O 引言

　　中國(guó)人民解放軍某部高炮部隊(duì)，在日常訓(xùn)練中有一個(gè)難題,，就是操炮戰(zhàn)士瞄準(zhǔn)移動(dòng)靶標(biāo)與否不好判斷,。靶標(biāo)距離高炮幾十米，高度十幾米,，并且不斷移動(dòng),，射擊的機(jī)會(huì)稍縱即逝。

　　針對(duì)這個(gè)問題,，查閱了許多現(xiàn)有的光電靶產(chǎn)品,，有的是實(shí)彈射擊的測(cè)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(zhǔn)訓(xùn)練器，功能都比較完善,，但大部分都體積比較大,，重量重，只能固定使用,，很難移動(dòng),。針對(duì)部隊(duì)瞄準(zhǔn)訓(xùn)練的實(shí)際需要，這里研制了一套電路簡(jiǎn)單,、體積小,、重量輕、造價(jià)低,、便于移動(dòng)和自動(dòng)報(bào)靶的無線光電靶系統(tǒng),，較好地解決了日常訓(xùn)練中的問題,。

　　1 整體設(shè)計(jì)

　　該無線光電靶系統(tǒng)主要由懸掛于移動(dòng)裝置上的光電靶；置于操炮手附近的光電靶控制器,；一個(gè)固定在炮身上并與炮身同步移動(dòng)的半導(dǎo)體激光器三部分組成,。

　　當(dāng)操炮手訓(xùn)練中，瞄準(zhǔn)靶標(biāo)時(shí)踩動(dòng)射擊踏板,，激光器發(fā)出一束激光,，照射在靶標(biāo)上，靶標(biāo)上的光敏元件接收到激光,，由單片機(jī)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，由控制器顯示激光照射的位置,，同時(shí)用語音報(bào)告環(huán)數(shù)和偏離的方向系統(tǒng)圖如圖1所示,。

　　2 光電靶電路設(shè)計(jì)

　　從圖1可以看出，光電靶由單片機(jī),、光敏元件陣列,、無線通信模塊和夜間指示燈4部分組成。

　　2．1 單片機(jī)模塊

　　這里采用51系列單片機(jī)中的新型號(hào)AT89S52,，因?yàn)檫@款設(shè)計(jì)需要擴(kuò)展5個(gè)8位并行口,，主要考慮其具有比較好的擴(kuò)展能力，其他特性無需贅述,。

　　2．2 光電測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

　　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(qiáng)度成正比,。將光敏二極管在規(guī)定的范圍內(nèi)(直徑60 mm)形成陣列(按照?qǐng)A環(huán))排列,，由AT89S52單片機(jī)擴(kuò)展的接口電路對(duì)光敏元件的輸出信號(hào)進(jìn)行采集。

　　以前有的方案是利用光纖將采集的激光信號(hào)傳導(dǎo)到光敏元件,，這里為了降低成本減少體積,，將光敏管直接布置在靶面上，每個(gè)光敏元件由一個(gè)遮光管套住,，可避免大部分散射光的影響,。光敏電路是光電靶的核心，也是本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處,，其他電路圍繞光敏電路展開設(shè)計(jì),。利用比較器進(jìn)行光電檢測(cè)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，圖2是光敏電路的基本原理圖,。其中LM324是運(yùn)算放大器,，作為比較器使用，當(dāng)電壓V2>V1時(shí),，運(yùn)算放大器正向飽和,，輸出電壓V,。接近電源電壓，稱為高電平1,；當(dāng)電壓V2

　　在靶面安排上,，參考光檢測(cè)元件放在靶標(biāo)周圍不遠(yuǎn)處，使得其接受的環(huán)境光照條件與光電靶測(cè)光元件相同,。當(dāng)沒有激光照射時(shí)，參考光檢測(cè)元件和光電靶測(cè)光元件同時(shí)受到環(huán)境光線的照射,，調(diào)整電位器RV1,，使得V1略大于V2，運(yùn)算放大器LM3243的輸出電壓V0為O,；當(dāng)有激光照射到光電靶測(cè)光元件的時(shí)候,，V2就會(huì)大于V1，使V0為1,。當(dāng)激光照射脫離光電靶的范圍,，哪怕只照射到參考光檢測(cè)元件，運(yùn)放的輸出始終為0,。利用這種方法實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的采集和A／D轉(zhuǎn)換,，省去了速度慢且價(jià)格高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，電路得到簡(jiǎn)化,，速度得到提高,，同時(shí)也排除了環(huán)境光線的變化的影響。

