激光枪自动射击装置模板.docx
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激光枪自动射击装置模板
2013年大学生校内电子设计竞赛
激光枪自动射击装置
姓名
指导教师
完成日期2013年6月15日
摘要
摘要:
本系统以设计题目的要求为目的，采用野火STM32单片机作为步进电机（28BYJ-48）的控制核心，以ULN2003AN芯片驱动步进电机，用脉冲精确的控制步进电机，使之能在二维空间内转过一个很小的角度。
用火眼OV7725摄像头，对胸靶的图像扫描，通过图像处理，计算分析就可以确定环数。
用液晶屏显示环数和胸环靶的相应图形，用摄像头采集数据传回STM32单片机，可控制电机进行自动打靶。
该设计采用了具有丰富运算功能的C语言来编程,从而在简化了程序的同时提高了运算精度.整个系统功能齐全，步进电机运转平稳，精度较高，运行可靠。
关键词：
野火STM32单片机、步进电机（28BYJ-48）、摄像头（火眼OV7725）。
Abstract:
Thissystemtodesignthetopicrequestforthepurpose.TheSTC89C52singlechipmicrocomputerasthestepmotorcontrolcore,withpulseprecisecontrolsteppingmotor,sothatitcanin2dspacearoundasmallAngle.WithKINETISCORTEX-theM4chiptodrivethecamera,tochest-circulartargetimagescanning.Throughtheimageprocessing,calculationandanalysiscandeterminetheringnumber.WiththedisplayontheLCDpanelringnumberandchest-circulartargetcorrespondinggraphics,and51single-chipmicrocomputerandKINETISCORTEX-theM4chipwithbluetoothmodulebetweencommunication,usecameratocollectdatabackto51SCM,cancontrolmotortobeautomaticshooting.ThedesignhasadoptedwithrichoperationfunctionoftheCprogramminglanguage,soastosimplifytheproceduresinatthesametimeimprovethecomputationalaccuracy.Thewholesystemfunctiontobecomplete,stepmotoroperatessmoothly,highprecision?
Keywords:
89C52、stepmotor、Camera
1.激光枪自动射击装置
1.1任务
设计一个能够控制激光枪击发、自动报靶及自动瞄准等功能的电子系统。
该系统由激光枪及瞄准机构、胸环靶、弹着点检测电路组成，其结构示意见图1。
1.2要求
1.2.1基本要求
1.用激光笔改装激光枪，激光枪可受电路控制发射激光束，激光束照射于胸环靶上弹着点的光斑直径＜5mm；激光枪与胸环靶间距离为3m。
图1激光枪自动射击装置示意图
2.激光枪固定在一机构上，可通过键盘控制激光枪的弹着点（用键盘设置激光束在靶纸上上下、左右移动一定距离）。
3.制作弹着点检测电路，通过摄像头识别激光枪投射在胸环靶上的弹着点光斑，并显示弹着点的环数与方位信息。
其中环数包括：
10、9、8、7、6、5、脱靶；方位信息是指弹着点与10环区域的相对位置，包括：
中心、正上、正下、正左、正右、左上、左下、右上、右下。
详见图2-b。
1.2.2拓展部分
1.在图形点阵显示器上显示胸环靶的相应图形，并闪烁显示弹着点。
2.自动控制激光枪，在15秒内将激光束光斑从胸环靶上的指定位置迅速瞄准并击中靶心（即10环区域）。
3.可根据任意设定的环数，控制激光枪瞄准击中胸环靶上相应位置。
4.其他
2-a胸环靶尺寸2-b胸环靶环数及方位信息示意
图2胸环靶示意图
1.3方案比较选择
1.3.1电机选择
方案一:
两个伺服电机。
伺服电机自带高精度编码器，便于进行速度的闭环控制，驱动能力强，机械性能也好。
在实验中发现，虽然进行了闭环控制，控制也很平缓，但是打靶的精度也只能基本达到要求。
方案二：
两个步进电机（28BYJ-48）。
28BYJ-48步进电机具有快速启动能力，转换精度高，正反转控制灵活，可以轻松达到通过脉冲进行控制。
在实验中发现，步进电机步距角为5.6°，定的细分之后，精度可以很好地控制，完全能满足控制要求。
方案三：
步进电机加舵机。
舵机使用方便，扭矩大，控制简单，机械性能好，但是在实验中发现，舵机的转动靠脉冲宽度来调节，它的转动精度不能达到基本要求，误差很大。
电机作为此次设计最主要的执行单元，它的好坏直接关系到指标的完成情况，对控制精度要求很高，综合考虑以上因素，本次设计选择方案二。
1.3.2电机驱动
方案一：
使用L298N电机驱动芯片。
L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，响应频率高，自带使能控制端，操作方便，性能稳定，一个L298N就可以控制一个两相四线步进电机。
