毕业设计-激光打靶系统设计.doc

1、 信息工程学院本科毕业论文 （ 2011届） 题 目 系 电子 工程 专 业 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 完成日期 2011 年 3 月 杭州电子科技大学 信息工程学院 本科毕业设计 摘 要 本毕业设计主要设计自主研发的激光打靶系统的信号处理过程，继而实现整个打靶系统。激光打靶系统主要包括半导体激光枪、光电探测器和信号处理电路，信号处理过程是整个系统的关键。激光打靶的打靶过程，由激光枪发射激光脉冲信号，光电靶接收激光脉冲信号，经过系列信号处理过程最终得到打靶的结果。光电靶由 许多块的光电探测器组成，每块不同位置的光电探测器对应不同编号，从打靶的实际情况出发，确定了相应的编号规则。打靶的

2、成绩由激光所击中的光电探测器的编号来判定。 激光打靶系统的主要信号处理过程包括：信号的放大、编码和数据传输。信号由光电探测器检测后传送到相应的放大电路，放大电路采用集成运算放大器。按原先对光电探测器的编码规则采用多路优先编码器对信号进行编码。最后把编码值以串口的形式传送到计算机，利用计算机的强大功能对打靶结果进行各种处理。与计算机之间的串行数据传输由 89C2051 单片机实现。 89C2051 单片机的 程序，使用 keil 编译器进行设计和调试完成，其主要功能是控制数据的串行传送，实现与计算机的串口通信。 该信号处理系统实现了对信号的良好检测。与计算机之间的串口通信可以实现数据在计算机上的

3、显示、统计、储存等功能，为打靶者提供非常直接、准确的打靶结果，有利于提高打靶效果。 关键词： 激光打靶；信号处理；信号编码；串行传输 杭州电子科技大学 信息工程学院 本科毕业设计 ABSTRACT The main aim of this thesis is to design and realize signal processing of a self-developed laser target shooting system and then realize the whole laser target shooting system. The laser target shootin

4、g system consists of semiconductor laser gun, photoelectric detector, and signal processing circuit, which is the key part of the whole system. Laser target shooting process go though following steps: laser gun emitted a pulse of laser, which would be received by the laser target and the results of

5、shooting will be shown on screen of computer by series signal processing. The laser target consists of some silicon photoelectric units that were encoded with different numbers according to certain rule. The result of the shooting will be got when detecting the number of the photoelectric unit that

6、receives the laser pulse. The signal processing of the laser target shooting system mainly consists of signal amplification, signal encoding and data transmission. The inspected photoelectric signal was then amplified by operator amplifiers, coded by multiplex priority encoder according to the prear

7、ranged rule, and then transferred to computer by 89C2051 MCU through its serial port. And then computer can process the signal. The program of 89C2051 MCU is designed in keil and debugged using keil compiler. It is designed to control the data transmission with computer. The designed signal processi

8、ng system can detect signal effectively. Through the serial data transmission, computer can process the shooting result, such as display, statistics and storage etc. It provide direct and exact shooting result for trainer, so it can increase the efficiency of the shooting training. Key words： laser

9、target shooting； signal amplification； signal encode； serial data transmission 杭州电子科技大学 信息工程学院 本科毕业设计 目 录 1 引言 . 1 2 概述 . 2 2.1 激光打靶系统概述 . 2 2.2 本设计方案思路 . 3 2.3 研发方向和技术关键 . 3 2.4 主要技术指标 . 3 3 总体设计 . 4 3.1 激光的检测 . 4 3.2 靶位的划分 . 4 3.3 编码标准 . 5 3.4 成绩的传送和处理 . 5 3.5 其他说明 . 5 4 硬件设计 . 6 4.1 信号放大电路 . 6 4.

10、2 整形电路 . 8 4.3 编码电路 . 9 4.4 串行传送 . 11 4.5 电平转换 . 13 5 软件设计 . 14 5.1 总体方案 . 14 5.2 程序流图 . 14 5.3 模块说明 . 15 6 制作与调试 . 18 6.1 硬件电路的布线与焊接 . 18 6.2 调试 . 18 7 结论 . 20 致谢 . 21 参考文献 . 22 附录 . 23 杭州电子科技大学 信息工程学院 本科毕业设计 - 1 - 1 引言 目前的射击打靶训练，基本以实弹训练为主，国防开支大，危险系数高。传统的报靶方法是人工报靶，由报靶员根据经验确定靶数，带有很大的个人主观因素，可靠性、公正性差，

