开支大，危险系数高。

传统的报靶方法是人工报靶，由报靶员根据经验确定靶数，带有很大的个人主观因素，可靠性、公正性差，效率低。

因此有必要研制一种切合部队实际的，在非实弹射击条件下进行射击精度训练的打靶训练器，这样既能保证部队训练质量又能减少弹药消耗、节约国防费用，具有重大的国防意义。

以光代弹，可以模拟多种武器的射击情况，并可检验射击效果。

这种新型的部队训练模拟器材是部队训练器材的一次革命，是和平时期部队训练的有效手段之一。

一些发达国家，如美国、英国、德国等都在积极进行激光射击模拟训练器材的研制，并已开发出多种系列产品，其中最突出的是美国的“米勒斯”系列，它可模拟36种武器，性能好、准确而且逼真，大大推动了部队的训练工作。

八十年代以来，我国也有单位在进行激光模拟训练器的研究和探索，将激光射击模拟器用于部队训练，取得了很好的训练效果，提高了部队的战斗力。

但在可靠性和数据处理等方面尚有许多技术问题有待改进，主要是以下几点：

激光光斑太大，与实际步枪子弹口径7.62mm相差太多；探测器数量少会导致设计精度不高；探测器数量多会使得价格昂贵，无法推广；只能粗略指示命中与否，不能准确显示命中靶环环数和方位。

因此，我们拟从这些方向作进一步的研究探索。

本设计采用半导体激光器和半导体面阵列探测器来模拟子弹射击和射击靶标，具有模拟逼真，精度高等特点。

主要从信号处理部分来设计实现激光打靶系统，每次射击能精确的显示5－10环的结果及脱靶情况，每个环数又可分为八个偏移方向。

该系统简单实用，既能保证训练的质量又能减少弹药的消耗，是理想的公安、军队等部门训练使用的模拟打靶系统。

2概述

2.1激光打靶系统概述

激光打靶系统[1-3]的工作原理是采用激光脉冲来模拟枪弹的射击，该系统一般包括激光发射部分、激光信号检测模块、打靶成绩处理和显示部分。

如图2-1所示，当射手瞄准完毕扣动扳机时，半导体激光器会发出激光脉冲，射向目标上的光电探测器，如果击中目标，则激光脉冲被光电探测器接收并转换为电信号，经电路处理能识别射击的弹着点，信号经处理编码后传输到计算机。

图2-1激光打靶系统原理图

半导体激光器[4,5]一般平行地安装在武器装备的枪管、炮管或导弹发射架上，它可以发射一束与武器射击方向一致的激光脉冲。

目前的激光器一般都采用半导体激光器，因为这种激光器的输出功率低，不会伤害眼睛，而且效率高、功耗小，不但可以摆脱大而重的电源设备，激光器本身也可以制作得很小、很轻。

光电探测器[6]具有射击靶的形状，可以是点探测器和面探测器，通常数量较多，构成多个信号检测通路。

根据光电探测器的响应位置来判断激光射击击中的靶位。

激光打靶采用以光代弹的形式进行射击训练，是激光武器模拟器中最常见的一种。

最初的激光打靶系统只能进行瞄准射击训练，随着计算机和微处理器技术的发展，其用途扩大到可进行多种武器的模拟训练。

随着研究和探索的深入，激光打靶系统的功能将进一步完善，能够更接近于武器装备在实际使用中的表现，增强真实感。

同时，通过与电子技术相结合，进一步提高激光模拟的自动化、智能化水平。

激光武器模拟器有以下几个方面的发展趋势：

（1）可以模拟的武器越来越多，激光武器模拟器正朝着系列化、组件化的方向发展，一个基本的激光射击模拟器只要稍加改动就可适用于其他武器系统。

系列化、组件化的好处是便于使用、更换和维修，同时价格也便宜。

（2）从激光射击模拟器向激光交战模拟器发展，先进的激光交战模拟器能使坦克、战斗车辆、反坦克武器等有机的结合在一起进行训练，每部兵器既是攻击者，又是被攻击者，完全模仿实战中的作战环境，不仅能提高战士使用武器的技能，还可以教会他们如何在战争中保护自己。

