基于单片机控制的自动报靶系统设计大学论文.docx

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基于单片机控制的自动报靶系统设计大学论文

1引言

射击是军队常见的训练科目，而报靶是射击的重要环节。

人工报靶效率低，据统计，射击训练过程中，射击所需时间只是人工报靶、补靶时间的十分之一。

而且，当靶纸上弹着点多时，报靶员很难识别新旧弹孔，报靶误差极大，直接影响射击训练质量。

此外射击未完全结束时，补靶员现身靶壕外或在补靶员察看靶板报靶和补靶时，射击位管理者若稍有疏忽，就易出现枪支走火，造成人员伤亡，安全隐患极大。

基于这些问题，设计制作一个安全有效的自动报靶系统具有重要的现实意义。

如何提高报靶速度以提高训练效率，如何在实弹射击训练中使每个战士都能清楚地知道自己射弹的偏差，针对性地调整动作，积累经验，快速提高射击水平，作为训练者，如何根据准确可靠的射击记录对训练中存在的问题进行分析、总结，找出规律和克服的方法。

在电子信息技术高速发展的今天，自动报靶系统为此提供了可能[1]。

由此，本人拟设计一个基于AT89S52单片机的自动报靶系统，由此来提高部队报靶的效率和准确度。

1.1自动报靶国内研究状况

自动报靶是随着现代科学技术的巨大进步发展起来的新型报靶技术。

目前，我军的射击训练器材性能情况还很落后，大多数是人工报靶，少数是自动报靶系统。

其原因有三:

一是自动报靶系统科技含量高，成本相对较高;二是目前国内的自动报靶系统技术不够成熟，系统环境适应性差、性能单一，不能满足部队训练需求;三是少数模拟训练系统，只能进行模拟训练，不能实行实弹射击，训练质量难以保证。

为此，射击训练器材应重点放在真正实用的自动报靶系统的研发上。

为适应科技强军的需要，国内有许多单位对此进行研究，相继开发出多类射击自动报靶系统。

这类产品按其功能的实现可以分为：

声电定位自动报靶系统、半导体电子靶系统、基于图像处理技术的报靶系统[2]。

1.1.1基于图像处理技术的自动报靶系统

随着图像处理技术的发展和计算机运算速度的不断提高，数字图像处理技术，特别是图像识别技术己经在诸多领域得到了广泛应用[3]。

例如，车牌识别、汽车自动驾驶系统、人脸识别、指纹识别与匹配系统等都是图像识别技术在实际中的典型应用。

“基于图像处理技术的自动报靶系统”就是这样一个包括了图像采集、图像识别和数据库处理的典型系统。

自动报靶系统都是采用图像处理的有关技术实现的，此类产品是以计算机图像识别和处理为基础。

在实弹射击过程中，它使用摄像头对常规的标准靶图像进行采集，根据采集来的靶图像的特点和变化，利用计算机图像识别处理技术找出靶图像中的真实弹点，然后通过判定弹点在靶中的位置来确认弹点的环数位[4]。

