針對部隊瞄準訓(xùn)練的實際需要,，這里研制了一套電路簡單、體積小,、重量輕,、造價低、便于移動和自動報靶的無線光電靶系統(tǒng)，較好地解決了日常訓(xùn)練中的問題,。

1 整體設(shè)計
    該無線光電靶系統(tǒng)主要由懸掛于移動裝置上的光電靶,；置于操炮手附近的光電靶控制器；一個固定在炮身上并與炮身同步移動的半導(dǎo)體激光器三部分組成,。
    當操炮手訓(xùn)練中,，瞄準靶標時踩動射擊踏板，激光器發(fā)出一束激光,，照射在靶標上,，靶標上的光敏元件接收到激光，由單片機采集光敏元件的信息,，利用無線裝置將信息發(fā)送到光電靶控制器,，由控制器顯示激光照射的位置，同時用語音報告環(huán)數(shù)和偏離的方向系統(tǒng)圖如圖1所示,。

2 光電靶電路設(shè)計
    從圖1可以看出,，光電靶由單片機、光敏元件陣列,、無線通信模塊和夜間指示燈4部分組成,。

2．1 單片機模塊
    這里采用51系列單片機中的新型號AT89S52，因為這款設(shè)計需要擴展5個8位并行口,，主要考慮其具有比較好的擴展能力,，其他特性無需贅述。
2．2 光電測量模塊的設(shè)計
    光敏元件采用光敏二極管,，在反向電壓作用下,，其電流隨光線強度成正比。將光敏二極管在規(guī)定的范圍內(nèi)(直徑60 mm)形成陣列(按照圓環(huán))排列,，由AT89S52單片機擴展的接口電路對光敏元件的輸出信號進行采集,。
    以前有的方案是利用光纖將采集的激光信號傳導(dǎo)到光敏元件，這里為了降低成本減少體積,，將光敏管直接布置在靶面上,，每個光敏元件由一個遮光管套住，可避免大部分散射光的影響,。光敏電路是光電靶的核心,，也是本設(shè)計的創(chuàng)新之處，其他電路圍繞光敏電路展開設(shè)計,。利用比較器進行光電檢測的模數(shù)轉(zhuǎn)換,，圖2是光敏電路的基本原理圖。其中LM324是運算放大器,，作為比較器使用,，當電壓V2>V1時,，運算放大器正向飽和，輸出電壓V,。接近電源電壓,，稱為高電平1；當電壓V2

    在靶面安排上,，參考光檢測元件放在靶標周圍不遠處，使得其接受的環(huán)境光照條件與光電靶測光元件相同,。當沒有激光照射時,，參考光檢測元件和光電靶測光元件同時受到環(huán)境光線的照射，調(diào)整電位器RV1,，使得V1略大于V2,，運算放大器LM3243的輸出電壓V0為O；當有激光照射到光電靶測光元件的時候,，V2就會大于V1,，使V0為1。當激光照射脫離光電靶的范圍,，哪怕只照射到參考光檢測元件,，運放的輸出始終為0。利用這種方法實現(xiàn)光電信號的采集和A／D轉(zhuǎn)換,，省去了速度慢且價格高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，電路得到簡化，速度得到提高,，同時也排除了環(huán)境光線的變化的影響,。
    在實際電路中，一個參考光檢測元件為多個光電靶測光元件提供參考電壓,，電路得到進一步簡化,。在這種情況下，要求多個光電靶測光元件的光電特性一致,，或者接近一致,，才不至于出現(xiàn)誤差。經(jīng)過篩選的測光元件完全可以滿足這種要求,。
    實際實驗證明,，在陽光強烈的室外,，只要沒有陽光直射到靶面，就工作正常,；在夜晚星光下(遠處有路燈),，也工作正常。
光敏元件的排列與LED的排列方式基本一致,，不同的地方是,，7環(huán)有16個光敏元件均布，6環(huán)有24個光敏元件均布,。這樣排列的目的是減小各個光敏元件的間距,，以免激光束照射不到。
    利用51系列單片機擴展的多個并行接口來讀取光電靶的信息,，然后進行數(shù)據(jù)處理,，就可以判定激光束所照射的中心點，從而給出射擊成績,。擴展電路使用了數(shù)據(jù)收發(fā)器74HC244和譯碼器74HCl388,。
2．3 無線通信模塊
    光電靶需要接收光電靶控制器發(fā)送來的操作命令，還需要把采集的射擊成績發(fā)送給光電靶控制器,，所以無線模塊需要雙向通信(半雙工),。這里采用市場比較常見的工業(yè)無線通信模塊并加以改造，基本滿足功能需要,，并且成本低廉,。無線通信模塊與單片機的連接利用一個擴展的并行口和幾根控制線。2．4 夜間指示燈
    為了夜間訓(xùn)練方便,，設(shè)計了由發(fā)光二極管組成的靶標指示燈,，在夜間可以打開此指示燈，以便觀瞄,。此指示燈是由靶心燈(內(nèi)燈)和靶周燈(外燈)組成,，可以由光電靶控制器無線控制其開關(guān)。