（3）采用各种新技术增加模拟的逼真性，例如用计算机来记录、控制整个训练演习的进程，评定战士在演习中的表现等。

2.2本设计方案思路

本设计以实现信号的良好检测和数据转换、传输为主要目的；以信号检测，信号编码和数据传输为主要设计内容。

在信号检测方面设计单脉冲小信号的放大电路和信号整形电路；在信号编码方面，要解决多路信号的编码问题，还要考虑到编码的优先选择问题；在脱靶问题的处理方法上，对打靶和信号采集传送进行同步化处理（详见第二章的硬件设计部分），把脱靶的情况与中靶的情况归为一类处理；数据传输采用UART串口通

信。

2.3研发方向和技术关键

（1）合理划分激光靶的光电探测器，提高系统的精度；

（2）单脉冲小信号的放大和整形；

（3）多路优先编码器的扩展；

（4）与微机进行数据传输，方便成绩的统计、保存、显示和查询。

2.4主要技术指标

（1）激光脉宽：

大于1ms

（2）激光脉冲响应幅度：

约10mv

（3）打靶距离：

30米

（4）串行输出帧格式：

射击次数＋所击中的光电探测器的编号

3总体设计

激光打靶系统是一种集光、电于一体的系统，其工作原理是激光枪发出的激

光束，打到光电传感器上，经光电传感器将光信号转换为电信号，电信号经过信号处理后由单片机发送到计算机的串行口，然后在计算机上完成成绩显示、查询和保存等功能。

激光打靶系统结构的组成框图如图3-1所示。

该系统包括半导体激光枪、模块式探测器、数字信号处理和发送电路、计算机数据处理程序等四部分。

图3-1系统总体结构框图

3.1激光的检测[7,8]每次打靶，激光枪发出一个激光脉冲。

如果激光脉冲击中光电靶，利用光生伏特效应，光电靶上的探测器把光信号转换成电信号，因此激光的检测就是对探测器响应电信号的检测。

光电探测器的响应是一个单脉冲小信号，整个检测过程包括：

信号放大、波形整形，检测输出是标准的脉冲数字信号。

3.2靶位的划分

把一个激光靶划分为38块探测器，中心10环为一块探测器；9.8.7.6环分别有8块探测器；5环有5块探测器。

根据不同靶位上的探测器来判断所击中的位置，包括环数：

10.9.8.7.6.5；偏离方向：

上.下.左.右.左上.左下.右上.右下。

若信号击中两块或四块探测器的交界，则只取其中一块为有效，记为有效的探测器满足以下条件：

（1）环数高；

（2）偏离方向为斜向（例如：

上和右上两方向，选择右上）。

根据上述要求，以及硬件电路设计的需要，对不同的探测器进行编码，见图

3-2（右）。

图3-2靶位划分与编号

3.3编码标准

对38路信号按以上原则编码，编码结果如表3-1。

若脱靶无信号则记为0号编码后，每一个号码对应了每一个探测器的位置信息，包括环数和偏移方向。

对信号击中两块或四块探测器的交界的情况,只需取码号大的探测器为有效。

这样，打靶的结果在硬件电路上的实现便可由40－6线优先编码器完成。

表3-1靶位编码

上

右上

右

右下

下

左下

左

左上

10环

38

9环

33

37

32

36

31

35

30

34

8环

25

29

24

28

23

27

22

26

7环

17

21

16

20

15

19

14

18

6环

9

13

8

12

7

11

6

10

5环

3

－

2

5

－

4

1

－

3.4成绩的传送和处理

信号经编码后发送到计算机，由计算机进行译码，在计算机上模拟显示出射击位置，对一组结果进行统计（包括环数和方向偏移），并进行储存。

3.5其他说明系统分为硬件部分和软件部分。

本论文主要设计制作硬件部分以及与微机的通讯的2051单片机程序。

微机软件部分，包括数据的处理和显示等有另外一名毕业设计同学实现。

4硬件设计

4.1信号放大电路在光电探测系统中，探测器输出的电信号非常微弱，一般为毫伏级。

为记录每一次打靶的结果，信号放大与处理电路是打靶系统中不可或缺的。

在探测器上直接进行信号处理十分困难，一种常用的解决办法是在探测器后接前置放大器，用来放大探测器的输出信号，然后成功地传输到信号处理系统的有关电路部分。

