基于單片機(jī)的無線光電靶
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中國人民解放軍某部高炮部隊，在日常訓(xùn)練中有一個難題，就是操炮戰(zhàn)士瞄準(zhǔn)移動靶標(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，射擊的機(jī)會稍縱即逝。
針對這個問題，查閱了許多現(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(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。針對部隊瞄準(zhǔn)訓(xùn)練的實際需要，這里研制了一套電路簡單、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)，較好地解決了日常訓(xùn)練中的問題。
1 整體設(shè)計
該無線光電靶系統(tǒng)主要由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；一個固定在炮身上并與炮身同步移動的半導(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)時踩動射擊踏板，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，同時用語音報告環(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
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AT89S52，因為這款設(shè)計需要擴(kuò)展5個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 光電測量模塊的設(shè)計
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(按照圓環(huán))排列，由AT89S52單片機(jī)擴(kuò)展的接口電路對光敏元件的輸出信號進(jìn)行采集。
以前有的方案是利用光纖將采集的激光信號傳導(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，每個光敏元件由一個遮光管套住，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)計的創(chuàng)新之處，其他電路圍繞光敏電路展開設(shè)計。利用比較器進(jìn)行光電檢測的模數(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，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V2V1時，運(yùn)算放大器反向飽和，由于這里只使用了單電源供電，運(yùn)放輸出V0=O V，稱為低電平0。
在靶面安排上，參考光檢測元件放在靶標(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光元件相同。當(dāng)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光元件的時候，V2就會大于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元件，運(yùn)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A／D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。
在實際電路中，一個參考光檢測元件為多個光電靶測光元件提供參考電壓，電路得到進(jìn)一步簡化。在這種情況下，要求多個光電靶測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)過篩選的測光元件完全可以滿足這種要求。
實際實驗證明，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個光敏元件均布，6環(huán)有24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(jī)擴(kuò)展的多個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，從而給出射擊成績。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)的連接利用一個擴(kuò)展的并行口和幾根控制線。
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