　　在實(shí)際電路中,，一個(gè)參考光檢測(cè)元件為多個(gè)光電靶測(cè)光元件提供參考電壓,，電路得到進(jìn)一步簡(jiǎn)化。在這種情況下,，要求多個(gè)光電靶測(cè)光元件的光電特性一致,，或者接近一致，才不至于出現(xiàn)誤差,。經(jīng)過篩選的測(cè)光元件完全可以滿足這種要求,。

　　實(shí)際實(shí)驗(yàn)證明，在陽光強(qiáng)烈的室外,，只要沒有陽光直射到靶面,，就工作正常,；在夜晚星光下(遠(yuǎn)處有路燈)，也工作正常,。

　　光敏元件的排列與LED的排列方式基本一致,，不同的地方是，7環(huán)有16個(gè)光敏元件均布,，6環(huán)有24個(gè)光敏元件均布,。這樣排列的目的是減小各個(gè)光敏元件的間距，以免激光束照射不到,。

　　利用51系列單片機(jī)擴(kuò)展的多個(gè)并行接口來讀取光電靶的信息,，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，就可以判定激光束所照射的中心點(diǎn),，從而給出射擊成績(jī),。擴(kuò)展電路使用了數(shù)據(jù)收發(fā)器74HC244和譯碼器74HCl388。

　　2．3 無線通信模塊

　　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(jī)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)。這里采用市場(chǎng)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(jī)的連接利用一個(gè)擴(kuò)展的并行口和幾根控制線,。

　　2．4 夜間指示燈

　　為了夜間訓(xùn)練方便,，設(shè)計(jì)了由發(fā)光二極管組成的靶標(biāo)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),。

　　3 光電靶控制器電路設(shè)計(jì)

　　從圖1可以看出,，光電靶控制器由單片機(jī)、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,。

　　3．1 單片機(jī)電路

　　使用的單片機(jī)仍然是AT89S52,，擴(kuò)展5個(gè)8位并行口，其中4個(gè)并行口用來控制LED發(fā)光,，1個(gè)用來連接無線通信模塊,。

　　3．2 發(fā)光二極管顯示陣列

　　由AT89S52單片機(jī)擴(kuò)展的并行口來驅(qū)動(dòng)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,，如圖3所示。

　　圖3中,，一個(gè)最小的圓圈代表一個(gè)LED,。可以看出,，10環(huán)只用1個(gè)LED,，亮的時(shí)候表示擊中10環(huán)；9環(huán)只用4個(gè)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；8,，7,，6環(huán)都是8個(gè)LED，可以表示8種偏差,。

　　3．3 激光器

　　購(gòu)買市場(chǎng)常見的筆形半導(dǎo)體激光器,。

　　3．4 無線通信裝置

　　購(gòu)買市場(chǎng)常見的無線收發(fā)器，加以改造以適合與單片機(jī)匹配,。光電靶和控制器均為雙向收發(fā)(半雙工),。

　　3．5 語音電路

　　在單片機(jī)的控制下播放事先錄制好語音內(nèi)容,。

　　4 光電靶程序設(shè)計(jì)

　　4．1 光電靶的主程序

　　整個(gè)光電靶的程序由開機(jī)自檢,，光信號(hào)檢測(cè)，數(shù)據(jù)處理,，向控制器發(fā)送檢測(cè)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,。主程序框圖如圖4所示,。

　　無線接收利用中斷完成。每次接收到一個(gè)有效的命令,，就會(huì)將命令保存在一個(gè)指定地址,，然后建立一個(gè)標(biāo)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),。中斷服務(wù)程序框圖略,。

　　4．2 數(shù)據(jù)處理程序

　　數(shù)據(jù)處理程序的功能是根據(jù)讀取的光敏檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出激光擊中的位置,。

　　由于民用激光器的光斑直徑有的比較大,，有的比較小,。在幾十米的距離上，一般光斑直徑在10～30 mm,。激光照射靶標(biāo),，往往是同時(shí)照射幾個(gè)光敏元件，該程序就是要確定光斑的中心位置,。

