有源光幕靶传感器设计.docx

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有源光幕靶传感器设计

毕业设计论文

有源光幕靶传感器设计

DesignofActiveScreenTargetSensor

阎彦铭

吉林建筑大学城建学院

2016年6月

毕业设计论文

有源光幕靶传感器设计

DesignofActiveScreenTargetSensor

学生：

阎彦铭

指导教师：

衣文索（副教授）

专业：

电气工程及其自动化

学号：

1209000133

所在单位：

电气信息工程系

答辩日期：

2016年6月

毕业设计（论文）原创承诺书

1．本人承诺：

所呈交的毕业设计（论文）《有源光幕靶传感器设计》，是认真学习理解学校的《电气信息工程系毕业设计写作规范》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。

2．本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。

3．在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。

4．本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。

以上承诺的法律结果将完全由本人承担！

作者签名：

年月日

摘要

在兵器研制和生产过程中，经常需要用到子弹的速度这一数据，光幕靶是一种以光电转换技术为基础的子弹区域速度截取测量的装置。

因为光幕靶具有测量精度高，安装简便，成本低等优点，已经逐渐成为军事上靶场测量经常用到的测量工具。

本文介绍了有源光幕靶传感器的设计。

光幕靶使用光幕传感器来检测。

具体原理为使用光幕传感器作为信号接收元件，使用单片机进行总体控制，信号调理电路实现信号放大滤波等功能，处理后的弹形信号一路接入触发电路，一路接入数据采集电路，采集到的数据通过显示系统显示出来，实现了有源光幕靶弹丸速度的测量。

有源光幕靶传感器系统主要包括单片机控制电路、光电检测模拟信号采集电路、前端信号处理与A/D转换电路、电源接口电路和显示系统电路。

本文介绍了各个电路模块的设计和原理，同时设计了软件程序，通过仿真进行了验证，达到了设计要求。

关键词：

光幕靶；光电转换；传感器；单片机

ABSTRACT

Intheprocessofweapondevelopmentandproduction,oftenneedtouseabulletvelocitydata,thescreenisabulletvelocityregioninterceptingmeasurementdevicebasedonphotoelectricconversiontechnology.Becauseofthelightscreenhastheadvantagesofhighmeasuringprecision,convenientinstallation,lowcostadvantages,hasgraduallybecomemilitaryshootingrangemeasurementsareoftenusedinmeasuringtool.

Thispaperintroducesthedesignofactivescreensensor.Theuseofsensorstodetectscreenscreen.Specificprinciplesforusinglightcurtainsensorassignalreceivingelement,theuseofsingle-chipcontroloftheoverall,thesignalconditioningcircuitforsignalamplificationfilteringandprocessingafterthebulletshapedasignalpathisconnectedtotriggercircuit,onepathisconnectedtoadataacquisitioncircuit,thecollecteddatathroughthedisplaysystem,realizetheactivescreenprojectilevelocitymeasurement.

ActivescreensensorsystemmainlyincludestheMCUcontrolcircuit,aphotoelectricdetectionofanalogsignalacquisitioncircuit,frontendsignalprocessingandA/Dconversioncircuit,apowerinterfacecircuitandthedisplaycircuit.Thispaperintroducesthedesignandprincipleofeachcircuitmodule,atthesametime,thesoftwareprogramisdesigned,thesimulationisverified,andthedesignrequirementsareachieved.

Keywords：

LightScreen；PhotoelectricConversion；Sensor；Singlechip

第1章绪论

1.1课题研究目的及意义

光幕靶是一种使用人工光源的光电靶，主要作为为轻武器室内射击的测量仪器，为达到指定要求精度基线的测量，误差不得超过规定的数据，因此测量精度非常精确。

光幕靶因其成本不高、操作简单、测量精度高、运行稳定等优点，在测量弹道速度、弹丸密集度等方面得到广泛应用。

现阶段光幕测试设备在内部部件存在种种缺陷，阻碍了光幕测试技术的发展进度，因为光幕靶内的传感器是其重要器件，因此对有源光幕靶传感器进行设计，为光幕测试设备实现奠定基础，以满足武器装备研发和生产时的测试需求[1]。

近年来，由于各国军事力量发展迅猛，中国轻武器的发展日益受到重视。

光幕靶测量采用了非接触测量，这种测量方法采用了光电转换原理，因此测量精度要比其他测量仪器要好。

在20世纪80年代我国研制出了第一代光幕靶，在武器范围及速度测试领域，研究人员尝试建立准测速基系统，该系统正是利用了光幕靶测试精度高的特点来完成的，经过近20多年的发展，光幕靶已经渐渐替代了其他弹丸速度的测量方法。

结合国内在光幕靶领域的研究成果重点总结有源光幕靶传感器技术，分析解决传感器问题的设计和实施效果，对现如今的热点进行研究，对该研究内容的发展进行展望，具有重要的研究意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

在60年代初期丹麦的一家电子工业公司研制出了测速雷达弹道分析系统，之后推出了DR513测速雷达，70年代初这家电子工业公司又对DR513测速雷达进行了改进，研制出DR810测速雷达。

70年代初美国利尔·西格勒公司制造出了初速测定雷达，该雷达为DR810MKⅡ型，美国陆军正式启用该雷达于军事上并给该雷达的命名是M90。

这之后初速测定雷达广泛用于军事上，各国也开始研制起来。

随着军事科技的快速发展，火炮射击指挥系统对初速测量的要求也越来越严格，因此军用测速雷达的发展也在不断的进步。

几十年来，国外的靶场停止使用测试仪法来测量，取而代之的是高速摄影法，美国陆军试验靶场于八十年代制定的榴弹静态破片性能试验操作规程中就对高速摄影法作了一些阐述[15]。

在信号处理器的初期阶段，各国大多采用频谱分析仪来进行数据的处理，但是这种方法有很多弊端，耗时且精度差，更重要的是利用这种方法不能得到瞬时脉动速度。

在那个时期，已经有部分科学家着手研制频率跟踪器和计数式处理器，但由于不具备条件只是作为原型保留在实验室里，并没有应用。

因此，在这段时期内所进行的速度测量，大多的实验结果以平均速度为主。

在1973-1980年这7年间，激光测速在信号处理器和光学系统方面有着巨大的发展。

激光测速进入了发展的第三个发展阶段是在1980年以后。

在这一期间，科技得到快速发展，应用研究的开展也突飞猛进。

1990年，一种精度高于0.1%，有效靶面大于300mm×400mm的光幕靶研制成功[15]。

激光测速已成为产品研发不可或缺的测量手段，光幕靶的研制也日益成熟。

1.2.2国内研究现状

我国在刚接触测速雷达时，主要在靶场测试应用方面上。

60年代靶场测速的最常用的测速方法是使用区截装置测速仪，但是这种方法有很大的缺陷，在应用中该装置只能测量平射出来的弹丸，对于高射出来弹丸不能测量。

因此，这种测速手段不能长时间使用。

这之后为了测量炮射导弹出炮口速度，640工程试验场提出研制一种测速雷达。

国防科技大学承担了该雷达的研制任务，并取名为640雷达，70年代初640雷达研制成功，并应用于320mm火炮研究所进行试验。

80年代初，这所大学对640雷达进行了改进，雷达自身采用了微机系统，使雷达的数据处理部分有了更好的处理系统。

但该雷达收发系统电子器件比较落后，和国外技术相比已经不能使用[2]。

随着我国科学技术的发展，弹丸飞行速度的测量方法也在不断的更新。

在80年代初我国第一代测速天幕靶GD-79型水平天幕靶的研制成功了，该测速天幕靶标志着我国外弹道测试技术领域已经应用到光电技术。

第一代天幕靶基本上是借鉴国外奥地利AVL公司的天幕靶，该天幕靶占用面积大，质量重，室外使用比较耗时耗力，因此很多地方不在使用该型号。

1989年，科研人员为了使天幕靶使用更方便，在GD-79型天幕靶和TMB-1型天幕靶的基础上，设计了TMB-2型水平天幕靶。

但天幕靶受外界影响大，不能在阴天和夜间使用，因此提出了激光光幕靶[2]。

激光测速现已成为产品研发不可或缺的测量手段，并已进入大学和研究生的教学课程，为培养现代科技人才服务。

随着我国经济和科学技术的发展，破片速度的测量精度和抗干扰要求也越来越高。

随着科技水平的不断提高，激光测速光幕靶系统信号处理电路的优化设计也必将在新世纪中得到更大的发展和应用。

1.3主要研究的内容和方法

在结合前面对光幕靶测速国内、外发展现状以及发展意义，分析了有源光幕靶研究的重要意义后，对有源光幕靶传感器设计研究具体工作步骤如下为：

学习研究有源光幕靶传感器的结构和理论系统；了解传感器各系统电路设计，对其有全面的认识；阅读大量的国内、外光幕靶传感器设计；通过对上述的了解撰写论文。

本课题的主要工作内容如下：

1.根据现有有源光幕靶传感器的设计方法和原理，选择合适的单片机，提出合理的有源光幕靶传感器电路构成部分；

2.设计单片机控制电路、光电检测模拟信号采集电路、前端信号处理与A/D转换电路、电源接口电路和显示系统电路，并使用AltiumDesigner完成电路原理图的绘制；

3.使用Keil软件进行软件编程和编译，实现子弹测速功能，使各个程序模块协调运行；

4.使用Protues仿真软件对系统的硬件和软件进行仿真，通过调试使系统能通过仿真的验证，完成软件的debug。

行文布局上，第二章介绍有源光幕靶传感器的总体方案设计，第三章介绍硬件电路设计，各个模块的功能以及实现原理，第四章介绍软件设计与实现功能，第五章介绍系统仿真。

论文在最后一章对系统设计进行了总结和展望。

第2章总体方案设计

2.1光幕靶工作原理

光幕靶是一种以光电转换技术为特征的探测飞行弹丸到达空间指定位置时刻的仪器，光幕靶测速系统由两个光幕靶和测量电路系统组成，每个光幕靶都由发射靶和接收靶组成。

具体工作原理如下：

如图2-1所示，发射靶产生较为相对均匀的光幕，接收靶的作用是将其接收到的光信号转换为电信号，之后再进行处理；当弹丸飞过接收光幕时，因为弹丸经过所以导致光幕被遮挡，因此遮挡了的部分光幕导致接收到的光通量发生变化，经接收部分转换处理就产生一个脉冲信号；测量电路计算起始靶和停止靶产生的脉冲信号的时间差，得出弹丸飞过两个光幕之间的时间间隔，在已知两靶之间的距离的情况下即可计算出弹丸的速度[3]。

光幕靶采用光电转换原理，属于非接触测量，测量精度优于其他测量仪器。

图2-1光幕靶结构示意图

2.2控制系统方案选择

电路系统的核心器件是微控制器，它的作用是控制着其他各个模块的正常工作，对于系统性能有很大的影响。

由于微控制器可以方便的编程控制，很容易实现电路系统的智能化。

目前市场上使用最多的是8051系列单片机，是一种技术非常成熟的以51为内核的单片机。

它的生产厂家和型号众多，应用的范围广泛，如各种消费电子产品、工业设备中。

以AT89C52单片机为例，其特点如下：

8位算术逻辑单元；时钟频率0-24MHz；32个双向I/O口；具有8kBFlashROM，256×8bitRAM；3个16位可编程定时/计数器中断；2个外部中断，共8个中断源。

8051系列单片机具有精简版的嵌入式控制系统结构，目前也拓展了很多新性能，如内部集成A/D转换，看门狗，PWM等这些输出，串行扩展总线功能，具有很强的逻辑控制功能，具有低功耗，价格低廉，性能稳定等优势[4]。

目前已经有很多改进型的基于51内核的单片机，单片机应用广泛并且其性能也日渐强大，具有很强的逻辑控制功能；而DSP和ARM系列微控制器的优势在于高速、低功耗，其性能非常强大，但是价格昂贵，不符合本设计要求简单易用的特性[5]。

综上所述，本系统采用51内核的单片机作为主控芯片，具有性能好、成本低、易用性强、可扩展性好等优点，满足本设计的要求。

2.3总体设计思路

有源光幕靶传感器的功能是实时检测弹丸穿过光幕靶时的速度，对其实施速度检测和实时的速度显示功能。

有源光幕靶传感器检测的实质是把检测到的光信号转变成电信号。

电路系统设计主要分为硬件设计和软件设计两个部分。

硬件上包括单片机控制电路、光电检测模拟信号采集电路、前端信号处理与A/D转换电路、电源接口电路和显示系统电路五大部分。

有源光幕靶传感器的核心为单片机，根据设计要求，优先选择稳定性好的单片机芯片。

软件使用Proteus进行仿真，实现硬件和软件的结合。

系统整体组成结构如图2-2所示。

图2-2系统组成结构图

2.4总体方案介绍

电路系统上着重介绍控制系统电路、光电检测模拟信号采集电路和信号处理电路，突出系统的控制功能。

系统总体由单片机来进行控制，光幕上的光敏二极管实时检测有无子弹通过，光敏二极管输出的电流值很小，将其转换为电压值，通过运算放大器进行放大，前端信号采集出的检测值由电压跟随器输出给A/D转换器，A/D转换电路把放大电路处理的模拟量转换成数字信号的形式进行运算，再经过单片机进行处理，最后通过液晶显示模块实时显示出速度来。