使用这种自动报靶系统就好像是使用了一个“电子眼”，它会代替报靶人员的眼睛，在实弹射击过程中不间断的对靶面进行观测。

对不同靶位上的每一次射击都采用相同的算法、规则和精度来判定。

比手工报靶更客观，更公正，有较高的可用性[5]。

1.1.2基于CCD线阵实现的自动报靶系统

图1.2.2CCD交汇原理测量图

CCD线阵靶利用交汇坐标测量原理实现报靶系统的坐标定位，其基本原理是：

为测量空间一点的二维坐标，在竖直平面内放置两个线阵CCD图像传感器，两CCD的光轴交于空间一点，构成一个竖直的光电测量靶面[6]。

对于该竖直面的可成像范围（即两个CCD视场在靶面内的交迭区）内任意一点，在两个CCD上各有一个像点与之相对应。

这样，靶面内任意一点的坐标，就可以通过它在这两个CCD上的成像位置计算出来。

如图2所示，以两个CCD光轴的交点为原点建立一个平面直角坐标系，轴平行于基线。

CCD1的中心位于点S1，CCD2的中心位于点S2，d0为基线长度。

OS1与x轴夹角为，OS2与y轴夹角为（它们被称为是交汇仰角，传统的两CCD交汇原理中二者大小相同）。

靶面上任意一点M相对于两个CCD相机的主光线分别为MA、MB。

点M在两个CCD上成像的像高分别为h1、h2，且h1在光轴OS1之上为正，在OS1之下为负（h2同理，因而图中所示的h1为正，h2为负）。

MA与x轴夹角为，MB与y轴夹角为。

MA与光轴OS1夹角为1，MB与光轴OS2夹角为2，CCD镜头的焦距为f。

由其原理可知，只要确定焦距f，测出基线长d0、交汇仰角和，并由两个CCD输出的视频信号确定像高h1和h2，便可得出靶面内任意一点M的坐标。

1.2各类自动报靶系统利弊分析

目前应用较多的还有红外光电定位测试、基于图像处理模板匹配法、基于声电坐标定位法、基于光纤编码定位法、广义Hough变换法（基于图像处理）、面阵CCD精度靶等报靶系统都是较有效的测试方法。

近年来发展起来一种新型智能自动报靶系统，与传统的实弹射击准备工序繁琐且隐藏着极大的安全隐患比较，利用这种报靶系统开展的训练将会更安全高效。

这一智能自动报靶系统由主机、从机、靶面传感器三部分构成。

具有可对射击过程全程监控，并作数据处理、自动统计以及查询成绩等功能，还可对射手存在的问题作出分析，极大地提高了训练效率。

目前，新型智能化的自动报靶系统朝着智能化、自动化、数字化方向发展，将会在不远的将来取代传统自动报靶系统[7]。

但以上这些方法也存在着各自的不足，有的技术过于复杂、有的不能用于野外实弹射击报靶、有的成本过高、有的着弹实报率较低、不适用于连发射击训练等缺点。

1.3本设计选取方案——激光坐标定位法

激光坐标定位法在一些资料中也称为光电坐标定位法。

光电靶是由X、Y两个方向上的激光网络构成，如图2.1所示。

图2.1光电靶

光电靶，将普通靶纸置于激光网络之前并与之同轴，当子弹打破靶纸，并穿越激光网络时，会阻断相应位置处X和Y两个方向上的各一路激光，从而使接收装置（光敏管）开关状态发生变化。

