摘 要：設(shè)計并實現(xiàn)了一種能夠手動和自動瞄準(zhǔn)的炮臺打靶系統(tǒng)，通過激光器代替炮彈模擬打靶過程。該系統(tǒng)分為電子靶和炮臺兩部分，其中電子靶以STC12C5604AD微處理器為核心，采用光敏電阻陣列捕獲炮臺的命中情況；炮臺部分以MCF52255微處理器為核心，可通過電機(jī)帶動激光器水平和垂直轉(zhuǎn)動，采用搖桿實現(xiàn)手動瞄準(zhǔn)，使用攝像頭識別靶心實現(xiàn)自動瞄準(zhǔn)。實驗表明，該系統(tǒng)可快速完成瞄準(zhǔn)，并實時顯示和播報打靶結(jié)果；自動打靶環(huán)數(shù)為9～10環(huán)，具有很高精度。

關(guān)鍵詞：炮臺打靶 自動瞄準(zhǔn) 電子靶 攝像頭

中圖分類號：TP273.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）05（a）-0005-04

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，人們對生產(chǎn)和生活中各種設(shè)備的自動化程度要求越來越高，能否簡單迅速地對遠(yuǎn)處目標(biāo)進(jìn)行定位并執(zhí)行相應(yīng)的控制步驟，是衡量設(shè)備自動控制水平的一項重要指標(biāo)[1]。

該文是2012年黑龍江省大學(xué)生電子設(shè)計競賽設(shè)置的題目之一，充分體現(xiàn)了定位控制技術(shù)的重要意義。賽題要求炮臺打靶模擬系統(tǒng)具有炮臺和電子靶兩部分。采用紅色激光筆代替火炮，通過電機(jī)控制激光筆沿水平和豎直方向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)瞄準(zhǔn)功能。電子靶的中心環(huán)數(shù)是10環(huán)，最外圈是6環(huán)，共五個環(huán)數(shù)等級。中心10環(huán)的直徑為1 cm，其他環(huán)相鄰的兩環(huán)半徑差為1 cm，整個靶面為17 cm的正方形，不準(zhǔn)利用靶環(huán)區(qū)引導(dǎo)炮塔。炮臺與電子靶水平相距2～3 m，豎直距離在1 m之內(nèi)，且二者之間不能通信。能夠通過手動和自動兩種方式實現(xiàn)炮臺的瞄準(zhǔn)射擊功能，電子靶在被擊中后能夠迅速地顯示并播報相應(yīng)環(huán)數(shù)和總環(huán)數(shù)。該文所完成的裝置獲2012年黑龍江省大學(xué)生電子設(shè)計競賽一等獎。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

炮臺打靶模擬系統(tǒng)分為電子靶和炮臺兩部分，彼此間沒有電氣連接，下文將對這兩部分設(shè)計方案分別介紹。

1.1 電子靶方案設(shè)計

對于電子靶而言，需要完成檢測、處理、顯示、播報等環(huán)節(jié)，為了保證系統(tǒng)的可靠性和靈活性，采用多模塊結(jié)構(gòu)完成這些功能，將檢測處理功能和顯示播報功能分別用一個單片機(jī)控制實現(xiàn)。當(dāng)特定的靶環(huán)上有激光照射時，一個單片機(jī)檢測到傳感器輸出信號的變化并判斷出被擊中的環(huán)數(shù)后，將該環(huán)數(shù)傳給另一片單片機(jī)，由其控制完成環(huán)數(shù)的語音播報和數(shù)碼顯示。電子靶的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在設(shè)計出電子靶的整體系統(tǒng)后，優(yōu)化電子靶面?zhèn)鞲衅髋挪嫉膯栴}成為了關(guān)鍵。光敏電阻具有光照下阻值顯著減小的特性[2]。在靶環(huán)區(qū)放置光敏電阻并分別按環(huán)并聯(lián)，將并聯(lián)后的各組電壓值送到比較器的一端，通過給比較器另一端設(shè)置合適的閾值電壓，就可以檢測出哪一環(huán)有激光照射。圖2所示為電子靶示意圖及靶面?zhèn)鞲衅髋挪荚O(shè)計圖。

