军用训练靶数字系统设计Word格式文档下载.docx
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其主要的内容为：
（1）分析军用靶结构和子块的动作要求，研究靶的结构特点；
（2）提出军用靶数字采集系统的工作原理，进行系统设计；
（3）设计出数字系统的硬件电路，并进行信号处理的软件编程和调试；
（4）编写相关程序，制作电脑屏幕显示界面，实现多靶位的计算机屏幕显示功能；
（5）制作出原理样机，进行实际训练射击验证，满足工作要求。
图2-1自动报靶装置靶面结构图图2-2靶面单体结构图
2.2方案确定
本小节首先对课题要求的功能可能实现的形式进行研究，得出设计系统方案的关键因素为：
数据采集及数据传输。
通过对方案、器件的比较，得出了最终方案。
2.2.1系统功能研究
根据本设计要求实现的基本功能，本系统大致可分为信号采集，信号处理，信号传输和信号显示四个部分。
各部分功能分别为：
（1）信号采集部分检测靶面的情况，提供子弹弹着点信息；
（2）信号处理部分处理采集信息，完成数据转换；
（3）信号传输部分传输处理的数据，实现数据交互及无线操控；
（4）信号显示部分完成系统的显示功能。
对上述四个部分进一步分析，得到如下一些基本的结论：
（1）信号采集部分可以考虑采用类似开关工作原理的器件或选用相关的传感器获取子弹击中信息；
（2）信号处理部分可以考虑采用单片机中根据实际的情况将采集到的信号进行相应的编码，并在程序中实行数据的打包处理；
（3）信号传输部分可以考虑采用无线及串口数据传输技术，实现多位数据的传输；
（4）信号显示部分可以考虑采用LED数码管以及Vc界面是实现显示功能。
根据对上面设计系统的分析，得到本系统信号处理的大致框图如图2-3所示：
图2-3系统信号流程图
结合设计要求，上面的思路可以总结为：
由其中一片处理芯片处理采集信号，并通过数据传输部分将其传输到系统接收端的另一片芯片，完成解码显示。
图2-4串口直接通信原理图
2.2.2决定方案因素
在设计本系统时决定方案选择的因素为：
数据采集以及数据传输。
本系统整个实现过程中最重要的部分是数据处理（包括根据实际的需要对采样数据而进行特殊编码以及解码显示时相关数据的处理），但是在这之前需要去解决两个问题：
这两部分是个瓶颈。
如何将处理好的数据进行很好地通信传输，对于整个设计的影响很大。
在选择数据处理芯片的问题上，可以采用的芯片有8051单片机、PIC单片机、AVR、DSP、ARM等，出于系统对芯片性能要求、成本以及设计时的技术成熟度的考虑，本设计方案时直接选定8051单片机作为处理芯片，不把其作为方案考虑的主要因素，而是根据数据采集以及数据传输部分来决定设计方案。
下面描述设计时曾采用过的方案。
2.2.3数据传输方案
方案一：
采用线路直接连接进行数据传输，如图2-4所示。
该方案可以实现数据的传输，近距离稳定度高，系统结构简单，操作方便，维护也相对简单。
但是通过查看RS232的相关资料[2]，发现这个并不适合长距离传输数据，且需要通信两端共地，实际应用中，由于场地上双端至少需要间隔200米，距离太远，数据传输的误码率也会提高，故采用这种方式不太实际；
方案二：
采用红外进行数据传输，如图2-5所示。
图2-5红外数据传输原理图
红外传输一般由红外发射装置和接受装置组成。
为了使信号能更好的被传输发送，发送端将基带二进制信号调制为脉冲串信号，经红外发射管发射。
调制的方法有脉冲宽度调制（PWM）和脉冲串之间的时间间隔来实现的信号调制的脉时调制（PPM）。
该种方式的最大优点是不受无线电干扰。
但是，红外线对非透明物体的透过性较差，导致传输距离受限制，它应用的环境为：
短距离无线通信场合点对点的直接接线数据传输[7]。
方案三：
采用PT2262和PT2272进行数据传输。
简化如图2-6所示。
其传输距离较前面两种方案，有距离优势，但是其缺点是：
稳定性不高，抗干扰能力不强，一次性发送数据的长度有限（仅有4个数据位），这不能很好的满足本设计一次性需要传输的数据长度。
方案四：
采用XL03-232AP2无线串口模块进行数据传输。
由于本设计既要保证传输的距离又要兼顾一次性发送数据的长度，经过相关资料搜集，决定采用带串口的无线通信模块。
经查找的串口无线通信模块有：
MDDWIT2，传输距离15米；
CRM2400UNC2.4GRF模块，传输距离25；
带串口CC1100/CC1101模块传输距离大于200，只限于外界干扰较少的情况；
XL03-232AP2传输距离大于200，抗干扰性能较好；
经过在传输距离，抗干扰性能方面的对比，采用了XL03-232AP2。
其具有的优点有：
（1）设置方便，只需要装上参数配置模块连上电脑，设置好波特率以及数据格式就可以使用；
（2）连接线路简单，只需要一根导线将串口连接起来便可。
因此简化了电路的设计，同时也提高了数据传输的稳定性，减少了调试系统时的麻烦；
（3）功耗少，工作电压也很通用，用USB就可以驱动，从而给使用带来方便。
图2-6PT2262/PT2272数据传输原理图
2.2.4信号采集方案
（1）采用开关式的器件。
其结构简单，使用方便，变化时也就只有0、1（即通、断）状态，维护也方便，造价低。
缺点在于其受靶面机械结构设计的影响很大，对于靶面设计要求高；
（2）采用压力传感器[7]。
其对与靶面设计要求不是很高，能够很好地采集到弹着点的信息。
它的缺点是：
户外的环境，能够影响其正常工作的干扰作用因素很多，以至于在处理这些噪声，提高其抗干扰能力时，需要设计复杂电路去处理，同时维护也变得复杂，需要有专门的人员才能操作，因而不适合大众化使用。
2.2.5系统方案确定
随着无线串口数据传输技术以及功能电路的集成度不断提高，使得在应用无线串口传输技术时不必亲自再去投入大量的时间设计无线电路。
采用专门的模块极大地提高系统数据传输的稳定及可靠性，同时也提高了系统设计的工作效率。
鉴于对以上四个数据传输方案以及采集部分两个方案的对比分析，传输部分的方案四和采集部分的方案一最符合本设计要求。
2.3军用训练靶数字系统的组成
本小节描述军用数字训练靶数字系统的结构以及组成该系统各个部分的设计方法。
2.3.1军用训练靶数字系统结构
军用训练靶数字系统以MCS-8051单片机为核心构成单片机系统。
为了更好的理清设计思路，将整个系统细分为四部分加以说明。
其可以概括为：
（1）弹着点采集模块；
（2）主控模块；
（3）数据传输模块；
（4）弹着点显示（包括LED和电脑界面显示）处理模块。
图2-7军用训练靶数字系统框图
在本次设计中，使用的核心器件是单片机和数据传输模块。
为了保证整个系统可靠的运行，设计中必须明确四大部分的实际联系：
以单片机为中心，其他各大模块一一展开。
它们的联系如下：
（1）弹着点采集部分将子弹击中的位置反映出来；
（2）主控模块则对其他模块的运行进行控制；
（3）数据传输模块，是采集信号数据交互的通道；
（4）弹着点显示模块中的LED显示是此系统的外围电路，它不仅能够如实的反映子弹击中的位置，显示出射击者的射击成绩，而且该系统还提供了方位的显示；
（5）电脑显示方面，作为给指挥监督人员观察全场情况的界面，除了将靶场射击的情况反映到电脑情况上之外，还加入了子弹射击的声音，每次子弹击中靶子的时候，便会发出枪响，使得指挥督查人员在室内也能感受到靶场的气氛。
系统框图如图2-7所示。
下面就对各个模块的功能以及实现形式作简单介绍。
2.3.2系统各个模块功能描述
（1）采集信号模块
采集信号模块，本设计采用按键来模拟被切割后的靶环。
每个按键代表着靶环上对应的块。
采集信号电路安装在靶面的后面，每次子弹击中靶环时，相应的块就会被子弹压下，这正好与按键的工作原理是一样。
这时按键就会产生出一个信号，并由单片机将这个信号采集处理。
每个按键被编排上一个ID，子弹每次击中的时候就能很好地区分是哪个部位被击中。
其电路原理图2-8所示，接线图如2-9所示。
（2）主控模块
它主要功能是处理采集模块传来的信号，完成对采集信号的干扰处理，然后通过编程对数字信号的处理来控制外围电路及显示电路。
传输时，数据通过51单片机的串口到达XL03-232AP无线传输模块，再到接收端的51单片机，完成数据解码，得到将要显示的信息，完成主控模块的主要功能。
图2-8信号采集原理图图2-9信号采集接线图
（3）显示模块
此模块分为数码管显示以及电脑界面显示。
数码管不仅显示了单次射击成绩，总的射击成绩，而且还加入了方位的显示，这也是本设计的一个创新点。
电脑界面显示采用Vc界面编程技术制作，在继承数码管的显示功能外，还在此基础上做了更为细致的方位显示，以及更为形象的数据显示。
（4）数据传输通信部分
数字通信部分主要完成一个数据传输的工作。
不论是在系统的发送端，还是在系统的接收端，数据都是通过这个通道来实现数据的传输控制。
该部分主要采用串口通信技术，完成数据的串行通信（这其中包括单片机之间的数据通信以及单片机与电脑之间的数据传输），同时采用XL03-232AP模块来实现无线数据的传输。
至此，本系统四大模块功能和设计思路已经确立，下文将介绍整个系统的详细设计过程，并且给出设计电路。
3军用训练靶数字系统硬件电路设计
本章将介绍本设计中用到的一些基本知识、所选芯片的工作原理以及相关硬件电路的设计。
系统设计中主要用到的器件有：
MCS8051、XL03-232AP无线传输模块，LED数码管，MAX232芯片等。
为使该系统能够正常工作，系统设计了振荡回路，复位电路，采样电路，显示电路，RS232接口电路，电源电路等。
同时为提高本系统硬件的稳定性及抗干扰能力，在PCB布局布线的时候也注意了相关的问题，同时在硬件及软件设计的方面也进行了相关的处理。
3.1设计该系统硬件需要具备的知识
下面简单介绍本设计应用到的基本硬件和软件知识。
硬件设计用到的知识主要有：
模拟电子技术、数字电子技术、单片机编程技术、串口通信技术等。
在模拟电子技术方面，主要用来设计51单片机的振荡电路，复位电路和驱动LED数码管以及串行接口的电平转换电路等；
数字电子技术用来了解单片机工作的机制以及I/O口的数据信息；
单片机编程用来实现数据的处理；
串口通信技术用来实现系统中的数据传输。
3.2相关功能模块设计
本小节中介绍系统中各功能模块电路设计方法，其包括：
采样模块设计，电源电路设计，复位电路设计，显示电路设计，通信接口设计。
下面对其一一介绍。
3.2.1采样模块设计
图3-1靶面结构编码图
根据靶面情况的特殊性，采用特殊编码形式，如图3-1所示。
开始时采用传统的键盘编码方式去实现靶面编码以方便数据的采集，先发方位的信息，确定后再发环数的信息。
其存在一个问题：
这样传输数据的速度很慢，而且容易出错。
然而采用XL01-232AP2模块后，其可以一次性发送很长的数据。
那么就可以考虑模仿其发送数据的编码方式，在其前面加上一些头信息，即在每次发送的环数信息前面加上其方位的信息，这样就可以一次性地将环数以及方位信息全部发送过去，既减少了出错的几率，也提高了传输数据的速度，从而使系统能更快采集和处理靶面情况。
本设计对靶面采样时的编码处理为：
将靶面按照其结构去编码,格式为：
前面一位代表方位信息，后面一位代表环数信息。
比如“19”中的“1”代表其方位为“1”，其环数为“9”，其中“1”表示的方位可以由自己去定义，比如左上15度，右上20度等。
处理其它按键时，参照这种方式处理，就完成采集信号的编码。
由于十环信息不存在多方位，所以对其进行特殊处理，详细请参看附录1或2的程序。
为了接线方便方便，设计时这样考虑，将靶面展开成为矩形，如图3-2所示。
单片机中P0，P1，P2以及P3口都能用于和采集模块进行连接，由于P0口需加上拉电阻，增加了系统的复杂度，故采用P1口和采集模块进行连接；
同时P0只有8个端口，能表示16个按键，而系统需要19个，这就需要将端口扩展到P2口，P1口、P2口一起扫描。
这样处理可以很方便地和按键设计的规律结合起来，同时也方便了接线，假如没有这个小细节的处理，那么则只能给编码带来方便，而实际操作的时候却会造成很多的麻烦，这是设计所不希望看到的。
图3-2靶面编码展开图
3.2.2电源电路设计
本次设计中应用的电源为+5V直流源。
电源电路如图3-3所示。
为了方便硬件调试以及使用，设计时采用USB接口提供硬件电源。
下面对USB供电做简单介绍。
由于通信模块对电源的质量要求比较高，故在使用USB接口的时候要加去耦电容，电容使用47u的电解电容。
为了观察的方便，再加上一个发光二极管和限流电阻。
图3-3USB供电示意图
3.2.3复位电路设计
复位是单片机的初始化操作。
单片机启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
在本系统设计中还兼有显示的数据清零的功能，便于重新计数显示。
单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。
当MCS-5l系列单片机复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作[18]。
如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。
复位操作通常有两种基本形式：
上电复位和上电或开关复位。
图3-4所示上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作，其电容和电阻对电源+5V来说构成微分电路。
上电后，保持RST一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能达到上电复位的操作功能。
图3-5中电路上电时，RST端为低电平。
当单片机已在运行当中时，按下复位键后电容被短接，之后再松开按键，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现开关复位的操作，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。
复位电路参数的选择，应能保证复位高电平持续时间大于两个机器周期[1]。
根据实际操作的经验，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。
图3-4上电复位电路图3-5按键复位电路图
图3-4中：
Cl＝10-30uF，R1＝10k；
图3-5中：
C：
＝22uF，Rl＝lk。
3.2.4显示电路设计
本设计中使用P0.0—P0.7控制共阴数码管的动态显示显示数字，用于显示子弹击中的环数以及方位，采用P2口作为数码管的位选端，去控制其显示的选通。
其显示功能主要是通过软件编程实现。
使用数码显示器的第一到三位显示总成绩，接下来的位显示单次射击成绩，最后面一位用来作为方位的显示。
显示过程采用扫描显示，由于数码管扫描得很块，超过来了人眼的察觉，所以看不到其是在轮流显示，而是“一直显示”。
这里需要注意：
实际设计该电路时如发现数码管显示较暗，可以对其加上拉电阻1k，这样便能很好得解决该问题。
显示电路如图3-6所示。
同时MCS8051单片机是8位机，在显示模块中显示弹着点的数字有19位，故若要显示正确，还需要在软件系统中对数字进行处理，这样才能够正常运行。
图3-6数码显示管与单片机的连接图图3-78051的封装管脚图
3.2.5通信接口设计
经资料的整理，设计串口接口电路如图3-8所示。
其中C3、C4、C5、C6的电容分别为1uf。
C1+和C1-之间接一个电容，C2+和C2-之间接一个电容，V+和电源之间接个电容，V1-和地之间接个电容。
T1IN接到8051的RXD，R1OUT接到TXD。
需要注意的是：
MAX232的地一定要与8051的地接到一起，否则在数据通信时就会出错。
同时R1IN接到DB9头的2脚，T2OUT接到DB9的3脚。
图3-8串口接口设计原理图
3.3相关设计原理介绍
本小节中将对系统设计时使用到的一些原理进行介绍，其包括：
主控电路原理、显示电路原理、计算机串口通信的接口说明。
3.3.1主控电路原理
主控电路中，以8051单片机为主体，通过其分析采样模块得到的信息，去处理以及传输数据。
8051的封装管脚如图3-7所示。
其并行I/O接口有P0、P1、P2和P3共四个，它们都是8位并行端口。
它们都是双向通道，每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。
作输出时数据可以锁住；
作输入时数据可以缓冲。
但这四个通道的功能不完全相同。
其中，P0口是地址/数据复合总线，它用于传送低8位地址A0～A7；
也用于传送数据D0～D7。
P2口是高8位地址A8～A15的地址总线，但也可作一般的I/O口。
P1是一个纯I/O口，它只用于数据的输入输出。
P3是控制信号及I/O信号复用口，它除了用作I/O口之外，还用于传送控制信号[1]。
P3口对应引脚用于控制信号时的情况如表3.1所示。
3.3.2显示电路原理
现在很多的显示都是用LCD液晶显示，但是出于对现场以及实用性的考虑，数码管已经满足了本设计的需求，而且其造价也较低，所以选用此种方式。
（1）LED的结构原理
八段LED显示管有八只发光二极管组成，编号是a、b、c、d，e，f和dp，分别和同名管脚相连。
在给每个二极管通电后，二极管发光后表示要显示的数字的一部分，当组成这个数字的所有二极管都发亮时，才能正确的显示这个数字。
8段LED的段码如表3.2所示。
（2）LED显示器工作原理
由N个LED显示块可以接成N位LED显示器。
N个LED显示块有N根位选线和8*N根段选线。
根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方法也各不同。
段选线控制显示字符的字型，而位选线为各个LED显示块的公共端，它控制该LED显示位的亮，暗。
同一时刻，如果各位位选线都处于选通状态的话，各位LED将显示相同的字符。
表3.1P3口的引脚功能
引脚信号
控制信号
说明
P3.0
RXD
串行数据输入
P3.1
TXD
串行数据输出
P3.2
INT0
外部中断0
P3.3
INT1
外部中断1
P3.4
T0
定时器0输入
P3.5
T1
定时器1输入
P3.6
WR
写存储器信号
P3.7
RD
读存储器信号
若要各位LED能够显示出与本位相应的显示字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只要让某一位的位选线处于选通状态，而其它各位的为选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字符的段码。
虽然这些字符上在不同时刻出现的，而且同一时刻，只有一个位显示，其他各位熄灭，但LED显示器的余辉和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的目的。
表3.27段LED的段码
显示字符
共阴极段码
共阳极段码
3FH
C0H
C
39H
C6H
1
06H
F9H
D
5EH
A1H
2
5BH
A4H
E
79H
86H
3
4FH
B0H
F
71H
8EH
4
66H
99H
P
73H
8CH
5
6DH
92H
U
3EH
C1H
6
7DH
82H
T
31H
CEH
7
07H
F8H
y
6EH
91H
8
7FH
80H
H
76H
89H
9
6FH
90H
L
38H
C7H
3.3.3计算机串口接口说明
本设计使用的是RS-232C串行通信接口标准。
它适合于数据传输速率在0～20000b/s范围内的通信。
这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。
（1）接口电气性能与电平转换
电气性能
EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定[2]。
在TxD和RxD上：
逻辑1=-3V～-15V，逻辑0=+3～＋15V。
电平转换
EIA-RS-232C与TTL转换：
EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。
因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。
实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。
目前较为广泛地使用集成电路转换器件，MAX232芯片可完成TTL←→EIA双向电平转换，本系统中由于要进行片机和电脑之间的通信，因此在串口与其接口部分即采用MAX232作为电平转换，图3-10显示了MAX232管脚图。
（2）接口机械性能
图3-9连接器机械特性图3-10MAX232管脚图
连接器：
由于RS-232C并未定义连接器的物理特性，因此，出现了DB-25、DB-15和DB-9各种类型的连接器，其引脚的定义也各不相同。
图3-9分别介绍两种连接器。
系统采用DB-9，故本文中只介绍DB-9的机械性能。
它提供异步通信的9个信号。
下面就系统使用到的接口信号进行说明：
数据发送与接收线
发送数据（Transmitteddata-TxD）——
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