專利名稱:基于單片機的無線光電靶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬光電接收器類，它具體涉及一種基于單片機的激光信號接收的可移動無線光電靶的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
中國人民解放軍某部高炮部隊，在日常訓(xùn)練中遇到一個難題，即操炮戰(zhàn)士是否瞄準移動靶標難以判斷，靶標距離高炮距離遠，并且不斷地移動，射擊的機會稍縱即逝。
現(xiàn)有的光電靶產(chǎn)品，有的是實彈射擊的測量裝置，使用的方法多數(shù)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(xùn)練器，但大部分體積比較大，重量重，只能固定使用，很難移動使用。本實用新型針對部隊瞄準訓(xùn)練的實際需要，研制了一套基于單片機的電路簡單，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)，較好地解決了部隊日常訓(xùn)練中的難題。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)體積大、重量重、只能固定使用的缺點，本實用新型提供一種基于單片機的遠距離可移動的無線光電靶裝置。
本實用新型包括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和固定在炮身上的并與炮身同步移動的半導(dǎo)體激光器，其特征是它由單片機、光敏元件陣列、無線通信模塊和夜間指示燈組成，它的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。
本實用新型，它的靶體的外形為圓形。通過操炮手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，從而達到顯示激光照射位置、用語音報告環(huán)數(shù)和偏離方向的目的。
本實用新型能體現(xiàn)如下的優(yōu)越性①由于激光信號具有無散射的特點，炮和靶可以在遠的距離下準確工作。②硬件設(shè)計上采用參考光和瞄準激光進行比較做模數(shù)轉(zhuǎn)換，電路簡單，轉(zhuǎn)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。③光敏元件采用光敏二極管，在規(guī)定的范圍內(nèi)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，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。利用比較器來進行光電檢測的模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)光電信號的采集和AD轉(zhuǎn)換，省去了速度慢且價格高的模數(shù)轉(zhuǎn)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。④為了夜間訓(xùn)練方便，設(shè)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。⑤整個光電靶系統(tǒng)實現(xiàn)了便于移動、成本低和性價比高的特點。


[0008]圖1是無線光電靶系統(tǒng)圖。
圖2是光敏電路原理圖。
圖3是LED排列示意圖。
圖4是光電靶主程序框圖。
圖5是區(qū)號計算子程序框圖。
圖6是光電靶控制器主程序框圖。
圖7是中斷服務(wù)程序框圖。
具體實施方式
圖1是系統(tǒng)圖。
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。
單片機采用51系列單片機中的新型號AT89S52。
圖2是光敏電路的基本原理圖。
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(nèi)(如直徑60毫米)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。
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。利用比較器來進行光電檢測的模數(shù)轉(zhuǎn)換。其中LM324是運算放大器，作為比較器使用，當電壓V2的值大于Vl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V2電壓小于Vl時，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VO = 0V，稱為低電平0。
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(diào)整電位器RV1，使得Vl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VI，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(xiàn)光電信號的采集和AD轉(zhuǎn)換，省去了速度慢且價格高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，電路得到簡化，速度得到提高，同時也排除了環(huán)境光線變化的影響。
圖3是LED排列示意圖。
光敏元件的排列與圖3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M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(jù)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(jù)收發(fā)器74HC244 和譯碼器 74HC138。
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)。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。
為了夜間訓(xùn)練方便，設(shè)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(nèi)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(guān)。
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(從圖1可以看出)。另外還有用于操作的按鍵。
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。
由AT89S52單片機擴展的并行口來驅(qū)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(jié)果。見圖3。
圖3中，一個最小的圓圈代表一個LED。可以看出，10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，等等；8、7、6環(huán)都是8個LED，可以表示8種偏差。
激光器采用市場常見的筆形半導(dǎo)體激光器。