前置放大器的设计要求是低噪声，高增益，低输出阻抗，大的动态范围，和较好的抗噪声能力。

在激光打靶系统中，对光电池产生的脉冲信号的具体大小值要求不高，只需检测出有效的脉冲信号，因此可选用集成运放来组成运算放大电路。

通过测试，得到光电探测器对的激光脉冲的响应幅度典型值约为5mv，若激光击中在两块或多块探测器边界处，则任何一块光电探测器的响应幅度会减少，因此所检测的脉冲幅度范围大约是3～5mv。

为使每块光电探测器均能检测出信号，使之达到TTL电平要求，实现信号检测，必须对信号放大约1000倍。

单级运放难以达到这么高的放大倍数，因此采用二级运放进行放大，第一级为前置放大器。

为减少前级放大器的偏移对后级放大器的影响，设计其放大倍数A1100；从而次级放大器的放大倍数A210。

4.1.1集成运算放大器（LM324）

集成运算放大器是实现高增益放大功能的一种集成器件[9]，早期主要用来实现对模拟量进行数学运算的功能，目前随着器件性能的改进，它已成为通用的增益器件，应用范围非常广泛。

从电特性来看，集成运放接近理想的电压放大器件，它不仅有很大的输入电阻和很小的输出电阻，而且还有很高的电压增益，此外，静态工作时，它的输入和输出电位均为零，这样，在与其它集成运放连接时，就不需要考虑它们之间的电平配置问题。

LM324是四通道的低功耗运算放大器，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立，其性能参数有以下几个方面：

（1）单电源工作方式，工作电平3V～30V

（2）低消耗电流：

约0.8mA

（3）低输入偏移：

输入电压偏移：

3mv（Typ）；输入电流偏移：

2nA（Typ）

（4）开环增益：

100V/mv＝100dB（Typ）

（5）宽响应频带

图4-1LM324内部结构

4.1.2放大电路图

图4-2运算放大器电路图

放大器电路如图4-2所示。

它由两级结构相同的同相放大器组成，集成放大器选用LM324（图4-1）。

信号经隔直流电容C1从第一级放大器的正端“＋”输入，经过放大后输出，再经过级间耦合电容C2输入第二级放大器的正端。

前级的放大倍数A1R2R1100，后级的放大倍数A2R6R510，R3和R7为输入匹配电阻。

4.1.3电路原理

（1）同相放大器[10]（图4-3）集成运放是一种十分理想的增益器件，性能好，使用方便。

该电路采用2级放大器级联，每级的放大器均采用同相放大。

由集成运放构成的同相放大器，其特点是输入信号加在同相输入端，而反馈信号加在反相端。

根据理想化条件，由于vvs，因而vvs。

根据i0（虚断），v又是v0在R1上的分压值，即:

（2）外围电路光电传感器对外部光线也有响应，因此必须滤除这种干扰。

由于背景光线是持续信号，其响应主要是直流量，在第一级放大器输入端的前面设计接入一个1uf电容C1起到隔离直流作用，能起到很好的效果。

第二级的1uf电容C2用于两级放大器的耦合。

第一级放大器输入端和地之间接得:

R3

R7

这样，运放的正、负输入端对地的等效电阻相等，从而降低运放的电压偏移

4.1.4电路参数

（1）

输入脉冲幅度：

Ui

3~5mv

（2）

输入电阻：

Ri

10k

（3）

输出电阻：

Ro

1k

（4）

放大倍数：

A

A1A210

1001000

（5）

放大器级数：

两级，前级A1

100；后级A210

（6）

耦合方法：

电容耦合

4.2整形电路[11]

光电池的输出脉冲并不是规则的矩形脉冲信号，而是类似升余弦信号。

再经放大后也会产生失真，因此必须对信号进行整形。

采用常用的CD4093施密特触发器便可实现整形功能，改善脉冲波形，确保后续编码器的正常编码。

施密特触发器不仅可以进行波形整形，它的迟滞特性还可以有效地克服噪声

和干扰的影响，只要噪声和干扰的大小处在迟滞宽度内，就不会有错误的输出施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变化的信号仍然适用，当输入信号达到阈