但是L298N不能进行细分，步进电机转动所需要的精度不能得到有效的调节。
方案二：
使用半桥驱动芯片BTS7960，需要2个芯片来驱动一个电机，电流最高43A，由于其内阻很小，驱动过程中发热不明显，但其价格较高，并且经过实验，它不能满足细分的精度要求。
方案三：
使用德州仪器公司的ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统，操作方便，性能稳定能进行细分，步进电机转动所需要的精度能得到有效的调节。
电机驱动主要受单片机里的PWM控制用去驱动本设计的主要执行单元——步进电机，它的好坏直接影响到执行单元的运行稳定性。
综合考虑转动精度，电流衰减等因素，选择方案三。
1.3.3摄像头传感器
方案一：
采用索尼公司的1/3480线CCD摄像头，该摄像头具有超过38万的像素，清晰度很高，价格适中。
该摄像头为多电源供电，供电复杂，通过CCD摄像头采集回来的图像需要经过AD转换后再通过预处理器预处理，处理过程较为复杂。
在实验中发现使用这种摄像头，单片机无法快速完成图像处理工作，在时间上不能给主控制器足够的时间进行步进电机控制，不能满足控制要求。
方案二：
采用OV7670摄像头集成模块，该摄像头为30万（640*480）像素，内部集成了AGC、AWB、AEC多种功能，集成度极高。
OV7670对环境的适应性好，不依赖于特定环境，能很好地进行自我调节。
该摄像头模块集成了一定容量的存储空间可以缓存一部分图像，对于单片机处理采集回来的图像增加了更多的时间，对于电机控制器也增加了有效的定位时间。
OV7670摄像头价格便宜，对于此次设计所需要的图像采集精度信息量完全足够，在实验中也能完全满足测试要求。
方案三：
使用野火火眼OV7725摄像头，三十万像素当中成像质量最棒、低照度极好的ov7725芯片，通过特殊的硬件结构完成二值化操作，图像处理效果极佳，采集图像速度极快，为目前选用摄像头中最快、二值化处理效果最佳的无敌摄像头。
摄像头作为此次设计的唯一传感器，是此设计的核心器件之一。
它的好坏直接影响到PID算法中的反馈信息，对执行单元的调节直接构成影响。
综合以上考虑，此设计选择方案三。
1.3.4控制器
方案一：
采用MSP430F149单片机作为控制器。
MSP430F149单片机具有丰富的接口资源且为即插型可编程器件，编程方便，同时它可以直接驱动96LCD。
MSP430F149功耗极低，价格便宜，是低功耗要求下的的一款首选处理器。
方案二：
采用可编程器件CPLD作为控制器。
CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度小、体积小、稳定性高、IO资源丰富，易于进行功能扩展。
采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的核心，但是功耗大价格也相对昂贵。
方案三：
采用STM32F4单片机作为控制器，STM32F4为32位处理器数据处理能力比普通单片机更强，并且最高可达到72MHz的主频，处理速度极快，端口资源丰富，价格便宜，适合作为一个自动控制系统的控制器。
根据本题目的要求以及我们现有的资源，所以我们选用了方案三。
2理论分析与计算
2.1激光靶点分析
2.1.1激光点运动轨迹分析
在胸环靶面上建立一个直角坐标系，根据匀速直线运动公式：
，激光点从任一点到达指定点它的位移等于X方向与Y方向的和位移，由此可知
（2-1）
通过运动路径分析（如图2），只要分别满足了X方向和Y方向的位移，则它的运动轨迹即和位移也就确定了，就可达到任一点移动要求。
图2运动路径分析
2.1.2打靶精度分析
如图3，抽象出激光打靶的数学模型。
对于同心圆，在水平方向和竖直方向所需要的位移量是相等的，即控制激光点水平和竖直移动所需要的位移量精度是相等的。
根据自主选择的胸环靶以及设计要求可知：
（2-2）
（2-3）
（2-4）
（2-5）
（2-6）
（2-7）
（2-8）
图3激光打靶模式数学模型
根据数学模型推导如下：
（2-9）
（2-10）
L---激光点距胸环靶水平距离
H---胸环靶中心距地面垂直距离
α---激光点在胸环靶上最小水平移动距离对应移动角
β---激光点在胸环靶上最小竖直移动距离对应移动角
2.2图像处理分析
2.2.1图像预处理
2.2.2激光点目标检测
2.3激光枪自动控制原理分析
步电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲：
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。
您可以通过控制脉冲个来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5V—DC12V。
当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。
每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。
当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。
四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A。
