基于单片机的无线光电靶

O 引言
    中国人民解放军某部高炮部队，在日常训练中有一个难题，就是操炮战士瞄准移动靶标与否不好判断。靶标距离高炮几十米，高度十几米，并且不断移动，射击的机会稍纵即逝。
    针对这个问题，查阅了许多现有的光电靶产品，有的是实弹射击的测量装置，使用的方法多数是平行光幕加光敏元件，也有的是采用单光幕，还有的是瞄准训练器，功能都比较完善，但大部分都体积比较大，重量重，只能固定使用，很难移动。针对部队瞄准训练的实际需要，这里研制了一套电路简单、体积小、重量轻、造价低、便于移动和自动报靶的无线光电靶系统，较好地解决了日常训练中的问题。

1 整体设计
    该无线光电靶系统主要由悬挂于移动装置上的光电靶；置于操炮手附近的光电靶控制器；一个固定在炮身上并与炮身同步移动的半导体激光器三部分组成。
    当操炮手训练中，瞄准靶标时踩动射击踏板，激光器发出一束激光，照射在靶标上，靶标上的光敏元件接收到激光，由单片机采集光敏元件的信息，利用无线装置将信息发送到光电靶控制器，由控制器显示激光照射的位置，同时用语音报告环数和偏离的方向系统图如图1所示。

2 光电靶电路设计
    从图1可以看出，光电靶由单片机、光敏元件阵列、无线通信模块和夜间指示灯4部分组成。

2．1 单片机模块
    这里采用51系列单片机中的新型号AT89S52，因为这款设计需要扩展5个8位并行口，主要考虑其具有比较好的扩展能力，其他特性无需赘述。
2．2 光电测量模块的设计
    光敏元件采用光敏二极管，在反向电压作用下，其电流随光线强度成正比。将光敏二极管在规定的范围内(直径60 mm)形成阵列(按照圆环)排列，由AT89S52单片机扩展的接口电路对光敏元件的输出信号进行采集。
    以前有的方案是利用光纤将采集的激光信号传导到光敏元件，这里为了降低成本减少体积，将光敏管直接布置在靶面上，每个光敏元件由一个遮光管套住，可避免大部分散射光的影响。光敏电路是光电靶的核心，也是本设计的创新之处，其他电路围绕光敏电路展开设计。利用比较器进行光电检测的模数转换，图2是光敏电路的基本原理图。其中LM324是运算放大器，作为比较器使用，当电压V2>V1时，运算放大器正向饱和，输出电压V。接近电源电压，称为高电平1；当电压V2<V1时，运算放大器反向饱和，由于这里只使用了单电源供电，运放输出V0=O V，称为低电平0。

    在靶面安排上，参考光检测元件放在靶标周围不远处，使得其接受的环境光照条件与光电靶测光元件相同。当没有激光照射时，参考光检测元件和光电靶测光元件同时受到环境光线的照射，调整电位器RV1，使得V1略大于V2，运算放大器LM3243的输出电压V0为O；当有激光照射到光电靶测光元件的时候，V2就会大于V1，使V0为1。当激光照射脱离光电靶的范围，哪怕只照射到参考光检测元件，运放的输出始终为0。利用这种方法实现光电信号的采集和A／D转换，省去了速度慢且价格高的模数转换器，电路得到简化，速度得到提高，同时也排除了环境光线的变化的影响。
    在实际电路中，一个参考光检测元件为多个光电靶测光元件提供参考电压，电路得到进一步简化。在这种情况下，要求多个光电靶测光元件的光电特性一致，或者接近一致，才不至于出现误差。经过筛选的测光元件完全可以满足这种要求。
    实际实验证明，在阳光强烈的室外，只要没有阳光直射到靶面，就工作正常；在夜晚星光下(远处有路灯)，也工作正常。
光敏元件的排列与LED的排列方式基本一致，不同的地方是，7环有16个光敏元件均布，6环有24个光敏元件均布。这样排列的目的是减小各个光敏元件的间距，以免激光束照射不到。
    利用51系列单片机扩展的多个并行接口来读取光电靶的信息，然后进行数据处理，就可以判定激光束所照射的中心点，从而给出射击成绩。扩展电路使用了数据收发器74HC244和译码器74HCl388。
2．3 无线通信模块
    光电靶需要接收光电靶控制器发送来的操作命令，还需要把采集的射击成绩发送给光电靶控制器，所以无线模块需要双向通信(半双工)。这里采用市场比较常见的工业无线通信模块并加以改造，基本满足功能需要，并且成本低廉。无线通信模块与单片机的连接利用一个扩展的并行口和几根控制线。
2．4 夜间指示灯
    为了夜间训练方便，设计了由发光二极管组成的靶标指示灯，在夜间可以打开此指示灯，以便观瞄。此指示灯是由靶心灯(内灯)和靶周灯(外灯)组成，可以由光电靶控制器无线控制其开关。

3 光电靶控制器电路设计
    从图1可以看出，光电靶控制器由单片机、发光二极管阵列、无线通信模块、激光模块和语音播放模块组成。另外还有用于操作的按键。
3．1 单片机电路
    使用的单片机仍然是AT89S52，扩展5个8位并行口，其中4个并行口用来控制LED发光，1个用来连接无线通信模块。
3．2 发光二极管显示阵列
    由AT89S52单片机扩展的并行口来驱动发光二极管(LED)的亮和灭，用来显示击中的位置。LED的排列方式与光敏元件的排列方式一致，便于指示射击结果，如图3所示。