值电压时，电路状态发生转换，通过电路内部的正反馈过程使得输出电压的波形

4-5。

4.3编码电路[11]

对于38路信号通道，必须对其进行编码以便于信号识别和传输。

38路信号按照设计方案编码为1－38号，脱靶无信号记为0号。

对多个探测器同时接收到信号的情况，对应于探测器的码号就是取码号大的探测器为有效，采用优先编码器便可实现编码的优先选择。

商用的单个优先编码器的编码输入最多只有8路，要构成更多路的优先编码器，可以采用6片8－3优先编码器进行扩展为40－6优先编码器。

4.3.1编码电路图

图4-640-6优先编码器电路图

4.3.2电路原理

（1）优先编码器（74HC148）

3-7。

待编码的8条输入线I7~I0采用8中

8－3线优先编码器的功能表如图

取1码，逻辑0有效，编码后的输出A2A1A0用反码表示。

可以看出，编码器是以输入为0的最高优先编码的，而低位若同时输入0，则是无意义的。

此外，电路还设有选通输入，即使能端EI，它也是逻辑0有效；输出还设有允许输出端Eo及允许扩展端Gs，利用它们可判断出A2A1A0是否有效，以及是否允许扩展编码。

根据真值表，写出编码器的逻辑表达式如下：

A2EII7EII7I6EII7I6I5

EII7I6I5I

EI（I7I7I6I7I6I5I7I6I5I4）

EI（I7I6I5I4）

（4-3）

故：

A2EI（I7I6I5I4）

（4-

4）

同理：

A1EI（I7I6I5I4I3I5I4I2）

（4-5）

A0EI（I7I6II6I4I3I6I4I2I1）

（4-

6）

允许扩展端是：

GsEIEII7I6I5I4I3I2I1I0EIEo（4-8）

图4-78-3线优先编码器真值表（74HC148）

（2）8-3线优先编码器扩展为40-6线优先编码器（图4-6）

5片74HC148并排用作输入，其输入从低位片到高位片排列为I0～I39。

每一个高位片的输出允许端Eo接其相对低位片的使能端EI。

这样，当总使能EI＝0时，允许电路进行编码工作，若高位片的诸输入中有一个为0时，该片的Eo＝1，Gs＝0，这样就禁止了低位片的编码，以此类推，5片74HC148的输入端编码便具有了优先性。

5片74HC148的允许扩展端Gs按低位片至高位片的顺序分别接到第六片74HC148的I0、I1、I2、I3、I4输入端，而I5、I6、I7端则接高电平（表示无输入）。

这样第六片74HC148的三位输出便表示整个40-6线优先编码器的高三位A5、A4、A3。

而40-6线优先编码器的低三位输出A2、A1、A0与前5片74HC148的输出端一致。

由于74HC148的输出端不是三态门，不能直接连接在一起。

而把5片74HC148的同名输出端接到74LS30（8输入的与非门）取与非便可以解决这个问题。

同时输出取反，输出为逻辑1有效。

为使高三位输出与低三位输出一致，用CD4049反相器对高三位取反。

40-6线优先编码器的六个输出均为逻辑1有效，可以接到后续的2051单片机进行串行传输。

4.4串行传送

为实现将编码器输出的6位并行信号串行传送，同时实现数据发送和打靶射击的同步性。

采用89C2051单片机便可实现要求。

4.4.1单片机及外围电路图

图4-82051单片机及其外围电路图

4.4.2电路原理

（1）编码器的输出通过2051P1口的低6位（高2位接地为逻辑0）输入。

（2）选用11.0592MHz的晶振构成单片机的时钟，这样在串口工作方式1下可得到准确的9600bps的串行波特率，方便计算机的接收。

（3）单片机接有复位开关按钮。

（4）实现打靶和信号采集传送的同步化。

由于采用单片机的外部中断0（INT0）作为数据串行传送的使能端，且INT0设为下降的跳变沿有效。

使能开关（激光枪的开关）一端接地，另一端接INT0，

又经上拉电阻接到电源，这样当开关按下时，便有下降沿的跳变信号输入INT0，

产生中断。

同时，开关又要同步控制激光枪的发射。

因此开关又接激光头的负端，从而控制激光头负端的接地，只有当开关按下时，激光头两端才有工作电压。

这样，同一个开关既控制单片机的中断，又同时控制激光枪的发射，从而达到打靶和信号采集传送这两个“动作”的同步化。

4.4.3AT89C2051单片机[12]