11、效率低。因此有必要研制一种切合部队实际的，在非实弹射击条件下进行射击精度训练的打靶训练器，这样既能保证部队训练质量又能减少弹药消耗、节 约国防费用，具有重大的国防意义。 以光代弹，可以模拟多种武器的射击情况，并可检验射击效果 。这种新型的部队训练模拟器材是部队训练器材的一次革命，是和平时期部队训练的有效手段之一 。 一些发达国家，如美国、英国、德国等都在积极进行激光射击模拟训练器材的研制， 并已开发出多种系列产品，其中最突出的是美国的“米勒斯”系列，它可模拟 36 种武器，性能好、准确而且逼真，大大推动了部队的训练工作。 八十年代以来，我国也有单位在进行激光模拟训练器的研究和探索，将激光射击模

12、拟器用于部队训练，取得了很好的训练效果，提高了部队的战斗力。 但在可靠性和数据处理等方面尚有许多技术问题有待改进，主要是以下几点：激光光斑太大，与实际步枪子弹口径 7.62mm 相差太多；探测器数量少会导致设计精度不高；探测器数量多会使得价格昂贵，无法推广；只能粗略指示命中与否，不能准确显示命中靶环环数和方位。因此，我们拟从这些方向作进一步的研究探索。 本设计采用半导体激光器和半导体面阵列探测器来模拟子弹射击和射击靶标，具有模拟逼真，精度高等特点。主要从信号处理部分来设计实现激光打靶系统，每次射击能精确的显示 5 10 环的结果及脱靶情况，每个环数又可分为八个偏移方向。该系统 简单实用，既能保

13、证训练的质量又能减少弹药的消耗，是理想的公安、军队等部门训练使用的模拟打靶系统。 杭州电子科技大学 信息工程学院 本科毕业设计 - 2 - 2 概述 2.1 激光打靶系统概述 激光打靶系统 1-3的工作原理是采用激光脉冲来模拟枪弹的射击，该系统一般包括激光发射部分、激光信号检测模块、打靶成绩处理和显示部分。如图 2-1 所示，当射手瞄准完毕扣动扳机时，半导体激光器会发出激光脉冲，射向目标上的光电探测器，如果击中目标，则激光脉冲被光电探测器接收并转换为电信号，经电路处理能识别射击的弹着点，信号经处理编码后传输到计算机。 图 2-1 激光 打靶系统 原理图 半导体激光器 4,5一般平行地安装在武器

14、装备的枪管、炮管或导弹发射架上，它可以发射一束与武器射击方向一致的激光脉冲。目前的激光器一般都采用半导体激光器，因为这种激光器的输出功率低，不会伤害眼睛，而且效率高、功耗小，不但可以摆脱大而重的电源设备，激光器本身也可以制作得很小、很轻 。光电探测器 6具有射击靶的形状，可以是点探测器和面探测器，通常数量较多，构成多个信号检测通路。根据光电探测器的响应位置来判断激光射击击中的靶位。 激光打靶采用以光代弹的形式进行射击训练，是激光武器模拟器中最常 见的一种。最初的激光打靶系统只能进行瞄准射击训练，随着计算机和微处理器技术的发展，其用途扩大到可进行多种武器的模拟训练。随着研究和探索的深入，激光打靶

15、系统的功能将进一步完善，能够更接近于武器装备在实际使用中的表现，增强真实感。同时，通过与电子技术相结合，进一步提高激光模拟的自动化、智能化水平。 激光武器模拟器有以下几个方面的发展趋势： （ 1）可以模拟的武器越来越多，激光武器模拟器正朝着系列化、组件化的方向发展，一个基本的激光射击模拟器只要稍加改动就可适用于其他武器系统。系列化、组件化的好处是便于使用、更换和 维修，同时价格也便宜。 （ 2）从激光射击模拟器向激光交战模拟器发展，先进的激光交战模拟器能使坦克、战斗车辆、反坦克武器等有机的结合在一起进行训练，每部兵器既是攻击者，又是被攻击者，完全模仿实战中的作战环境，不仅能提高战士使用武器的技