    图3中，一个最小的圆圈代表一个LED。可以看出，10环只用1个LED，亮的时候表示击中10环；9环只用4个LED，可以指示上下左右4种偏差，上边的LED亮表示9环偏上等；8，7，6环都是8个LED，可以表示8种偏差。
3．3 激光器
    购买市场常见的笔形半导体激光器。
3．4 无线通信装置
    购买市场常见的无线收发器，加以改造以适合与单片机匹配。光电靶和控制器均为双向收发(半双工)。
3．5 语音电路
    在单片机的控制下播放事先录制好语音内容。

4 光电靶程序设计
4．1 光电靶的主程序
    整个光电靶的程序由开机自检，光信号检测，数据处理，向控制器发送检测结果，无线命令接收和执行等子程序组成，由主程序根据条件调用子程序。主程序框图如图4所示。

    无线接收利用中断完成。每次接收到一个有效的命令，就会将命令保存在一个指定地址，然后建立一个标志位，通知主程序。主程序根据命令内容，调用相应的子程序，完成命令要求的任务。中断服务程序框图略。
4．2 数据处理程序
    数据处理程序的功能是根据读取的光敏检测数据，计算出激光击中的位置。
    由于民用激光器的光斑直径有的比较大，有的比较小。在几十米的距离上，一般光斑直径在10～30 mm。激光照射靶标，往往是同时照射几个光敏元件，该程序就是要确定光斑的中心位置。
    对照图3，假设光斑中心在10环，可能被照射光敏元件只有10环的，也可能还有9环的4个，还有可能8环的8个也被照射等。要确定10环，除了10环的光敏元件被照射，还有9环、8环、7环可能被照射，并且全环都被照射，否则不能确定10环。
    10环以外的其他环数的确定，需要根据光斑照射到的环数和区数来确定。环号，就是10，9，8，7，6环；环数就是光斑照射到的环有几个，比如光斑照射到9，8，7环，环数就是3。区号和区数：正上方为1区，右上方为2区，按照顺时针方向分为8个区，编号为1～8号区；光斑照射到3，4，5，6区，则区数为4。
    中心环号计算：首先要根据所有照射到的环号计算出环数，然后计算出中心环号。最大环号减去环数除以2取整，这就是光斑中心的环号。取整的目的是小数的环数不好显示。如果用数码显示则可以保留小数。
    中心区号计算：根据所照射的所有区号计算出区数，再计算出中间区号，就是光斑的中心区号。这里有一个问题：当被照射的区号是7，8，1，2，3的时候，要把最大区号确定为11，最小区号确定为7，再计算出区数和中心区号。如果计算的中心区号大于8则减去8才是真正结果。以区号是7，8，1，2，3为例：区数=11-7+1=5，5／2=2．5，2．5取整=2，最大区号减去区数的一半取整，即11-2=9，由于9大于8，要减去8，即9-8=1，这就是中心区号，即偏上方。
    中心环号和区号确定，数据处理完毕。
    图5是8个区的区号计算子程序框图，其他子程序略。

    从图5中可以看出，如果原始数据的最大区号不是8，那就直接计算中心区号。如果原始数据的最大区号是8，就要判断1区是否有被激光照射，如果没有，那就直接计算中心区号。如果1区有激光照射，最大区号要加1，然后还要判断2区，依此类推，直到没有照射，最大区号确定。这里判断到6区，已经留有余地，实际上不大可能出现这种情况(参照图3分析)。第一次计算的中心区号，还要判断其值是否大于8，如果大于8还要减1，得到最终的结果。

5 光电靶控制器的程序设计
    光电靶控制器的程序主要由开机自检，操作命令的接收和执行，无线数据信号的接收和显示，声音的播放控制等几个部分组成，其主程序的框图如图6所示。

    从图6可以看出，主程序开机自检之后，进入主循环。在主循环中，除了按照各种标志位来控制LED的显示和语音播放之外，就是检查按键，一旦有键盘命令，立即启动无线发送模块进行发送。这几个键盘命令都是针对光电靶的命令，内灯命令和外灯命令是对光电靶的夜间指示灯的控制命令，击发命令和重发命令解释如下：
    击发命令 在操炮手瞄准靶标踩下开炮开关时，接通激光器电源发出激光，并同时产生一个信号给光电靶控制器的单片机，由单片机通过无线信号传送给光电靶。光电靶接收到击发命令，开始对光敏元件进行扫描，得到原始数据。在对扫描的数据处理之后得到激光光斑中心位置的信息，就是环号和区号。光电靶将此环号和区号通过无线模块发送回光电靶控制器。光电靶控制器据此控制LED的显示和语音播放。
    重发命令 这个命令是要光电靶将上次击发产生的信息重新发送一次，以便核对。
    数据的接收每当无线模块接收到一次有效的信号，就会申请一次中断。在中断服务程序中读取接收的数据，并保存在一个指定的地址里，以便主程序处理。数据的内容是激光光斑中心的环号和区号。中断服务程序的框图如图7所示。

6 结语
    利用参考光和比较器进行模数转换，电路简单可靠，速度快。光敏元件圆环状排列，可以充分利用元件。利用单片机的程序处理可以很容易得到光斑的中心位置。经中国人民解放军高炮某部使用效果很好，达到了设计要求，解决了动态靶瞄准的训练问题。而且光电靶重量轻、移动方便，很适合各种野外训练需要。如果将激光器安装在其他枪械上，还可以用在步兵的射击训练上。现在正在改进，准备添加射击成绩统计功能，在光电靶控制器上加一个数码显示器，实时显示射击次数、总环数等，同时还可以与上位机联网，便于数据的储存和管理。