AT89C2051单片机是AT89C51的简化型号，其指令系统和内部RAM均与AT89C51相同。

不同的是它的内部ROM为2k，而89C51为4k，而且2051比89C51少了P0和P2输入/输出口以及外部ROM、RAM的扩展端，因此在引脚上2051只有20个脚。

AT89C2051单片机主要适用于较为简单的微控制系统。

在本系统中，用到AT89C2051的6个外部I/O口，一个外部中断和串行输出口。

图4-92051信号引脚图

4.5电平转换

在不同的数字系统中，其电平标准是不同的。

该系统中就包括了TTL电平标准和RS-232电平标准，要实现两个标准的正常通信，必须进行电平转换。

该系统采用使用简单的MAX232CP芯E片。

一片MAX232CPE芯片可完成2路TTL/CMOS～RS-232的电平转换和2路RS-232～TTL/CMOS的电平转换。

实际电路中只有一路单片机的TXD串口输出，不进行RXD串口输入。

因此，选用引脚11接2051TXD串口输出；而对应的14脚则接到计算机的串口输入端。

图4-10MAX232CPE芯片内部结构

5软件设计

5.1总体方案该系统的信号检测与数据传送部分，涉及的软件部分较少。

主要是2051单片机数据串行通信及通信协议的程序设计。

对于2051的程序设计[12]，由于所需实现的功能较简单，采用汇编的形式。

编译器采用Keil7.02b。

该编译器是51系列单片机程序设计的常用工具，既可用汇编，也支持C语言编译。

同时具有完善的调试功能。

5.2程序流图

图5-1串行发送流程图

5.3模块说明

（1）主程序：

MAIN:

MOVSP,#0X60；堆栈初始化

CALLINIT；各寄存器参数设置

MOV40H,#0x01；打靶次数置1

AJMP$

；等待中断

2）初始化程序：

INIT:

MOVTMOD,#0X2；1波特率发生器

MOVTL1,#0XFD；波特率9600bps

MOVTH1,#0XFD

CLRET1

SETBPT1

；禁止timer1

；时钟1优先级:

高

MOVSCON,#0x4；0串口工作模式1,SM2=0,REN=0

MOVPCON,#0

SETBEA

CLRPS

CLRES

SETBEX0

CLRPX0

SETBTR1

RET

3）中断服务程序：

；波特率9600bps

；中断允许

；关闭串口中断

；串口优先级:

低

；开外部中断INT0SETBIT0；下降沿有效；INT0优先级:

低

；时钟1开始计数

_INT0:

NOP

；ISR中断服务程序

CALLDELAY_2MS；同步延时

MOVP1,#0xff

MOVA,P1

；读P1口前先置1

；读P1口

CALLINT0_SEND

RET

4）数据帧传送子程序：

表5-1数据帧格式

标志位SYNC

打靶次数

打靶成绩

校验位CHECKSUM

＃0x30

TIMES

RESULT

TIMES＋RESULT

例：

30021517（十六进制）表示第二次打靶，击中第21号（对应环数：

7环偏移方向：

右上）。

INT0_SEND:

；数据帧传送子程序

PUSHACC；保护ACC

CLRA

ADDA,#0X30

CALLUART_SEND；发送标志位

MOVA,40H

CALLUART_SEND；发送打靶次数

POPACC

CALLUART_SEND；发送打靶成绩

ADDA,#0X30

ADDA,0040H

CALLUART_SEND；发送校验位

INC0040H；打靶次数累加1

CALLDELAY_200M；S延时200ms

CLREX0；关外部中断

CLRIE0；清IN