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电子靶游戏机的设计论文本科论文

学号：

常州大学

毕业设计（论文）

（2012届）

题目

学生

学院专业班级

校内指导教师专业技术职务

校外指导老师专业技术职务

二○一二年六月

电子靶游戏机的设计

摘要：

本系统采用以单片机为核心制作的具有娱乐性质的电子打靶游戏机系统。

它能在设置好的时间段内进行有一定效率的打靶游戏，目标在一定的时间间隔内会无规则移动，当激光枪打中目标时计分，并累加后实时显示。

本文在娱乐型激光打靶机的结构基础上，完成了整个系统的硬件设计及软件开发。

电子打靶系统分为激光枪和靶机两个部分。

激光枪由按键输入、激光控制、单片机等组成。

靶机由传感器、靶位指示、数码管显示、键盘输入等组成。

电路的基本功能与操作方法：

运行程序后，10个LED从LED0-LED9随机点亮，然后，通过按键Keys来“打中”对应的LED。

当“打中”的时候，数码管显示计分。

实践表明，所设计的电子打靶游戏机使用方便灵活，具有单发和连发功能，并且难度系数可以设置，系统稳定可靠。

若对实物进一步人性化改造，产业化前景必将相当可观。

关键词：

单片机AT89C52；传感器；显示器；数码管

Electronictargetingthedesignofthegame

Abstract：

ThispaperintroducedanentertainingelectronictargetpracticinggamemachinewithSCMasthecornunit.Wecanplayshootinggamewithinthetimesetbythesystem.Ifthelasergunhitthetargetwhichmoveswithoutrulesinaperiodoftime,thecumulativescorewillbeshowedinthemonitor.Thispapercompletedthedesignofhardwareandsoftwareonthebasisofentertaininglasershootingmachine.

Electronic target practicing system composed by laser gun and target drone. Laser gun ha-s automatic or single-fire system, input by key, laser control and single-chip microcomputer etc. Target drone has sensors, instructions, digital tube sites display, keyboard input, etc. The basic function of circuit and operation method:

 run the program, the 10 LED light randomly, and then, "hit" the corresponding LED through the button Keys. Digital pipe displayed graded when the LED was hit.

Practice showed that the electronic shooting game machine was flexible and stable. You can choose automatic or single-fire function and set the degree of difficulty. The development prospect of it will considerable if we transform the real ting friendly.

Keywords：

MicrocontrollerAT89C52；sensor；display；digitaltube

1绪论

1.1课题的开发背景和研究意义

激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门高新技术，经过40多年的发展，从机理原理、实验手段到制造工艺都已逐步成熟，受到各大军事强国的重视，未来有望成为军事技术最活跃的一个领域。

激光有如下重要特性：

高亮度，强激光的亮度比太阳表面亮度高出百亿倍，这样的亮度是普通光源无法比拟的；方向性好，激光束的发散角很小，发射的距离远；单色性好，激光的波长范围很窄，是目前最好的单色光源；相干性好，激光具有时间和空间相干性，是近乎理想的相干光。

由于激光的上述特点，激光技术在军事领域得到广泛的应用。

研制激光打靶射击训练器并装备到连队，对于减少国防开支，提高军事训练水平，实现国防现代化，军事训练智能化等均具有重要的现实意义。

目前，新兵射击训练主要分为瞄准和实弹射击两个部分，瞄准训练的周期较长，实弹射击由于受到场地和条件的限制，训练组织工作量大，牵扯到场地、警戒、安全等诸多环节。

常规打靶训练一年只有一次，加上年终考核只有两次实弹打靶机会，达不到很好的训练效果，实弹射击的成本也较高，为此我们设计了一套自动步枪激光模拟射击训练系统，成功地解决了上述问题，它具有安全、简便、射击精度高、弹着点实时显示、成绩统计等功能。

本文在娱乐型激光打靶机的结构基础上，参照国内外设计方法和部队的实际需要，完成了整个系统的硬件设计及软件开发，改变了结构和功能，较好地实现了靶机与激光枪部分的分离。