在圖2（b）中，由于紅色激光炮的光源是點(diǎn)光源，直接打在電阻環(huán)上的著落面積很小，因此若要實現(xiàn)靶面上傳感器排布無盲區(qū)，就需要數(shù)量很多的光敏電阻。如圖2（c）所示，用白紙將靶罩住，使點(diǎn)光源發(fā)生散射從而增大激光在靶面上的照射面積，能有效地減少光敏電阻數(shù)量。由于光敏電阻對日光也同樣敏感，在日光較強(qiáng)時容易造成誤判，為此在白紙下放置多層紅色濾光紙遮擋電子靶以減少照射到光敏電阻的日光強(qiáng)度而不影響激光炮所發(fā)出紅色光束的透射，可提高系統(tǒng)抗環(huán)境干擾能力。對于環(huán)與環(huán)之間的干擾問題，使用黑色卡紙按照電子靶各環(huán)的邊界大小制成2 cm高的隔柵將每一環(huán)的光敏電阻隔開，如圖2（d）所示。此外，為了防止并聯(lián)在一起的電阻過多阻值變小而縮短了光敏電阻兩端電壓變化范圍，導(dǎo)致激光照射時電壓變化不明顯，我們將最外圈兩環(huán)各分成兩組，其余電阻數(shù)量較少的環(huán)可以每環(huán)并聯(lián)成一組。圖3為整個靶面的傳感器分布情況，其中靶環(huán)區(qū)的每個小圓形代表一個光敏電阻，相同圖案的光敏電阻并聯(lián)成一組，兩個紅外發(fā)光管的作用是炮臺定位引導(dǎo)。

1.2 炮臺方案設(shè)計

炮臺瞄準(zhǔn)要求有手動和自動兩種方式，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

手動瞄準(zhǔn)使用搖桿控制。搖桿具有兩個滑動變阻器，當(dāng)其在橫、豎兩個方向轉(zhuǎn)動不同角度時，相應(yīng)方向上的滑動變阻器的輸電壓值也會隨之改變。通過輔助單片機(jī)對這兩組電壓值進(jìn)行AD采集，并轉(zhuǎn)化成的數(shù)字信號送入核心單片機(jī)進(jìn)行分析，從而控制兩個減速電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速以改變炮臺位置；同時，使用輔助單片機(jī)檢測發(fā)射按鍵是否按下，從而實現(xiàn)炮臺發(fā)炮的控制。

自動控制部分選用攝像頭作為圖像傳感器，固定攝像頭使之與激光炮的方向相同。正常情況下，攝像頭視野內(nèi)各種顏色的景物和光線會大大增加圖像分析的難度，因此，我們使用紅外光透鏡遮住攝像頭，使其只對紅外光線敏感。如圖3所示在電子靶上布置有兩個紅外發(fā)光管，則在普通光照條件下整個攝像頭采集的圖像中僅有發(fā)光管處為兩個亮點(diǎn)，其余部分均為較深的暗色。如圖5所示為攝像頭采集到的圖像示意圖，當(dāng)兩個紅外管圖像所定位的靶心O’偏離攝像頭中心O時，通過單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動來調(diào)整攝像頭角度，最終使圖中O點(diǎn)和O’點(diǎn)重合，則視為瞄準(zhǔn)成功，進(jìn)而完成后續(xù)的控制激光器發(fā)射“炮彈”操作。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的整體硬件由兩部分組成，其中電子靶部分包括用于采集信號和控制顯示播報的STC12C5604AD單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、電子靶面的光敏電阻和炮臺的自動定位引導(dǎo)裝置、比較器電路、數(shù)碼顯示模塊、SD語音模塊、音頻功放電路；炮臺部分由MCF52255單片機(jī)系統(tǒng)電路、電機(jī)驅(qū)動、搖桿及其AD轉(zhuǎn)換電路以及OV7620攝像頭及其控制電路等幾個模塊組成[3-5]。為方便系統(tǒng)制作，語音模塊和攝像頭模塊采用購買的已集成好的電路。

如前面圖4的炮臺系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)所示，其中STC12C5604AD芯片為輔助單片機(jī)，使用其片內(nèi)集成的8位AD采集搖桿電位信號，并判斷手動發(fā)炮按鍵是否按下。Coldfire系列的MCF52255單片機(jī)為核心單片機(jī)，它作為整個炮臺部分的總處理器，用來處理圖像、驅(qū)動減速電機(jī)以實現(xiàn)激光炮瞄準(zhǔn)和執(zhí)行射擊操作。

2.1 電子靶整體硬件電路設(shè)計

如圖1所示，當(dāng)某一靶環(huán)上有激光照射時，該環(huán)上光敏電阻傳感器兩端的電壓信號會發(fā)生變化，與之相接的LM393比較器電路的輸出電平也隨之改變，使用一片STC12C5604AD的I/O端口檢測比較器的輸出信號并判斷出擊中的環(huán)數(shù)后，將所得環(huán)數(shù)信息傳給另一片STC12C5604AD，由其通過串行通信控制SD語音模塊進(jìn)行相應(yīng)的環(huán)數(shù)播報，并使用一組8位I/O端口控制74LS47譯碼器電路從而通過共陽極數(shù)碼管顯示環(huán)數(shù)及總環(huán)數(shù)，根據(jù)題目要求最多顯示兩位數(shù)即可。兩片單片機(jī)之間通過芯片自帶的串行通信端口實現(xiàn)通信。

2.2 電機(jī)控制部分電路

減速電機(jī)的驅(qū)動電路如圖6所示。BTS7960B為半橋驅(qū)動芯片，電機(jī)接在其OUT1和OUT2兩端；74ALS244芯片為單片機(jī)和驅(qū)動芯片之間提供緩沖。EN為驅(qū)動使能信號；ERO1和ERO2用于對兩個芯片進(jìn)行電流檢測；輸入控制信號IN1、IN2中一個是占空比可調(diào)的PWM波，另一個保持低電平，可以靈活改變電機(jī)轉(zhuǎn)動方向和電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.3 音頻功放電路

由于語音模塊本身的輸出非常微弱，本文采用音頻功放電路作為SD語音模塊的后級電路，可以將聲音信號進(jìn)行有效地放大。本系統(tǒng)使用TI公司生產(chǎn)的OPA2134芯片作為前級運(yùn)放，用于將語音模塊音頻輸出的電壓進(jìn)行放大。再將放大后的信號傳給由音頻功放芯片LM4890構(gòu)成的次級電路，其輸出送入揚(yáng)聲器，完成語音播報。電路原理圖如圖7所示。

通過調(diào)節(jié)圖7中的滑動變阻器R6，可以改變運(yùn)放的放大倍數(shù)。此外，由于本系統(tǒng)中OPA2134芯片為單電源供電，故使用電阻R2～R5為兩個輸入端提供2.5 V的虛擬地以防止信號失真。為了濾除由于虛擬地的存在而產(chǎn)生的直流成分，在LM4890功放電路輸入端加上電容C1以起到隔直通交的作用。

3 軟件設(shè)計

3.1 電子靶軟件設(shè)計

電子靶的軟件設(shè)計分為靶面被擊中環(huán)數(shù)的識別程序和播報顯示環(huán)數(shù)功能的控制程序兩部分，分別由一片STC單片機(jī)控制實現(xiàn)。靶環(huán)區(qū)七組光敏電阻連接的比較器電路構(gòu)成一組七位的返回值，使用前級單片機(jī)STC12C5604AD（1）的七個I/O管腳讀取該值并與無激光照射下的返回值進(jìn)行逐位比較，從而判斷哪一環(huán)被擊中。若有兩環(huán)同時被激光照射，則選取數(shù)值較大的一環(huán)。前級單片機(jī)還計算出擊中的總環(huán)數(shù)，并將環(huán)數(shù)信號通過串行通信傳給后級單片機(jī)STC12C5604AD（2）。其軟件流程圖如圖8（a）所示。