以上这些系统运行都是由电源模块供电运行，由于部分电路所需电压为5V，因此采用集成稳压芯片进行稳压输出。

以上的设计思路是根据光幕靶传感器的系统设计功能而提出的。

第3章系统硬件设计

3.1单片机电路设计

3.1.1单片机选型

单片机，又叫单片微控制器。

它并不是单一某个部分某个功能的芯片，而是能够将整个计算机系统集合到芯片里并且发挥出作用，在有源光幕靶传感器检测电路中起到重要作用。

在设计中，单片机用来接收传感器信号，采集信号和输出显示的，单片机运行速度快，当并能完成任务的要求，在满足运算速度和接口功能的情况下，考虑体积轻巧和价格便宜的单片机选型，确保整个系统运行的可靠性和准确性。

随着生产技术的提高，单片机逐渐扩展到其他各个领域。

随着多种多样单片机的推出，人们的选择性也越来越多。

在众多型号的单片机中，MCS系列单片机具有性价比高、性能优越等特点，都使的这系列单片机迅速在市场上站稳脚跟，并成为应用领域市场的主流单片机。

而由于51系列单片机经济实惠，I/O口多，选取这系列单片机进行研究是合理的，所以本设计的单片机采用AT89C52单片机。

3.1.2单片机介绍

此次设计是采用AT89C52的单片机为核心芯片，以及其他的硬件来完成光幕靶传感器的检测系统。

AT89C52是一个CMOS8位单片机，它有着功耗低，性能出众等特点，该芯片内包含可重复擦写的Flash只读程序存储器和RAM，RAM有随机存取数据存储器，该装置兼容标准MCS-51指令系统，芯片内置有通用8位中央处理器和Flash存储单元，因此采用AT89C52单片机在电子行业中得到了广泛的应用。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个全双工串行通信口，3个16位可编程定时计数器，2个读写口线，AT89C52可以根据常规方法进行编程，也能在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

图3-1为AT89C52引脚图。

图3-1AT89C52引脚图

3.1.3单片机控制电路

可以维持运行的最简配置的系统被称呼为单片机的最小应用系统。

对于片内有ROM/EPROM的单片机来讲，通俗的来说就是最小应用系统即单个单片机至少配有晶振、复位电路以及电源等。

对于片内无ROM/EPROM的单片机来说，其最小系统理当还得使用程序存储器，例如外接EPROM或EEPROM。

这同样还需要配置复位电路、外部配置晶振以及电源。

单片机自身的功能就决定了最小应用系统的功能。

即最小应用系统受制于单片机自身。

然而对于AT89C52型51单片机来讲，最小系统包括：

单片机、复位电路、晶振电路组成部分。

单片机最小系统采用外部时钟，外部震荡脉冲由XTAL1和XTAL2端接入后送至芯片内部时钟发生器，即单片机的18和19脚。

晶振外接的两个电容为负载电容，用于协助起振和稳定振荡电路，它们的容值需保持一致以便保持谐振的平衡。

复位电路是决定单片机的启动和负责单片机的起始状态，如果当单片机进行起始工作状态时，要先接通电源并产生复位信号，这时单片机才能正常启动，当单片机在受到环境干扰时，使得程序有所偏移时，应迅速按下复位键，内部程序将会重新执行。

在单片机系统中，单片机一般情况下会设有内部断电自动复位和外部手动按键复位。

本设计实现了上电复位和开关复位两种功能。

复位操作根据形势来讲一般有两种基本形式：

上电复位和上电或开关复位。

可以实现系统上电后单片机自动复位功能；在单片机正常工作期间，按下按键后单片机也能实现复位功能。

图中显示电源+5V加上电容和电阻总体构成一微分电路。

上电保持一段RST高电平时间。

当单片机处于正常工作状态时，按一次复位按键，通过微分电路可以使RST保持一定时间的高电平状态，从而实现系统的按键复位功能。

图3-2为AT89C52单片机最小系统，一般51单片机不可配置的引脚及功能介绍如下：

VSS（20脚）用来接地；VCC（40脚）用来接+5V恒压电源；XTAL1（19脚）是晶振振荡器的一端；XTAL2（18脚）在本设计中18、19脚分别与晶振两端相连；RST（9脚）是给该引脚输入高电平将使其回到初始状态，即单片机的复位功能；EA/VPP（31脚）的作用是当EA端输入高电平时，CPU访问内ROM，但是当地址超出0FFFH时，将自动转向访问片外ROM的程序。

图3-251单片机最小的系统电路

单片机芯片的的输入/输出引脚在设计中的接线如下：

1.P1.0-P1.7（1脚-8脚）为LCD显示模块的数据端口，分别为DB0-DB7。

P3.2（12脚）、P3.3（13脚）、P3.5（15脚）分别为LCD控制端口，控制LCD读写，使能和片选功能。

2.P2.5-P2.7（26脚-28脚）为时钟芯片DS1302的时钟，复位和输入/输出引脚。

3.P0.0-P0.7（32脚-39脚）为A/D转换模块的数据端口，分别为DB0-DB7。

P2.0–P2.1（21脚-22脚）分别为键盘控制芯片的控制端口，分别控制A/D转换芯片的时钟和启动数据转换的功能。

3.2光幕传感器设计

光幕传感器按用途可以分为测量光幕传感器和安全光幕传感器。

测量光幕传感器是使用光电传感器的原理，光幕传感器由发射器和接收器组成，发射器里有红外二极管，作为该系统使用的光源，接收器里有光电探测器，用来接收由发射器的红外二极管发射出来的光信号。

本设计由于采用Proteus软件来进行仿真，因此用可调电阻来代替光幕传感器，调节其阻值大小相当于输出不同检测到的电流大小。

使得传感器应用在软件上。

3.3光电检测模拟信号采集电路设计

3.3.1INA114介绍

本设计选用INA114仪表放大器，它是一种通用型仪表用放大器，具有测量精度高、占用体积小、价格便宜等优点，因此在电桥、数据采集、传感器等方面用着不错的应用。

INA114之所以是精密仪表用放大器，是因为该芯片由三个运算放大器所构成的，其特性指标比三个独立的运算放大器构成的仪表用放大器要高得多，不仅如此，INA114还具有很小的温度漂移、很低的失调电压，较高的共模抑制比和极高的输入阻抗等特点。

这都是其他元件不具有的优势。

图3-3为INA114元件图。

图3-3INA114元件图

3.3.2光电检测模拟信号采集电路

光幕上的光敏二极管实时检测有无子弹通过，但是光敏二极管输出的电流值很小，而且电流也不能直接被A/D转换器转换，所以需要先将其转换为电压值，之后该电压通过INA114精密运算放大电路进行放大，以便后续进行A/D转换，保证一定的测量精度。

为了满足高精度的控制，测流电阻R11采用高精度电阻，采用较低组装电阻可以避免发热带来的影响，有利于保持测量的精度和长时间的稳定性。

光电检测传感器模拟信号采集电路的连接方式如图3-4所示。

图3-4模拟信号采集电路

INA114要想设置在1至1000之间的任意增益值只需要一个外部电阻就可以解决，内部输入过压保护能够长期耐受±40V，失调电压低，最大值为50uV；漂移温度小，最大值为0.25uV/℃；静态电流小，最大值为3mA；共模抑制比高，G=1000时为50dB；电源电压范围宽，为±2.25V-±18V；用激光进行调整，可以在±2.25V的电压下工作，使用电池（组）或5V单电源系统，静态电流最大为3mA。

INA114采用8引脚塑料封装或SOL16表面封装贴件。

INA114的增益值只用一个外部电阻RG就可以设置。

INA114增益的精确度和漂移额定值中包含了这两个电阻的精确度和温度系数。

电路的最大失调电压50uV，共模信号抑制比低，采用双电源供电±2.25-±18V。

为抑制高频干扰，在其输入端设计了由R8、R14、C25、C27和C31构成的低通RC网络。

需要注意的是，C27影响差动信号，C25和C31影响共模信号，为了不影响共模抑制比和带宽的性能，该电路要求C25和C31至少比C27少一个数量级。

3.4时钟电路设计

图3-5时钟电路

DS1302是有电流充电能力低功耗时钟芯片。

DS1302由VCC1，VCC2供电，VCC2为主电源，VCC1为后备电源。

RST为复位电路，SCLK为时钟输出端，X1和X2是振荡源，连接的是32.768晶振。

3.5前端信号处理电路设计

3.5.1TL082介绍

TL082是通用的J-FET双运算放大器，该