设计了一套可独立使用的激光发射系统和接收靶系统。

打靶游戏机采用可循环重复使用的安全环保的电子爆炸声源和电光技术，不伤人，不起火，不污染环境。

代替火药“声光弹”，使射击枪支在射出电光的同时产生真枪相同的爆炸声音，并产生轻度后坐力，具有和真枪相同的打枪感受。

目标靶为一个固定闪光靶，靶面由3个LED小灯组成，游戏者只要射中靶面就能听到悦耳声音，实时看到自己的射击成绩。

打靶游戏机的出现可使普通百姓体会到打真枪的真实感受，使游戏射手检验和练习打枪的技能。

进一步完善后，也可用于军队和警察士兵的射击训练，也可用于射击运动员、军训做粗级射击练习

本文主要介绍了靶枪分离型激光模拟训练器的硬件结构及主要的软件设计方案。

1.2国内外激光打靶系统的研究现状和发展趋势

1.2.1国外的研究现状

随着高科技技术特别是光电技术的不断发展，世界各国的军事系统都在从机械化向信息化转变。

高科技的迅速发展以及在军事领域的应用，不仅增加了部军事训练的紧迫性，而且也给军事训练提供了一批先进的训练手段。

这些先进的练手段不仅能增强军队训练的吸引力和感染力，激发军人的主动性和创造性，而且也丰富了实现人和武器结合起来的形式，大大提高了部队军事训练的质量。

目前，来自总参谋部的信息显示，随着一批大型合同战术训练中心的建成并投入使用，我国各军兵种的军事训练已经初步实现基地化，一支支现代雄师正在这些“模拟战场”中接受近似实战的洗礼。

随着科技练兵的深入，模拟化训练呈现出快速增长之势。

由计算机网络构成的“战争实验室”把未来战场搬进了虚拟的数字空间：

在这些由大量数字模型组成的“战场”里，能够对陆、海、空、天、电五维空间的作战行动进行仿真模拟。

据专家介绍，与耗费巨大的实兵演习相比，计算机作战演练对和平时期培养军事指挥员有着极为重要的意义。

“不耗一枪一弹，亦可身经百战”。

在最高军事学府国防大学，近几年来，参加一场网上联役演习，己成为将军学员们毕业前必须完成的作业。

从战术模拟到战役模拟，从装甲车驾驶到战机、战舰操作，越来越多的训练模拟系统被用于全军各军兵种、各种专业、各个层次的训练。

仿真模拟器材正逐步形成系列，成为提高官兵军事质的重要手段。

网上训练、网上演习、网上办公在加速机械化建设的同时，人民解放军信息化建设也开始以强劲的势头起步：

局域网在军营中大量涌现，连接着大江南北千百座军营的全军军事训练信息网，在训练中发挥着越来越重要的作用。

我国正朝着模拟训练这反面发展。

伴随着激光技术的发展，模拟作战技术在世界领域得到了飞速的发展，相继出现了很多激光模拟训练系统。

国外的军事界人士认为，这种新型的部队模拟训练系统，是部队训练器材和训练样式的一次革命，是和平时期部队训练的有效手段之一。

因此，国外一些发达国家，如美国、俄罗斯、英国、德国、瑞士等都在进行自动步枪激光射击模拟训练器材的研制，并己开发出多种系列产品，特别是美国的“米勒斯”系列可模拟36种武器，性能好、精确而且逼真，大大推动了部队的训练工作。

美军70年代就研制出了基本激光军训系统，它是一种多元一体化激光交战系统（MILES），利用装在来复枪、坦克、直升机或其他武器平台上的激光器模拟子弹、炮弹，利用传感器进行接收和处理，模拟效果逼真，安全可靠。

80年代末期发展为MILESII，当MILESII与模拟区域武器效应（SAWE）系统一起使用时，直接开火和间接开火结合可进一步扩展模拟的范围。

MILESII／SAWE还可以通过全球定位系统（GPS）把所有士兵、车辆和武器连在一起，模拟诸如大炮、化学制品和地雷等区域武器的效应。

俄罗斯最近推出了一种最新型的激光模拟射击装置，这种9巾838型射击和杀伤激光模拟器主要供排级部队使用，是俄罗斯仪表制造业的最新科研成果。

新型激光射击模拟器的使用能够帮助陆军步兵部队和特种部队在较短时间内解决高质量、高效率射击训练和战术培训任务，保障战斗训练效率提高15—20％，能够保障使用激光束完全模拟射击情况，创造最大程度上接近实战的训练环境，可在各种演习中得到广泛使用Ⅲ。

