炮臺(tái)打靶模擬系統(tǒng)的研制

摘 要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種能夠手動(dòng)和自動(dòng)瞄準(zhǔn)的炮臺(tái)打靶系統(tǒng)，通過(guò)激光器代替炮彈模擬打靶過(guò)程。該系統(tǒng)分為電子靶和炮臺(tái)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(tái)的命中情況；炮臺(tái)部分以MCF52255微處理器為核心，可通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)激光器水平和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)，采用搖桿實(shí)現(xiàn)手動(dòng)瞄準(zhǔn)，使用攝像頭識(shí)別靶心實(shí)現(xiàn)自動(dòng)瞄準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可快速完成瞄準(zhǔn)，并實(shí)時(shí)顯示和播報(bào)打靶結(jié)果；自動(dòng)打靶環(huán)數(shù)為9～10環(huán)，具有很高精度。

關(guān)鍵詞：炮臺(tái)打靶 自動(dòng)瞄準(zhǔn) 電子靶 攝像頭

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）05（a）-0005-04

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)生產(chǎn)和生活中各種設(shè)備的自動(dòng)化程度要求越來(lái)越高，能否簡(jiǎn)單迅速地對(duì)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(dòng)控制水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1]。

該文是2012年黑龍江省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)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(tái)打靶模擬系統(tǒng)具有炮臺(tái)和電子靶兩部分。采用紅色激光筆代替火炮，通過(guò)電機(jī)控制激光筆沿水平和豎直方向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)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(gè)環(huán)數(shù)等級(jí)。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(gè)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(tái)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(guò)手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式實(shí)現(xiàn)炮臺(tái)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(bào)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(jì)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

炮臺(tái)打靶模擬系統(tǒng)分為電子靶和炮臺(tái)兩部分，彼此間沒(méi)有電氣連接，下文將對(duì)這兩部分設(shè)計(jì)方案分別介紹。

1.1 電子靶方案設(shè)計(jì)

對(duì)于電子靶而言，需要完成檢測(cè)、處理、顯示、播報(bào)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(cè)處理功能和顯示播報(bào)功能分別用一個(gè)單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)。當(dāng)特定的靶環(huán)上有激光照射時(shí)，一個(gè)單片機(jī)檢測(cè)到傳感器輸出信號(hào)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(yǔ)音播報(bào)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(jì)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?wèn)題成為了關(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(guò)給比較器另一端設(shè)置合適的閾值電壓，就可以檢測(cè)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(jì)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(shí)現(xiàn)靶面上傳感器排布無(wú)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(duì)日光也同樣敏感，在日光較強(qiáng)時(shí)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(duì)于環(huán)與環(huán)之間的干擾問(wèn)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(kāi)，如圖2（d）所示。此外，為了防止并聯(lián)在一起的電阻過(guò)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(shí)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(gè)靶面的傳感器分布情況，其中靶環(huán)區(qū)的每個(gè)小圓形代表一個(gè)光敏電阻，相同圖案的光敏電阻并聯(lián)成一組，兩個(gè)紅外發(fā)光管的作用是炮臺(tái)定位引導(dǎo)。

1.2 炮臺(tái)方案設(shè)計(jì)

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

手動(dòng)瞄準(zhǔn)使用搖桿控制。搖桿具有兩個(gè)滑動(dòng)變阻器，當(dāng)其在橫、豎兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度時(shí)，相應(yīng)方向上的滑動(dòng)變阻器的輸電壓值也會(huì)隨之改變。通過(guò)輔助單片機(jī)對(duì)這兩組電壓值進(jìn)行AD采集，并轉(zhuǎn)化成的數(shù)字信號(hào)送入核心單片機(jī)進(jìn)行分析，從而控制兩個(gè)減速電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速以改變炮臺(tái)位置；同時(shí)，使用輔助單片機(jī)檢測(cè)發(fā)射按鍵是否按下，從而實(shí)現(xiàn)炮臺(tái)發(fā)炮的控制。

自動(dòng)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(huì)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(duì)紅外光線敏感。如圖3所示在電子靶上布置有兩個(gè)紅外發(fā)光管，則在普通光照條件下整個(gè)攝像頭采集的圖像中僅有發(fā)光管處為兩個(gè)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(gè)紅外管圖像所定位的靶心O’偏離攝像頭中心O時(shí)，通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)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(jì)

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(hào)和控制顯示播報(bào)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(tái)的自動(dòng)定位引導(dǎo)裝置、比較器電路、數(shù)碼顯示模塊、SD語(yǔ)音模塊、音頻功放電路；炮臺(tái)部分由MCF52255單片機(jī)系統(tǒng)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、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(gè)模塊組成[3-5]。為方便系統(tǒng)制作，語(yǔ)音模塊和攝像頭模塊采用購(gòu)買(mǎi)的已集成好的電路。

如前面圖4的炮臺(tái)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(hào)，并判斷手動(dòng)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(gè)炮臺(tái)部分的總處理器，用來(lái)處理圖像、驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)以實(shí)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(jì)

如圖1所示，當(dāng)某一靶環(huán)上有激光照射時(shí)，該環(huán)上光敏電阻傳感器兩端的電壓信號(hào)會(huì)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(cè)比較器的輸出信號(hào)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(guò)串行通信控制SD語(yǔ)音模塊進(jìn)行相應(yīng)的環(huán)數(shù)播報(bào)，并使用一組8位I/O端口控制74LS47譯碼器電路從而通過(guò)共陽(yáng)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(guò)芯片自帶的串行通信端口實(shí)現(xiàn)通信。

2.2 電機(jī)控制部分電路

減速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。BTS7960B為半橋驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片之間提供緩沖。EN為驅(qū)動(dòng)使能信號(hào)；ERO1和ERO2用于對(duì)兩個(gè)芯片進(jìn)行電流檢測(cè)；輸入控制信號(hào)IN1、IN2中一個(gè)是占空比可調(diào)的PWM波，另一個(gè)保持低電平，可以靈活改變電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.3 音頻功放電路

由于語(yǔ)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(yǔ)音模塊的后級(jí)電路，可以將聲音信號(hào)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(jí)運(yùn)放，用于將語(yǔ)音模塊音頻輸出的電壓進(jìn)行放大。再將放大后的信號(hào)傳給由音頻功放芯片LM4890構(gòu)成的次級(jí)電路，其輸出送入揚(yáng)聲器，完成語(yǔ)音播報(bào)。電路原理圖如圖7所示。

通過(guò)調(diào)節(jié)圖7中的滑動(dòng)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(gè)輸入端提供2.5 V的虛擬地以防止信號(hào)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(jì)

3.1 電子靶軟件設(shè)計(jì)

電子靶的軟件設(shè)計(jì)分為靶面被擊中環(huán)數(shù)的識(shí)別程序和播報(bào)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(shí)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(jí)單片機(jī)STC12C5604AD（1）的七個(gè)I/O管腳讀取該值并與無(wú)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(shí)被激光照射，則選取數(shù)值較大的一環(huán)。前級(jí)單片機(jī)還計(jì)算出擊中的總環(huán)數(shù)，并將環(huán)數(shù)信號(hào)通過(guò)串行通信傳給后級(jí)單片機(jī)STC12C5604AD（2）。其軟件流程圖如圖8（a）所示。

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

使用SD語(yǔ)音模塊時(shí)，將音頻文件按照特定的編號(hào)形式命名并以MP3格式存儲(chǔ)在SD卡中，通過(guò)輸入文件名即可播放相應(yīng)的語(yǔ)音。本系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)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(bào)時(shí)只需以此選擇與十位、個(gè)位數(shù)字對(duì)應(yīng)的音頻文件，再根據(jù)情況判斷是否需要播報(bào)擊中提示音和“總環(huán)數(shù)”即可。

3.2 炮臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

手動(dòng)瞄準(zhǔn)時(shí)，通過(guò)輔助單片機(jī)的AD中斷功能完成對(duì)搖桿電壓信號(hào)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(dòng)狀態(tài)的兩組數(shù)字信號(hào)按照一定算法組合成一個(gè)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(dòng)。發(fā)射按鍵則是通過(guò)一個(gè)輸入的I/O管腳對(duì)其進(jìn)行循環(huán)查詢(xún)。搖桿做前后、左右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，炮臺(tái)分別做豎直、水平運(yùn)動(dòng)。

在自動(dòng)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(jiǎn)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(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)，通過(guò)SCCB總線協(xié)議對(duì)攝像頭的控制寄存器進(jìn)行設(shè)置，改變其曝光時(shí)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(gè)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(gè)0x00區(qū)域的位置確定靶心位置，進(jìn)而控制電機(jī)帶動(dòng)攝像頭瞄準(zhǔn)靶心。炮臺(tái)程序的流程圖如圖9所示。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，可以得到如下結(jié)果。

（1）在距離2～3 m位置時(shí)，手動(dòng)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(dòng)打靶，其中2次擊中10環(huán)，8次擊中9環(huán)?？梢?jiàn)，本文設(shè)計(jì)的模擬打靶系統(tǒng)具有很高的打靶精度。

（2）炮臺(tái)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(dòng)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(bào)等功能所需的時(shí)間均不超過(guò)60 s。

（3）移動(dòng)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(tái)的豎直距離。實(shí)際結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以成功搜索到不同相對(duì)高度的靶心。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)結(jié)合光傳感器和攝像頭設(shè)計(jì)了炮臺(tái)打靶模擬系統(tǒng)，能夠快速瞄準(zhǔn)電子靶并實(shí)現(xiàn)打靶功能，自動(dòng)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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