。
。
），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-。
。
。
），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
。
。
）
3.系统设计
3.1总体设计
系统以ＳＴＭ３２为核心，通过按键和自动控制两种工作模式控制步进电机上下左右转动，将摄像头采集的射击定位数据实时传输到单片机上，经过数字图像处理后将转动的角度反馈到驱动器，控制驱动器驱动两个步进电机实现激光枪光斑在胸环靶上下、左右移动，并通过LCD显示模块3.2inch显示屏显示射击环数及方位。
通过键盘和单片机控制激光枪的亮和灭。
整体系统框图如图3所示。
图3整体系统框图
3.2系统模块设计
3.2.1 野火ＳＴＭ３２的LCD屏及触摸屏
LCD，即液晶显示器，因为其功耗低、体积小，承载的信息量大，因而被广泛用于信息输出、与用户进行交互，目前仍是各种电子显示设备的主流。
因为STM32内部没有集成专用的液晶屏和触摸屏的控制接口，所以在显示面板中应自带含有这些驱动芯片的驱动电路（液晶屏和触摸屏的驱动电路是独立的），STM32芯片通过驱动芯片来控制液晶屏和触摸屏。
以野火3.2寸液晶屏（240*320）为例，它使用ILI9341芯片控制液晶屏，通过TSC2046芯片控制触摸屏。
液晶屏的控制芯片内部结构非常复杂。
最主要的是位于中间GRAM（GraphicsRAM），可以理解为显存。
GRAM中每个存储单元都对应着液晶面板的一个像素点。
它右侧的各种模块共同作用把GRAM存储单元的数据转化成液晶面板的控制信号，使像素点呈现特定的颜色，而像素点组合起来则成为一幅完整的图像。
框图的左上角为ILI9341的主要控制信号线和配置引脚，根据其不同状态设置可以使芯片工作在不同的模式，如每个像素点的位数是6、16还是18位；使用SPI接口还是8080接口与MCU进行通讯；使用8080接口的哪种模式。
MUC通过SPI或8080接口与ILI9341进行通讯，从而访问它的控制寄存器（CR）、地址计数器（AC）、及GRAM。
图0-1ILI9341控制器内部框图
3.2系统软件设计
一个系统功能实现的如何，可靠的硬件电路保障是必须条件，所用的编程语言的功能强弱和所编的程序的完善与精确程度，则是充分条件。
因此，整个设计的成功与否与程序的完成情况是密不可分的。
由于C语言的运算功能比较强大，而且模块化的程序设计易于程序的修改和扩展，符合这次题目的要求。
3．1流程图如图3—1所示：
N
Y
N
N
Y
Y
4测试方案与测试结果
4.1测试方案设计
4.1.1测试仪器
器件
精度
备注
直尺
1mm
卷尺
1cm
秒表
0.01s
4.1.2测试方法：
按要求调节激光头打至所需环数，记录液晶显示器上显示的位置信息和实际的位置信息。
测量激光中心点打靶时，根据蜂鸣器提示记录实际的环数信息和显示器上的环数信息以及偏差距离，同时用秒表测量每次中心打靶所需要的时间。
4.2弹着点环数与方位信息显示测试及结果
当激光点打到胸环靶上某一具体位置时，显示器上进行环数和方位信息的显示。
测试结果如表1。
表1环数与方位信息显示测试数据
序号
实际环数
测量环数
实际方位
测量方位
环数误差
是否有方位误差
1
9
9
左上
左上
0
否
2
10
10
中心
中心
0
否
3
7
7
正下
正下
0
否
4
8
8
右下
右下
0
否
5
5
5
右上
右上
0
否
4.3弹着点图像显示测试及结果（拓展部分）
当激光点打在胸环靶上时，胸环靶及弹着点的相应图形都在图形点阵显示器上进行显示，同时闪烁提示。
测试结果如表2。
表2弹着点图像显示测试数据
序号
显示
实际环数与方位
是否有误差
误差环数
环数
方位
环数
方位
环数
方位
1
10
中心
10
中心
否
否
0
2
9
左上
9
左上
否
否
0
3
8
右下
8
右下
否
否
0
4
7
正下
7
正下
否
否
0
5
6
左下
6
左下
否
否
0
6
6
右上
6
右上
否
否
0
4.4自动中心打靶测试及结果（拓展部分）
激光点从任意指定位置打到中心点。
测试结果如表3。
表3自动中心打靶测试数据
序号
设定环数
是否到达中心
误差环数
偏差距离
耗时
蜂鸣器是否指示
1
9
是
0
0.6cm
1.02s
是
2
6
是
0
0.8cm
0.96s
是
3
8
是
0
1.0cm
0.95s
是
4
5
是
0
0.5cm
1.21s
是
5
7
是
0
0.8cm
1.13s
是
6
10
是
0
0.5cm
0.78s
是
4.5任一点打靶测试及结果（拓展部分）
通过键盘设定5~10的任意环数，激光点自动打到设定环数。
测试结果如表4。
表4任一点打靶测试数据
序号
设定环数
实际环数
误差环数
1
5
5
0
2
6
6
0
3
7
7
0
4
8
8
0
5
9
9
0
4.7结论与分析
通过表格中数据分析，各项指标均达到设计要求，证明该自动射击装置具有较高的可靠性、稳定性，能够快速地进行图像扫描和处理，在多种模式下快速有效的进行射击打靶。
附录一
硬件电路图：
STM32控制器引脚图
附录二
附录三
主要元器件清单：
三脚架×1
dsp6437×1
902B摄像头+8mm镜头×1
步进电机×2
附录四
实物图：
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