通过对光敏管开关状态进行编码，便可将子弹穿过时对应的光敏管状态进行记录，利用单片机对该信号进行处理，便可得到弹着点的坐标和环数[8]。

激光坐标定位法的主要优点是在实际应用过程中不依赖于靶纸更不依赖于环境，可以做到快速、安全、高效、准确地自动报靶。

2基于激光坐标定位法的自动报靶系统设计

本人的毕业设计题目是，基于单片机控制的自动报靶系统设计。

该系统由：

PC主机系统、无线收发显示系统、靶机系统，其中靶机系统和无线收发显示模块由AT89S52单片机控制。

限于个人水平和现有条件限制，本人制作的光电靶只能模拟激光坐标定位法，还不能达到实际应用的要求。

经实物的测试表明，弹孔坐标检测准确无误，靶机系统和PC主机通信良好。

由此说明本系统的设计方案是完全可行的。

图2.2系统结构框图

如图2.2所示，靶机系统由光电靶、单片机最小系统、通信模块组成。

光电靶负责检测弹孔坐标信息，并把弹孔坐标信息交由单片机最小系统进行处理。

最后单片机最小系统把处理好弹孔坐标信息，经过通信模块传给无线收发显示系统。

如图2.2所示，无线收发显示系统由通信模块、单片机最小系统、液晶显示模块、语音模块和RS232通信模块组成。

通信模块负责接收靶机系统采集到的弹孔坐标信息，并把弹孔坐标信息传送给单片机最小系统。

单片机最小系统通过液晶显示模块，把靶机系统采集到的弹孔坐标信息显示出来，并通过语音模块进行语音提示。

最后，单片机再通过RS232通信模块，把弹孔坐标信息传送给PC主机系统。

PC主机系统，由VB语言编写，主要负责信息的存储和处理。

2.1光电靶的设计

2.1.1激光网格的设计

激光网格大小的设计决定了该系统报靶的准确性和信号处理的难度，如图2.1所示。

当网格边长b远大于子弹直径a（情况1）时，子弹将会有相当大的概率从网格间穿过造成漏报或是只阻挡住x或y一路光线而造成错报；当网格过小（情况2）时，子弹会阻挡住同一方向上的多路光而增加了数据处理的难度；比较理想的方案是3的情况，此时网格边长略大于子弹直径，这样既能保证子弹不会同时阻挡同一方向的两路或更多的光线也可以确保子弹能以足够大的概率同时阻挡住两个方向上的光而不会漏掉一路。

一般打靶用64式手枪和56式半自动步枪弹头直径均为7.62mm，此时网格边长可以设计为7.8mm即可。

当然这种设计方法存在着错报的可能，但概率很低一般可以满足要求。

因本系统只是仿真一下真实的光电靶，对报靶的准确度要求不高，故本人在设计时，就采用该种方案。

1.b》a2.ba且b≈a

图2.1激光网格设计

本人在制作该光电靶的时候，购买了10个激光发射器和10个激光接收器，来构成5x5的25点激光网格，每个小网格的边长选定为1.2厘米。

若选用先前所介绍的7.8mm边长的网格，所制成的25点激光靶面太小，不易观察和测试，由于本系统只是模拟，故采用网格边长1.2厘米，共25点的激光检测网络，已能达到模拟激光坐标法检测靶环原理的目的。

本人制作的光电靶实物如图2.2。

该光电靶由于只是模拟，故只能够能够检测到10环、9环、8环、7环，这4个打靶成绩。

图2.2光电靶实物

2.1.2激光发射电路的设计

发射元件，在设计中采用工业级红外激光管，如图2.3所示，其稳定性和寿命都比普通低价激光管高很多。

图2.3工业级红外激光管实物图

相关特性：

1）激光管内附凸透镜，使发射光平行度更高；

2）较耐高温，适用于野外环境；

3）外围直径6.6mm，体积较小，易于调试与安装。

4）激光波长为650nm，属于近红外，可视，方便安装时进行校准和调试。

激光发射电路的设计，如图2.4所示。

在实物中，光电靶总共用到了10个激光发射器，该电路比较简单，每路发射电路中，包含一个激光发射器和一个可调电阻。

激光发射器用于产生和发射激光，可调电阻用于调节施加在激光发射器两端的电压，便于调节激光发射器的激光发射频率，从而使半导体光电元件能十分灵敏地检测到光电信号。

图2.4激光发射电路

2.1.3激光接收电路的设计

接收元件：

采用半导体光电元件。

主要利用的是半导体光电元件的频率特性。

半导体光电元件的频率特性是指它们的输出信号与调制光频变化的关系。

图2.5半导体光电元件实物图

工作原理：

当光敏三极管受到脉冲照射时，光电流达到其稳态值，其下端PN结导通，光敏三极管的B端与E端导通；当光突然消失时，光电流变为零，其下端PN结不导通，光敏三极管的B端与E端不导通。

激光接收电路的设计，如图2.6所示。

在实物中，光电靶总共用到了10个激光接收器，该电路比较简单，就包含一个1K的电阻和一个光敏三极管。

当激光照射到光敏三极管时，光电流达到其稳定值，此时光敏三极管处于导通状态，激光接收电路的输出端为低电平；当子弹穿越光电靶的瞬间，激光不能照射到光敏三极管，光电流变为零，此时光敏三极管处于不导通的状态，由于上拉电阻的作用，激光接收电路的输出端为高电平。

图2.6激光发射电路

2.1.4数据采集电路的设计

数据采集处理电路是智能化仪器仪表及控制装置的重要组成部分，包括信号采集、数据处理、数据存储、控制时序逻辑等电路。

在本设计中，本人采用或非门芯片HD74LS02来构成RS触发器来采集和锁存数据[11]。

图2.7HD74LS02芯片封装图

图2.8HD74LS02芯片管脚图

HD74LS02为四路2输入或非门，作用是二个输入的或运算,运算后反相输出。

在数据采集电路中，把两个或非连接起来，构成一个RS触发器，其连接电路如图2.9所示。

RS触发器简介：

基本RS触发器的逻辑方程为：

Q（n+1）=S'+R·Q（n）

约束方程：

R+S=1

根据上述两个式子得到它的四种输入与输出的关系:

1.当R端无效（0），S端有效时

（1），则Q=0,Q非=1,触发器置0。

2.当R端有效

（1）、S端无效时（0），则Q=1,Q非=0,触发器置1。

如上所述，当触发器的两个输入端加入不同逻辑电平时，它的两个输出端Q和Q非有两种互补的稳定状态。

一般规定触发器Q端的状态作为触发器的状态。

通常称触发器处于某种状态，实际是指它的Q端的状态。

Q=1、Q非=0时，称触发器处于1态，反之触发器处于0态。

S=0,R=1使触发器置1，或称置位。

因置位的决定条件是S=0,故称S端为置1端。

R=0,S=1时，使触发器置0，或称复位。

同理，称R端为置0端或复位端。

若触发器原来为1态，欲使之变为0态，必须令R端的电平由1变0，S端的电平由0变1。

这里所加的输入信号（低电平）称为触发信号，由它们导致的转换过程称为翻转。

由于这里的触发信号是电平,因此这种触发器称为电平控制触发器。

从功能方面看，它只能在S和R的作用下置0和置1，所以又称为置0置1触发器，或称为置位复位触发器。

由于置0或置1都是触发信号低电平有效，因此，S端和R端都画有小圆圈。

3.当RS端均无效时，触发器状态保持不变。

触发器保持状态时，输入端都加非有效电平（高电平），需要触发翻转时，要求在某一输入端加一负脉冲，例如在S端加负脉冲使触发器置1，该脉冲信号回到高电平后，触发器仍维持1状态不变，相当于把S端某一时刻的电平信号存储起来，这体现了触发器具有记忆功能。

4.当RS端均有效时，触发器状态不确定

在此条件下，两个与非门的输出端Q和Q全为1，在两个输入信号都同时撤去（回到1）后，由于两个与非门的延迟时间无法确定，触发器的状态不能确定是1还是0,因此称这种情况为不定状态，这种情况应当避免。

从另外一个角度来说，正因为R端和S端完成置0、置1都是低电平有效，所以二者不能同时为0。

图2.9RS触发器

表2.1RS触发器真值表

SRQn

Qn+1

说明

000

001

0

1

保持

Qn+1=Qn

010

011

0

0

置0

Qn+1=0

100

101

1

1

置1

Qn+1=1

110

111

×

×

禁止

如图2.9所示，R端接激光接收电路输出端；S端为复位端，由单片机控制；Q端光电靶信号输出端。

S端平时为0，当需要复位的时候，就把它置1。

当无子弹穿过光电靶的时候，激光接收电路输出低电平，使Q端置1；当有子道穿越光电靶的时候，激光接收电路输出高电平，使Q端置0。

当Q端被置0之后，电路会自动锁存信号，直到单片机采集到信号。

单片机采集信号后，把S端置1，使光电靶复位，准备采集下一次的数据。

复位结束后，S端又迅速置0。

2.2单片机最小系统

2.2.1AT89S52单片机简介

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串,片内晶振及时钟电。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

图2.10AT89S52引脚图DIP封装

2.2.2单片机最小系统

图2.11单片机最小系统

单片机最小系统，如图2.11所示，主要包括三部分：

单片机、时钟电路、复位电路。

时钟电路有两个30pF的瓷片电容和一个晶振组成，负责给单片机提供时钟频率。

复位电路由一个电阻和一个电容组成，在单片机启动时，负责给单片机一个复位脉冲。

2.3无线收发模块

该模块由挪威（Nordic）公司生产的nRF24L01及其外围电路组成的。

nRF24L01作为单片射频收发芯片，其工作于2.4～2.5GHz世界通用ISM频段，工作电压为1.9～3.6V。

可通过SPI写入数据，最高可达10Mbit／s，数据传输速率最快可达2Mbit／s，并且具有自动应答和自动再发射功能。

芯片融进了增强式ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。

该芯片功耗低，6dBm功率发射时，工作电流9mA，接收时工作电流只有12.3mA，可选择的掉电模式和空闲模式使其应用设计更为方便。

模块中nRF24L01和MSP430F149通过MOSI、MISO和SCK组成SPI接口，单片机接32.768KHz的低频晶振工作，nRF24L01外接晶振为16MHz，由低速的单片机控制高速收发的射频芯片。