無線通信裝置采用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)。
語音電路通過在單片機的控制下播放事先錄制好語音內(nèi)容來實現(xiàn)。
圖4是光電靶主程序框圖。
整個光電靶的程序由開機自檢，光信號檢測，數(shù)據(jù)處理，向控制器發(fā)送檢測結(jié)果，無線命令接收和執(zhí)行等子程序組成，由主程序根據(jù)條件調(diào)用子程序。
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(jù)命令內(nèi)容，調(diào)用相應(yīng)的子程序，完成命令要求的任務(wù)。
數(shù)據(jù)處理程序的功能是根據(jù)讀取的光敏檢測數(shù)據(jù)，計算出激光擊中的位置。
對照圖3，假設(shè)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(jù)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(jù)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(jù)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(jié)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，就是偏上方。
中心環(huán)號和區(qū)號確定，數(shù)據(jù)處理完畢。
圖5是8個區(qū)的區(qū)號計算子程序框圖。
從框圖中可以看出，如果原始數(shù)據(jù)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(jù)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?jīng)]有照射，最大區(qū)號確定。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(jié)果。
圖6是光電靶控制器主程序框圖。
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(jù)信號的接收和顯示，聲音的播放控制等幾個部分組成。
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(nèi)燈命令和外燈命令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(guān)時，接通激光器電源發(fā)出激光，并同時產(chǎn)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(jù)。在對掃描的數(shù)據(jù)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(jù)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(chǎn)生的信息重新發(fā)送一次，以便核對。
數(shù)據(jù)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(wù)程序中讀取接收的數(shù)據(jù)，并保存在一個指定的地址里，以便主程序處理。數(shù)據(jù)的內(nèi)容是激光光斑中心的環(huán)號和區(qū)號。圖7是中斷服務(wù)程序框圖。
利用參考光和比較器進行模數(shù)轉(zhuǎn)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(jīng)中國人民解放軍高炮某部使用效果很好，達到了設(shè)計要求，解決了動態(tài)靶瞄準的訓(xùn)練問題。而且光電靶重量輕，移動方便，很適合各種野外訓(xùn)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(xùn)練上。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。還可以與上位機聯(lián)網(wǎng)，便于數(shù)據(jù)的儲存和管理。
權(quán)利要求
1.一種基于單片機的無線光電靶，它包括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和固定在炮身上的并與炮身同步移動的半導(dǎo)體激光器，其特征是它由單片機、光敏元件陣列、無線通信模塊和夜間指示燈組成，它的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。
2.按照權(quán)利要求
1所述的光電靶，其特征是它的靶體的外形為圓形。
3.按照權(quán)利要求
1所述的光電靶，其特征是光敏元件直接布置在靶面上，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。
4.按照權(quán)利要求
1或2或3所述的光電靶，其特征是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(nèi)形成圓環(huán)陣列排列， 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。
5.按照權(quán)利要求
1所述的光電靶，其特征是單片機采用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。
6.按照權(quán)利要求
1所述的光電靶，其特征是激光器采用筆形半導(dǎo)體激光器。
7.按照權(quán)利要求
1所述的光電靶，其特征是無線收發(fā)器與單片機匹配，光電靶和控制器均為雙向收發(fā)。
8.按照權(quán)利要求
1所述的光電靶，其特征是由發(fā)光二極管組成的靶標指示燈，在夜間可以打開，此指示燈是由靶心燈和靶周燈組成，可以由光電靶控制器無線控制其開關(guān)。
專利摘要
基于單片機的無線光電靶，主要有三部分組成。一部分是懸掛于移動裝置上的光電靶，另一部分是置于操炮手附近的光電靶控制器，還有一個固定在炮身上的并與炮身同步移動的半導(dǎo)體激光器。將激光器固定在炮身上，利用激光的指向性實現(xiàn)瞄準。將光敏元件直接布置在靶面上，將數(shù)據(jù)采集所用的單片機及其外圍電路也布置在靶子上，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(shù)據(jù)進行顯示，同時用語音報告環(huán)數(shù)和偏離的方向。硬件設(shè)計上采用參考光和瞄準激光進行比較做模數(shù)轉(zhuǎn)換，電路簡單，轉(zhuǎn)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(tǒng)實現(xiàn)了便于移動、成本低和性價比高的特點。
文檔編號F41J5/14GKCN202329429SQ201120061588
公開日2012年7月11日 申請日期2011年3月4日
發(fā)明者于軍, 張晶, 李明 申請人:李明導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan