基于AT89S5和光电二极管的无线光电目标系统应用方案

1导言

中国人民解放军某高炮部队在日常训练中存在一个难题，即炮兵士兵是否瞄准移动目标很难判断。目标距离高射炮几十米，高度十几米，而且在不断移动，所以射击的机会转瞬即逝。

针对这个问题，查阅了很多现有的光电靶产品，有的是实弹射击的测量装置，大多采用平行光幕和感光元件，有的采用单光幕，有的是瞄准训练器，功能都比较完善，但大多体积大，重量重，只能固定，不易移动。根据部队瞄准训练的实际需要，研制了一套电路简单、体积小、重量轻、成本低、移动方便、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。

2总体设计

无线光电目标系统主要由悬挂在移动设备上的光电目标组成；放置在炮手附近的光电目标控制器；固定在枪体上并与枪体同步运动的半导体激光器由三部分组成。

炮手训练时瞄准目标时，踩下射击踏板，激光器发出一束激光，照射目标。目标上的光传感器接收激光，光传感器的信息由单片机采集。无线设备用于将信息发送给光电目标控制器，控制器显示激光照射的位置。同时用语音上报环数和偏离方向的系统图，如图1所示。

3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四部分组成。

3.1单片机模块

这里采用51系列单片机中的新型AT89S52，因为这个设计需要扩展5个8位并口，主要是考虑其良好的扩展能力，其他特性就不用详细描述了。

3.2光电测量模块的设计

光敏元件是光敏二极管，在反向电压的作用下，其电流与光强成正比。光敏二极管在指定范围内(直径60 mm)排列成阵列(按圆环排列)，光敏元件的输出信号由AT89S52单片机扩展的接口电路采集。

过去，光纤用于将收集的激光信号传输到光敏元件。为了降低成本和体积，光敏管直接布置在目标表面，每个光敏元件都被遮光管覆盖，可以避免大部分散射光的影响。光敏电路是光电靶的核心，也是本设计的创新点。其他电路围绕光敏电路设计。光电检测的模数转换由比较器完成。图2是感光电路的基本原理图。LM324是一个运算放大器，用作比较器。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

在目标表面的布置中，参考光检测元件被放置在目标周围不远的地方，使得其接收的环境光条件与光电目标光检测元件的环境光条件相同。当没有激光照射时，参考光检测元件和光电目标光测量元件同时被环境光照射，调节电位器RV1使V1略大于V2，运算放大器LM3243的输出电压V0为O；当激光照射光电目标测光元件时，V2会比V1大，使V0 1。当激光照射在光电目标的范围之外时，即使仅照射参考光检测元件，运算放大器的输出也总是0。用这种方法实现光电信号采集和模数转换，速度慢、价格高的模数转换器是

实际实验证明，只要没有阳光直射到目标表面，阳光强烈的室外工作正常。晚上星光下(远处有路灯)，也正常工作。

光敏元件的排列与LED基本相同，不同的是有16个光敏元件均匀分布在7个环上，24个光敏元件均匀分布在6个环上。这种布置的目的是减小光敏元件之间的距离，从而避免激光束不被照射。

利用51系列单片机扩展的多个并行接口读取光电目标信息，然后对数据进行处理，可以判断激光束照射的中心点，并给出拍摄结果。扩展电路使用数据收发器74HC244和解码器74HCl388。

3.3无线通信模块

光电靶需要接收光电靶控制器发送的操作命令，并将采集到的拍摄结果发送给光电靶控制器，因此无线模块需要双向通信(半双工)。这里采用了市场上常见的工业无线通信模块，并进行改造，基本满足功能需求，成本低廉。无线通信模块与单片机之间的连接使用一个扩展并口和多条控制线。

3.4夜间照明

为了方便夜间训练，设计了一种由发光二极管组成的目标指示灯，可以在夜间打开进行观察和瞄准。该指示灯由目标中心灯(内灯)和目标周边灯(外灯)组成，其开关可由光电目标控制器无线控制。

光电目标控制器的电路设计

从图1可以看出，光电靶控制器由单片机、LED阵列、无线通信模块、激光模块和语音播放模块组成。还有用于操作的

按键。

4．1 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。

4．2 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。

4．3 激光器

购买市场常见的笔形半导体激光器。

4．4 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）。

4．5 语音电路

在单片机的控制下播放事先录制好语音内容。

5 光电靶程序设计

5．1 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。

5．2 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。

6 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。

7 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。

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