大学生电子大赛.docx
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大学生电子大赛
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2012“TI”杯
天津市大学生电子设计竞赛
激光枪自动射击装置（E题）
是否使用TI器件：
否
具体使用情况详见报告
2012年8月7日
摘要
为了满足激光枪可受电路控制发射激光束，通过摄像头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，最终确定了以STC89S52单片机为控制核心，对于关键的激光枪瞄准部分，经过充分比较、论证，最终选用了控制精确的步近电机，易于控制；环数测试模块采用摄像头，显示环数与方位信息，，电源模块采用两节6V和9.6V的充电镍电池进行稳压供电，充电电池可循环使用，环保节能。
关键词：
STC89C52、步进电机、摄像头、镍电池、节能
Abstract:
Inordertomeetthelaserguncanbecircuitcontrollaunchlaserbeams,throughcameraprojectioninthechestHuanBagunonthespottheimpactarea,anddisplaytheringnumberandazimuthimpactareainformation,finaltoSTC89S52microcontrollerascontrolcore,forkeylasergunspart,afterafullcomparison,reasoning,ultimatelychoosethecontrolprecisionofnearlystepmotor,easytocontrol;RingcounttestmoduleUSESacamera,showringnumberandlocationinformation,,thepowersupplymoduleUSEStwo6Vand9.6Vbatterychargingnickelvoltagepowersupply,therechargeablebatteryrecycling,environmentalprotectionandenergysaving.
Keyword:
STC89C52,steppingmotor,camera,nickelbattery,theenergyconservation
目录
目录2
一、设计任务及要求3
1.1任务3
1.2、要求3
二、方案比较与选择4
2.1主控制器选择4
2.2电机选择4
2.3电机驱动选择4
2.4摄像头控制器选择5
2.5显示模块选择5
三、系统的具体设计与实现5
3.1系统设计总框图5
3.2系统硬件设计6
3.2.1步进电机驱动6
3.2.3电源7
3.3系统软件设计7
3.3.1程序总框图7
四、系统理论分析与计算9
五、最小系统原理图9
六、最小系统PCB图9
七、系统测试10
7.1测试仪器10
7.2.4定寻线光点偏移距离（单位mm）10
7.2.5动寻线光点偏移距离（单位mm）10
八、总结10
十、附录11
附录一原件清单11
一、设计任务及要求
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．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。
2．发挥部分
（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
二、方案比较与选择
本系统主要有控制器STC89C52模块、步进电机组成的云台、步进电机驱动模块、摄像头模块、显示模块，下面对这几个模块进行比较论证。
2.1主控制器选择
方案一：
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。
方案二：
ARM处理器是一种体积小、低功耗、高性能；支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定。
ARM处理器虽然耗电少功能强、16位/32位双指令集，但是比较昂贵，而STC89C52完全能胜任本题目的要求而且性价比很高，所以STC89C52更适合选为本题目控制器。
故选方案一。
2.2电机选择
方案一：
选用直流电机，直流电机控制简单、价格低廉、速度快，但是精度不高、转矩小。
方案二：
选用步进电机，步进电机通过脉冲控制，步进角可达1.8度，通过细分可更加精确，平稳，控制简单，可控制正反转，连续转动。
通过比较，根据设计要求，直流电机达不到题目要求，而步进电机可以完成设计要求，故选方案二。
2.3电机驱动选择