16、能，还可以教会他们如何在战争中保护自己。 计算机处理 信号处理电路 半导体激光器 激光枪扳 机 光电探测器 杭州电子科技大学 信息工程学院 本科毕业设计 - 3 - （ 3）采用各种新技术增加模拟的逼真性，例如用计算机来记录、控制整个训练演习的进程，评定战士在演习中的表现等。 2.2 本设计方案思路 本设计以实现信号的良好检测和数据转换、传输为主要目的；以信号检测，信号编码和数据传输为主要设计内容。 在信号检测方面设计单脉冲小信号的放大电路和信号整形电路；在信号编码方面，要解决多路信号的编码问题，还要考虑到编码的优先选择问题；在脱靶问题的处理方法上，对打靶和信号采集传送进行同步化处理（详见第二

17、章的硬件设计部分），把脱靶的情况与中靶的情况归为一类处理；数据传输采用 UART 串口通信。 2.3 研发方向和技术关键 （ 1）合理划分激光靶的光电探测器，提高系统的精度； （ 2）单脉冲小信号的放大和整形； （ 3）多路优先编码器的扩展； （ 4）与微机进行数据传输，方便成绩的统计、保存、显示和查询。 2.4 主要技术 指标 （ 1）激光脉宽： 大于 1ms （ 2）激光脉冲响应幅度：约 10 mv （ 3）打靶距离： 30 米 （ 4）串行输出帧格式： 射击次数 所击中的光电探测器的编号 杭州电子科技大学 信息工程学院 本科毕业设计 - 4 - 3 总体设计 激光打靶系统是一种集光、电于

18、一体的系统，其工作原理是激光枪发出的激光束，打到光电传感器上，经光电传感器将光信号转换为电信号，电信号经过信号处理后由单片机发送到计算机的串行口，然后在计算机上完成成绩显示、查询和保存等功能。 激光打靶系统结构的组成框图如图 3-1 所示。该系统包括半导体激光枪、模块式 探测器、数字信号处理和发送电路、计算机数据处理程序等四部分。 图 3-1 系统总体结构框图 3.1 激光的检测 7,8 每次打靶，激光枪发出一个激光脉冲。如果激光脉冲击中光电靶，利用光生伏特效应，光电靶上的探测器把光信号转换成电信号，因此激光的检测就是对探测器响应电信号的检测。光电探测器的响应是一个单脉冲小信号，整个检测过程包

19、括：信号放大、波形整形，检测输出是标准的脉冲数字信号。 3.2 靶位的划分 把一个激光靶划分为 38块探测器，中心 10 环为一块探测器； 9.8.7.6 环分别有 8块探测器； 5环有 5块探测器。 根据不同靶位上的探测器来判断所击中的位置，包括环数： 10.9.8.7.6.5；偏离方向：上 .下 .左 .右 .左上 .左下 .右上 .右下。 若信号击中两块或四块探测器的交界，则只取其中一块为有效，记为有效的探测器满足以下条件： （ 1）环数高； （ 2）偏离方向为斜向（例如：上和右上两方向，选择右上）。 根据上述要求，以及硬件电路设计的需要，对不同的探测器进行编码，见图3-2（右）。 激光

20、枪 探测器 模 块 放 大 电 路 滤 波 电 路 整 形 电 路 优 先 编 码 电 路 串 行 收 发 模 块 电 平 转 换 计算机 串口 杭州电子科技大学 信息工程学院 本科毕业设计 - 5 - 图 3-2 靶位划分与编号 3.3 编码标准 对 38 路信号按以上原则编码，编码结果如表 3-1。若脱靶 无信号则记为 0 号。编码后，每一个号码对应了每一个探测器的位置信息，包括环数和偏移方向。对信号击中两块或四块探测器的交界的情况 ,只需取码号大的探测器为有效。这样，打靶的结果在硬件电路上的实现便可由 40 6线优先编码器完成。 表 3-1 靶位编码 上 右上 右 右下 下 左下 左 左

21、上 10 环 38 9 环 33 37 32 36 31 35 30 34 8 环 25 29 24 28 23 27 22 26 7 环 17 21 16 20 15 19 14 18 6 环 9 13 8 12 7 11 6 10 5 环 3 2 5 4 1 3.4 成绩的传送和处理 信号经编码后发送到计算机，由计算机进行译码 ，在计算机上模拟显示出射击位置，对一组结果进行统计（包括环数和方向偏移），并进行储存。 3.5 其他说明 系统分为硬件部分和软件部分。本论文主要设计制作硬件部分以及与微机的通讯的 2051 单片机程序。微机软件部分，包括数据的处理和显示等有另外一名毕业设计同学实现。