　　對(duì)照?qǐng)D3,，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(gè),，還有可能8環(huán)的8個(gè)也被照射等。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(hào),，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(gè),，比如光斑照射到9,，8，7環(huán),，環(huán)數(shù)就是3,。區(qū)號(hào)和區(qū)數(shù)：正上方為1區(qū)，右上方為2區(qū),，按照順時(shí)針方向分為8個(gè)區(qū),，編號(hào)為1～8號(hào)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(hào)計(jì)算：首先要根據(jù)所有照射到的環(huán)號(hào)計(jì)算出環(huán)數(shù),，然后計(jì)算出中心環(huán)號(hào)。最大環(huán)號(hào)減去環(huán)數(shù)除以2取整,，這就是光斑中心的環(huán)號(hào),。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(hào)計(jì)算：根據(jù)所照射的所有區(qū)號(hào)計(jì)算出區(qū)數(shù),，再計(jì)算出中間區(qū)號(hào)，就是光斑的中心區(qū)號(hào),。這里有一個(gè)問題：當(dāng)被照射的區(qū)號(hào)是7,，8，1,，2,，3的時(shí)候，要把最大區(qū)號(hào)確定為11,，最小區(qū)號(hào)確定為7,，再計(jì)算出區(qū)數(shù)和中心區(qū)號(hào)。如果計(jì)算的中心區(qū)號(hào)大于8則減去8才是真正結(jié)果,。以區(qū)號(hào)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(hào)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(hào)，即偏上方,。

　　中心環(huán)號(hào)和區(qū)號(hào)確定,，數(shù)據(jù)處理完畢。

　　圖5是8個(gè)區(qū)的區(qū)號(hào)計(jì)算子程序框圖,，其他子程序略,。

　　從圖5中可以看出，如果原始數(shù)據(jù)的最大區(qū)號(hào)不是8,，那就直接計(jì)算中心區(qū)號(hào),。如果原始數(shù)據(jù)的最大區(qū)號(hào)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(jì)算中心區(qū)號(hào),。如果1區(qū)有激光照射，最大區(qū)號(hào)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(hào)確定,。這里判斷到6區(qū)，已經(jīng)留有余地,，實(shí)際上不大可能出現(xiàn)這種情況(參照?qǐng)D3分析),。第一次計(jì)算的中心區(qū)號(hào)，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。

　　5 光電靶控制器的程序設(shè)計(jì)

　　光電靶控制器的程序主要由開機(jī)自檢,，操作命令的接收和執(zhí)行,，無線數(shù)據(jù)信號(hào)的接收和顯示，聲音的播放控制等幾個(gè)部分組成,，其主程序的框圖如圖6所示,。

　　從圖6可以看出，主程序開機(jī)自檢之后,，進(jìn)入主循環(huán),。在主循環(huán)中，除了按照各種標(biāo)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(dòng)無線發(fā)送模塊進(jìn)行發(fā)送,。這幾個(gè)鍵盤命令都是針對(duì)光電靶的命令,，內(nèi)燈命令和外燈命令是對(duì)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(zhǔn)靶標(biāo)踩下開炮開關(guān)時(shí),，接通激光器電源發(fā)出激光,，并同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)給光電靶控制器的單片機(jī)，由單片機(jī)通過無線信號(hào)傳送給光電靶,。光電靶接收到擊發(fā)命令,，開始對(duì)光敏元件進(jìn)行掃描，得到原始數(shù)據(jù)。在對(duì)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(hào)和區(qū)號(hào),。光電靶將此環(huán)號(hào)和區(qū)號(hào)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(gè)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(duì)。

　　數(shù)據(jù)的接收每當(dāng)無線模塊接收到一次有效的信號(hào),，就會(huì)申請(qǐng)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(gè)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(hào)和區(qū)號(hào)。中斷服務(wù)程序的框圖如圖7所示,。

　　6 結(jié)語

　　利用參考光和比較器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,，電路簡(jiǎn)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(jī)的程序處理可以很容易得到光斑的中心位置,。經(jīng)中國(guó)人民解放軍高炮某部使用效果很好,，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，解決了動(dòng)態(tài)靶瞄準(zhǔn)的訓(xùn)練問題,。而且光電靶重量輕,、移動(dòng)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。現(xiàn)在正在改進(jìn),，準(zhǔn)備添加射擊成績(jī)統(tǒng)計(jì)功能,，在光電靶控制器上加一個(gè)數(shù)碼顯示器，實(shí)時(shí)顯示射擊次數(shù),、總環(huán)數(shù)等,，同時(shí)還可以與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng),，便于數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和管理,。