方案一：
只用L298N制作的驱动电路，可按八拍书写程序控制电机，优点控制简单，缺点，容易发热，功耗大，慢速控制易颤动。
方案二：
使用步进电机驱动器，通过时钟信号，控制转速，可以有128细分，转动平稳，控制精度高，占用单片机输出资源少。
步进电机驱动器虽然控制精度高，但是L298完全能达到本设计的要求，因此选用步进电机驱动器，故选方案一。
2.4摄像头控制器选择
方案一：
选用DSP,DSP在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；快速的中断处理和硬件I/O支持；具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；可以并行执行多个操作；支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
方案二：
选用STC89C52，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。
DSP虽然性能高但是价格也高。
STC89C52虽然性能低，但是本设计只是处理简单的数据，所以STC89C52可以完成设计要求，故选择方案二。
2.5显示模块选择
方案一：
LCD12864可串行传输节省I/O的使用，可以显示数字、字符、汉字、图片，每页可写入四行显示，实现功能多。
方案二：
LCD12232并行传输，可以显示数字、字符、汉字、图片，但屏幕窄每页写入两行，同时占用I/O口较多。
为了节省单片机资源，同时实现多种功能，使用LCD12864显示，故选方案一
三、系统的具体设计与实现
3.1系统设计总框图
控制过程：
LCD12864显示菜单目录，目录内容为要完成任务的子菜单，通过按键扫描选择子菜单要完成任务，调用任务程序，通过控制器80c51F020控制电机的转动。
角度传感器是在摆杆摆动过程中根据偏差角度采集变化电压，根据电压的变化量控制电机正反转，完成载物台旋转任务。
光敏电阻是为了完成激光笔的定点扫描，通过信号传输给控制器，控制电机转动，是激光笔定点照射在零线上。
3.2系统硬件设计
3.2.1步进电机驱动
电机驱动
PCB顶层
PCB底层
步进电机驱动器由主要由L297-L298共同作用组成电路，通过光耦隔离保护电路，通过时钟信号的频率调节电机的快慢，使能信号高低控制电机转与停。
3.2.3电源
本系统主要用到6V和9.6V电压。
3.3系统软件设计
3.3.1程序总框图
如下图（B-3-8）初始化进入主菜单，可五种选法执行任务，选中哪一项将会控制系统执行选中的操作。
图B-3-8
四、系统理论分析与计算
胸环靶是在不反光的白纸画有一组相距5cm的同心圆（线宽不超过1mm），最内圆环直径10cm，圆环内为10环区域，从最内环至最外环间分别为9、8、7、6、5环区域内
五、最小系统原理图
图B-5-1
六、最小系统PCB图
图B-6-1（PCB顶层）
图B-6-2（PCB底层）
七、系统测试
7.1测试仪器
量角器卷尺
万用表
圆规
支架一个
激光笔
7.2.4定寻线光点偏移距离（单位mm）
次数
1
2
3
4
偏移距离
2
5
1
2
表B-7-4
7.2.5动寻线光点偏移距离（单位mm）
次数
1
2
3
4
偏移距离
3
7
5
2
表B-7-5
八、总结
经过为期三天的模拟赛设计，感触颇深的是解决问题的方法、技巧。
在这几天中，我们遇到许许多多问题，对待问题要多方法处理，多角度处理。
通过这几天的设计竞赛，我们不但增强了实践能力和协作精神，而且懂得了联系实际的重要性，这对我们以后的学习和工作不无裨益。
当然，我们的设计还存在着一些缺陷，有待于在将来设计中进一步提高，在此恳请各位老师批评指正。
九、参考文献
1、周航慈编著《单片机应用程序设计》北京航空航天大学出版社
2、51单片机开发宝典
3、黄智伟编著《全国大学生电子设计竞赛常用电路模块制作》北京航空航天大学出版社
4、杨金松，郑应强，张振仁.8051单片机数字传输接口扩展技术与应用实例.第1版.北京:
人民邮电出版社.2005
十、附录
附录一原件清单
1、基本仪器清单
50MHz（以上）双通道数字示波器
双路可调直流稳压电源
函数信号发生器（0.1Hz～20MHz，具有外调制功能）
通用双踪示波器
秒表
10米卷尺
4位半（以上）数字多用表
2、在竞赛中使用（或选用）的主要元器件清单
单片机最小系统板（仅含单片机芯片、键盘与显示装置、存储器、A/D、D/A）
Lauchpad（MSP430单片机开发板）为核心的最小系统
激光笔
摄像头
128*64以上分辨率的显示屏
附录2
单片机最小系统
系统连接图
LCD12864使用串口通讯
键盘输入4X416键扫描
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