此外，在模拟打靶系统领域还出现了一种一虚拟现实技术为基础的训练模拟技术，与激光模拟技术一起，为军事走向高科技化道路开。

1.2.2国内研究现状及发展趋势

自从上世纪末开始，我国提出了“科技强国”的口号，“科学技术是第一生产力”已经渗透到生活中的方方面面。

而强国就要强军，加强军队建设也是目前世界各国的保证国家安全和领土完整的首要任务。

军队建设离不开科学技术的发展，正是有了科学技术的不断发展才促进了军事建设的进一步提高。

在新世纪初，我军更应该坚持党当对军队的绝对领导，坚决听从以胡锦涛同志为核心的党中央、中央军委的命令和指挥，用邓小平理论武装全军，以三个代表要求全面加强部队建设。

军队的建设是建立在军人素质不断提高的基础上的，因此，如何提高军人在日常军事训练中的训练效率成为目前军事科技领域研究的一个热点。

即尽可能地实现军队训练科技化、智能化和高效化。

其中，进行军事射击训练是军队日常训练中的一个非常重要的环节，严格而又规范的军事训练是打赢高科技局部战争的必要条件，也关系到国家的国泰民安，所以寻找一种高效的训练方法是非常必要的。

打靶训练是部队训练中的一项必要的训练项目，而目前的训练体系以实弹训练为主，往往由于费用开支大而限制了训练强度，而且在管理上也有较大的难度。

如果能设计出一套模拟打靶系统，使之既能保证部队训练强度又能减少弹药消耗，激光打靶是一种较为可行的方法。

因为实弹射击训练虽然真实，但耗弹药量大，又存在一定危险，而用准直的激光束代替枪炮的轴线和实弹，瞄准和射击靶，不但能有效地提高训练人员的打靶水平，还可以大大节约弹药。

射击训练的目的，不外是使士兵能用精确的方法熟练操纵武器和训练士兵在战斗中准确地对靶瞄准和射击。

随着激光技术的不断发展，将激光应用在模拟训练中成为一个最为常用的方法，因为和实弹相比，激光弹有着它特有的优点，比如它可以使得训练更加简练，武器装备的开支也会相对减少，训练效果也具备明显的精确度。

所以，它一出现便显示出强大的生命力，是部队训练器材的一次革命，是和平时期部队开展训练的有效手段之一。

美国、英国、德国、瑞士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，极大地推动了部队的训练工作。

虽然目前国内外已经相继出现了很多种类似的产品，而且在军事训练领域内这些产品也发挥着非常重要的作用，但是无线射击模拟系统的发展还依然处于起步阶段。

另外，在国际范围内，由于这些技术可能涉及到一个国家的国家机密，因此，这些技术在发展的过程中还存在着很多障碍。

首先是没有语音自动报靶功能。

射击靶处需要有专门的人来进行成绩统计。

由于人为的种种干扰因素，这种人工报靶的方式越来越不适应军队的训练要求。

二是没有射击结果记录、存储以及显示功能。

检测靶上将会记录下所有参加训练射手的射击痕迹，根本无法区别射手的射击情况，因此指战员无法对战士提出有针对性的训练指导方案。

三是固定靶射击问题。

现有的训练系统是靶枪一体，也就是它们之间依靠专门的控制传输线来进行有线通讯，非常不方便，且不能够完成移动靶射击训练。

四是由于机械系统具有磨损性，长期使用会逐渐加大系统的误差，缺乏稳定性，精度不高可靠性差。

以上训练器材的不足，影响了战士平时的训练积极性，大大降低了训练水平。

因此，很有必要研制出一种新型的无线模拟打靶训练系统来解决现有的这些问题。

1.3打靶系统问题的提出

在日常生活中，单片机的应用相当广泛，纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。

以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。

在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。

这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。

所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。

打靶系统具体实现内容：

（1）采用电子活动靶，用LED指示目标位置，目标以一定的时间间隔无规则移动，紧靠每个目标有光敏元件接收激光枪击发的激光信号，当激光枪打中目标时计分，并累加后实时显示。

激光枪设有单发和连发功能。

（2）用开关模拟扳机，当扣动扳机时，应能定向发射激光，有效距离6~8m，光线到达目标点，有效范围不大于Ф15mm。

扣动扳机一次，发光时间不超过200ms，在扣动扳机时，能发出模拟枪声。

激光电池用2节5号干电池供电。

（3）电子活动靶有10个可能目标，目标停留时间约2s，目标用发光二极管指示，在其相邻处有一个光敏三极管，两者中心距离不大于7mm。

当击中目标时，发出信号声音，时间1s左右。

（4）每次打中目标，计1分，并用七段LED显示，最高分为999分。

（5）打靶时间0~30min可设定，步长为1min，当设定时间到，停止计分，并发出相应的声音。

2课题总体设计与核心部件选型

2.1电子打靶系统介绍及其基本原理

所谓电子打靶就是采用电子活动靶，用LED指示目标位置，目标以一定的时间间隔无规则移动，紧靠每个目标有光敏元件接收激光枪击发的激光信号，当激光枪打中目标时计分，并累加后实时显示。

