基于单片机的无线光电靶

0 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。