后級單片機(jī)在接收到環(huán)數(shù)和總環(huán)數(shù)后，計算出環(huán)數(shù)的個位、十位，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)字通過I/O管腳輸出，控制數(shù)碼顯示，同時使用串行通信端口控制語音模塊播報。圖8（b）為后級單片機(jī)的軟件流程圖。需要注意的是，在前級單片機(jī)發(fā)出環(huán)數(shù)信號供后級選中一段音頻后，要經(jīng)過足夠的延時待其播放完畢，前級才能繼續(xù)發(fā)送下一環(huán)數(shù)信號。

使用SD語音模塊時，將音頻文件按照特定的編號形式命名并以MP3格式存儲在SD卡中，通過輸入文件名即可播放相應(yīng)的語音。本系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計需要，將數(shù)字“0”～“10”、“總”、“環(huán)”、“數(shù)”和擊中提示音的MP3文件存入SD卡，播報時只需以此選擇與十位、個位數(shù)字對應(yīng)的音頻文件，再根據(jù)情況判斷是否需要播報擊中提示音和“總環(huán)數(shù)”即可。

3.2 炮臺軟件設(shè)計

手動瞄準(zhǔn)時，通過輔助單片機(jī)的AD中斷功能完成對搖桿電壓信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。將轉(zhuǎn)換得到的反映橫豎兩方向運(yùn)動狀態(tài)的兩組數(shù)字信號按照一定算法組合成一個8位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并送入MCF52255單片機(jī)進(jìn)行分析，進(jìn)而控制電機(jī)的驅(qū)動。發(fā)射按鍵則是通過一個輸入的I/O管腳對其進(jìn)行循環(huán)查詢。搖桿做前后、左右轉(zhuǎn)動時，炮臺分別做豎直、水平運(yùn)動。

在自動瞄準(zhǔn)情況下，由于紅外透鏡的濾光作用，外界環(huán)境的彩色圖像被攝像頭采回后變?yōu)榫哂胁煌叶鹊膱D像，這就大大簡化了圖像返回值的復(fù)雜程度。由于其中有用的信息僅為紅外發(fā)光管對應(yīng)的像素點(diǎn)，通過SCCB總線協(xié)議對攝像頭的控制寄存器進(jìn)行設(shè)置，改變其曝光時間，可以使采集圖像中除紅外發(fā)光管區(qū)域外其它全為黑色。將各個像素點(diǎn)與預(yù)先設(shè)定好的閾值比較，使得黑色區(qū)域的返回值為0xFF，白色區(qū)域（紅外發(fā)光管區(qū)域）的返回值為0x00。設(shè)定相應(yīng)的算法，便可以根據(jù)兩個0x00區(qū)域的位置確定靶心位置，進(jìn)而控制電機(jī)帶動攝像頭瞄準(zhǔn)靶心。炮臺程序的流程圖如圖9所示。

4 實驗測試

對本系統(tǒng)進(jìn)行測試，可以得到如下結(jié)果。

（1）在距離2～3 m位置時，手動打靶受人為瞄準(zhǔn)因素影響較大，10次打靶中1次擊中10環(huán)，4次擊中9環(huán)，5次擊中八環(huán)。同樣距離范圍內(nèi)，10次自動打靶，其中2次擊中10環(huán)，8次擊中9環(huán)?？梢姡疚脑O(shè)計的模擬打靶系統(tǒng)具有很高的打靶精度。

（2）炮臺可在水平方向上與靶面中垂線成-90～90 °夾角的范圍內(nèi)自動搜索電子靶并瞄準(zhǔn)，且能執(zhí)行相應(yīng)的發(fā)出提示音、射擊以及示意完成等操作。電子靶可正確地顯示打靶環(huán)數(shù)及總環(huán)數(shù)。系統(tǒng)完成搜索、瞄準(zhǔn)、延遲、射擊、顯示、播報等功能所需的時間均不超過60 s。

（3）移動固定電子靶的三腳架，可以在0～1 m范圍內(nèi)任意設(shè)置靶心與炮臺的豎直距離。實際結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以成功搜索到不同相對高度的靶心。

5 結(jié)語

本文通過結(jié)合光傳感器和攝像頭設(shè)計了炮臺打靶模擬系統(tǒng)，能夠快速瞄準(zhǔn)電子靶并實現(xiàn)打靶功能，自動打靶精度在9環(huán)以上，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)，具有制作、調(diào)試方便的特點(diǎn)。

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