2.3.1nRF24L01概述　

nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。

内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。

nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。

nRF24L01主要特性如下：

1、GFSK调制，硬件集成OSI链路层；

2、具有自动应答和自动再发射功能；

3、片内自动生成报头和CRC校验码；

4、数据传输率为lMb/s或2Mb/s；

5、SPI速率为0Mb/s～10Mb/s；

6、125个频道与其他nRF24系列射频器件相兼容；

7、QFN20引脚4mm×4mm封装；

8、供电电压为1.9V～3.6V；

图2.12nRF24L01实物图

2.3.2引脚功能及描述

nRF24L01的封装及引脚排列如图所示。

各引脚功能如图2.13所示。

CE：

使能发射或接收；

CSN，SCK，MOSI，MISO：

SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01：

IRQ：

中断标志位；

VDD：

电源输入端；

VSS：

电源地；

XC2，XC1：

晶体振荡器引脚；

VDD_PA：

为功率放大器供电，输出为1.8V；

ANT1,ANT2：

天线接口；

IREF：

参考电流输入；

图2.13nRF24L01封图

2.3.3工作模式

通过配置寄存器可将nRF24L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表2.2所示。

表2.2nRF24L01工作模式

模式

PWR_UP

PRIM_RX

CE

FIFO寄存器状态

接收模式

1

1

1

-

发射模式

1

0

1

数据在TX FIFO 寄存器中

发射模式

1

0

1→0

停留在发送模式，直至数据发送完

待机模式2

1

0

1

TX_FIFO为空

待机模式1

1

-

0

无数据传输

掉电

0

-

-

-

待机模式1主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的；待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式；待机模式下，所有配置字仍然保留。

在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。

2.3.4工作原理

发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：

接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据;若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。

如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据（自动重发已开启），若重发次数（ARC）达到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中数据保留以便在次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。

最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。

接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。

当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RX FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。

若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。

最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。

在写寄存器之前一定要进入待机模式或掉电模式。

2.3.5配置字

SPI口为同步串行通信接口，最大传输速率为10Mb/s，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。

但针对单个字节而言，要先送高位再送低位。

与SPI相关的指令共有8个，使用时这些控制指令由nRF24L01的MOSI输入。

相应的状态和数据信息是从MISO输出给MCU。

nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过SPI口访问。

nRF24L01的配置寄存器共有25个，常用的配置寄存器如表2.3所示。

表2.3常用配置寄存器

地址（H）

寄存器名称

功能

00

CONFIG

设置24L01工作模式

01

EN_AA  

设置接收通道及自动应答

02

EN_RXADDR

使能接收通道地址

03

SETUP_AW

设置地址宽度

04

SETUP_RETR

设置自动重发数据时间和次数

07

STATUS

状态寄存器，用来判定工作状态

0A~0F

RX_ADDR_P0~P5

设置接收通道地址

10

TX_ADDR

设置接收接点地址

11~16

RX_PW_P0~P5

设置接收通道的有效数据宽度

2.4液晶显示模块

在本系统的显示模块中，本人选用了1602液晶。

1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。

1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：

VSS为电源地

第2脚：

VCC接5V电源正极

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平

（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。

第6脚：

E（或EN）端为使能（enable）端,高电平

（1）时读取信息，负跳变时执行指令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：

空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

图2.141602液晶实物图

图2.151602液晶protues原理图

1602液晶总共有十六个管脚，其管脚功能在前面已经介绍。

它的4至14号管脚与单片机相连，其中4至6号管脚与单片机的P2.0～P2.2相连，7至14号管脚与单片机的P0口8个I/O口相连。

2.5RS232通信模块

2.5.1RS232通信简介

RS-232-C是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行物理接口标准。

RS是英文“推荐标准”的缩写