激光枪设有单发和连发功能。

打靶是按一定规则对设置的目标进行射击，以检验射击训练成效，提高射击技术。

激光打靶游戏机是一种集激光射击、语音和技术报靶于一体的打靶系统，其精确的报靶和超高的仿真性赢得了市场和专家的高度评价。

激光打靶机以投资、训练和维护成本低、训练效果好及安全性等特点，赢得了市场的广泛关注。

激光电子靶系统，是利用图像处理技术、计算机技术，无线传输技术，模拟仿真技术等为基础的新一代高科技产品。

通过计算机时实图像处理，自动计算打靶成绩，不用人工观察统计。

系统由激光枪信号和数码管自动报靶，并自动显示每靶位成绩（得分）。

产品具有对环境适应性强，成本低，精度高，无伤害，安装调试方便等特点。

可用于标准胸环靶，手枪靶的模拟射击训练[2]。

2.2电子打靶游戏机的总体方案论证

2.2.1方案一

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是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。

打靶的成绩由激光所击中的光电探测器的编号来判定[3]。

激光发射系统的主要信号处理过程包括：

按键输入，单连发选择，单片机控制，激光控制等。

如图2.1所示。

图2.1激光发射框图

信号由光电探测器检测后传送到相应的放大电路。

按原先对光电探测器的编码规则对信号进行采集。

数据处理由AT89C52单片机实现。

AT89C52单片机的程序，使用keil编译器进行设计和调试完成，其主要功能是键盘输入、系统设置、目标指示、信号处理及显示。

该信号处理系统实现了对信号的良好检测。

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。

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；探测器无法移动会导致模拟精度不高；要使探测器移动会使得价格昂，无法推广；只能粗略指示命中与否，会有误差。

因此，我们拟从这些方向作进一步的研究探索。

这个设计采用半导体激光器和光敏二极管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打靶结果。

该系统简单实用，既能保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。

该设计方案采用了模块化的设计思想，将各个功能部件采用模块堆建，主要是以AT89C52单片机为核心组成的一个系统，它控制其他模块来完成各种相关的操作，首先激光枪选择它的单发连发装置（用短路冒来控制），选择单发就按一下扳机，是连发则一直按着扳机，激光枪的电信号则传递给了单片机系统，再转换成激光信号从枪口传递出去，单发用单片机的高电平来控制，连发则用方波来控制。

单片机打靶系统是由AT89C52控制的模拟设计，主要包括键盘模块，流动LED靶模块，数码管显示模块，传感器等。

如图2.2所示。

图2.2靶机主控机框图

控制电路的具体功能与操作方法：

运行程序后，数码管显示000，LED模块的10个LED从LED0-LED9（D0-D9）依次对应10个键盘K0-D9。

在2S内，10个LED随机点亮，然后，接到来自激光枪的信号后通过按键KEY来“打中”对应的LED。

当“打中”的时候，相应的LED号用数码管显示。

例如，当LED3（D3）亮的时候，正好按下了K3，表示“打中”，并用数码管显示打中键号，否则表示“未打中”。

2.2.2方案二

555枪声发生器电路由主振荡器和调制振荡器两部分组成，IC2与R3，R4及C4组成主振荡器，作为枪声效果发生器[4]。

如图2.3所示。

图2.3靶机主控机框图

ICI与R1、R2、RP及C1组成调制振荡器，作为发射枪弹数效果发生器。

在lCI输出脉冲的高电平期间，VD2导通为C3充电，并使枪声效果振荡器起振，发出枪声效果声。

当lCI输出脉冲变为低电平后，VD2截止，此时C3上的残存电荷会使lC2维持短时振荡。

但由于C3在放电过程中两端电压呈逐渐下降趋势，发出的声响由强逐渐变弱，其声响效果酷似枪声。

在lCI输出脉冲的每一个脉冲周期，都会出现这样一个由强到弱变化的声响，即模拟出枪声的效果。

调节RP可以调节枪声的起始点，使发出的模拟枪声更逼真。

调节R4的阻值，还可模拟出小鸟或小鸡的叫声。

用555定时器做电子靶模块，它由光敏管VT2（3DU5）放大器，IC2（VT303）单稳态延时电路及继电控制电路组成。

VT303是具有内部放大、计数选能功能的CMOS集成电路。

当VT2收到红外光脉冲信号后，经放大、计数、选通、延时后，13脚输出高电平，使VT3饱和导通，继电器K吸收，接通声光电路或显示牌的电源，发出声光信号，以示靶盘被击中。

如图2.4所示。

图2.4激光发射器框图

2.2.3方案三

用中小规模数字集成芯片TX06A电路来实现，用来进行单束光发射于接收模块组件。

TX06A-T发射的是经过密码调制的单束连续点段激光，而在TX06A-R接收模块有含有相应的解码模块，因此验证了该器件具有高度可靠性与极强的抗外部干扰能力。

其中CP信号由NE555设计而成，其产生时的时钟脉冲送至单脉冲发生器，从而使其产生一单脉冲信号并输出（若触发它），单脉冲信号送至激光驱动器，触发其产生一束激光。

激光若打在光靶接收电路的光敏电阻上，就会有一变化电信号送至电子打靶系统。

当激光发射到芯片TX06A时，其将光信号瞬间改变为变换的电信号此信号经整形放大后，再经过芯片4N25最后计分并产生声音信号[5]。

如图2.5和2.6所示。

图2.5靶机主控机框图

图2.6激光发射器框图

经过对比以上方案，考虑到方案二和三设计比较复杂，用proteus仿真困难大，而方案一采用模拟方式，可用编程的形式实现模拟控制，电路原理图设计结构简单。

最后决定采用方案一设计实物和proteus仿真。

该设计主要难度为集中在软件的设计以及对单片机的应用了解。

电子打靶系统有5部分构成：

（1）数据采集模块，实现电子打靶的各类数据的采集，如照度信息，人体活动信息等，是控制器核心部分。

（2）信息处理模块，用单片机作为信息处理单元，实现对数据的采样及数据分析运算，并发出控制指令。

（3）光电传感器模块，光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。

（4）控制单元，控制单元主要由两个按键，LED灯组成，实现对灯亮灭的控制和时间的设置。

（5）显示模块，由数码管和三极管组成，在七段LED上显示分数。

在图1.1和1.2中，包含光电传感器、数码管显示、按键、主控电路（由AT89C52单片机以及一些外围器件构成）、流动LED靶模块、电源模块等。

该设计方案采用了模块化的设计思想，将各个功能部件采用模块堆建，主要是以AT89C52单片机为核心组成的一个系统，它控制其他模块来完成各种相关的操作，将科学技术与实际生活相结合。

该节电子打靶系统设计原理新颖，硬件电路简单，有很好的控制效果。

该系统以单片机MCU为核心控制，它利用了传感器自动检测技术，能够在目标以一定的时间间隔无规则移动时，紧靠的每个目标都会有光敏元件接收激光枪击发的激光信号，打中目标计分然后累加显示结果。

选择该方案的依据主要是这个方案的各个部分分工比较清晰，流程也很容易看明白，方便从中检验错误，可以很好的实现预期的设计要求和设计功能，同时也简化了设计电路的开发，降低了成本，也有利于后期系统的维护和升级。

2.3靶机的设计

2.3.1单片机模块

8051单片机是INTEL公司在成功推广的MCS-48单片机基础上加以改进而成的8位单片机。

这种单片机大约是上世纪70年代末推出的。

到了90年代，INTEL公司把精力放到更赚钱的计算机上，将51单片机技术转让给了一些其它公司，如ATMEL，Philips等半导体制造公司，使51系列单片机的市场份额不断扩大。

尽管十多年前就有人认为51单片机会很快淘汰，但事实证明51单片机经过不断的改进后，由于技术成熟，使用方便，至今在8位单片机市场仍然拥有庞大的用户。

特别是8051技术的20年专利期限到期后，大量的兼容型号不断推出[6]。

从上世纪90年代后期开始，美国ATMEL公司在掌握快速擦写的存储器后，推出了AT89C52系列，此系列在中国获得了广泛的应用。

AT89C52是可在板上直接下载程序的改进型号，AT89C52只能