3 光電靶控制器電路設(shè)計
    從圖1可以看出,，光電靶控制器由單片機,、發(fā)光二極管陣列、無線通信模塊,、激光模塊和語音播放模塊組成,。另外還有用于操作的按鍵。
3．1 單片機電路
    使用的單片機仍然是AT89S52,，擴展5個8位并行口,，其中4個并行口用來控制LED發(fā)光，1個用來連接無線通信模塊,。
3．2 發(fā)光二極管顯示陣列
    由AT89S52單片機擴展的并行口來驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)的亮和滅,，用來顯示擊中的位置,。LED的排列方式與光敏元件的排列方式一致，便于指示射擊結(jié)果,，如圖3所示,。

    圖3中，一個最小的圓圈代表一個LED,?？梢钥闯觯?0環(huán)只用1個LED,，亮的時候表示擊中10環(huán),；9環(huán)只用4個LED，可以指示上下左右4種偏差,，上邊的LED亮表示9環(huán)偏上等,；8,，7,，6環(huán)都是8個LED，可以表示8種偏差,。
3．3 激光器
    購買市場常見的筆形半導(dǎo)體激光器,。
3．4 無線通信裝置
    購買市場常見的無線收發(fā)器，加以改造以適合與單片機匹配,。光電靶和控制器均為雙向收發(fā)(半雙工),。
3．5 語音電路
    在單片機的控制下播放事先錄制好語音內(nèi)容。

4 光電靶程序設(shè)計
4．1 光電靶的主程序
    整個光電靶的程序由開機自檢,，光信號檢測,，數(shù)據(jù)處理，向控制器發(fā)送檢測結(jié)果,，無線命令接收和執(zhí)行等子程序組成,，由主程序根據(jù)條件調(diào)用子程序。主程序框圖如圖4所示,。

    無線接收利用中斷完成,。每次接收到一個有效的命令，就會將命令保存在一個指定地址,，然后建立一個標志位,，通知主程序。主程序根據(jù)命令內(nèi)容,，調(diào)用相應(yīng)的子程序,，完成命令要求的任務(wù)。中斷服務(wù)程序框圖略,。
4．2 數(shù)據(jù)處理程序
    數(shù)據(jù)處理程序的功能是根據(jù)讀取的光敏檢測數(shù)據(jù),，計算出激光擊中的位置,。
    由于民用激光器的光斑直徑有的比較大，有的比較小,。在幾十米的距離上,，一般光斑直徑在10～30 mm。激光照射靶標,，往往是同時照射幾個光敏元件,，該程序就是要確定光斑的中心位置。
    對照圖3,，假設(shè)光斑中心在10環(huán),，可能被照射光敏元件只有10環(huán)的，也可能還有9環(huán)的4個,，還有可能8環(huán)的8個也被照射等,。要確定10環(huán)，除了10環(huán)的光敏元件被照射,，還有9環(huán),、8環(huán)、7環(huán)可能被照射,，并且全環(huán)都被照射,，否則不能確定10環(huán)。
    10環(huán)以外的其他環(huán)數(shù)的確定,，需要根據(jù)光斑照射到的環(huán)數(shù)和區(qū)數(shù)來確定,。環(huán)號，就是10,，9,，8，7,，6環(huán),；環(huán)數(shù)就是光斑照射到的環(huán)有幾個，比如光斑照射到9,，8,，7環(huán)，環(huán)數(shù)就是3,。區(qū)號和區(qū)數(shù)：正上方為1區(qū),，右上方為2區(qū)，按照順時針方向分為8個區(qū),，編號為1～8號區(qū),；光斑照射到3，4,，5,，6區(qū),，則區(qū)數(shù)為4。
    中心環(huán)號計算：首先要根據(jù)所有照射到的環(huán)號計算出環(huán)數(shù),，然后計算出中心環(huán)號,。最大環(huán)號減去環(huán)數(shù)除以2取整，這就是光斑中心的環(huán)號,。取整的目的是小數(shù)的環(huán)數(shù)不好顯示,。如果用數(shù)碼顯示則可以保留小數(shù)。
    中心區(qū)號計算：根據(jù)所照射的所有區(qū)號計算出區(qū)數(shù),，再計算出中間區(qū)號,，就是光斑的中心區(qū)號。這里有一個問題：當被照射的區(qū)號是7,，8,，1，2,，3的時候,，要把最大區(qū)號確定為11，最小區(qū)號確定為7,，再計算出區(qū)數(shù)和中心區(qū)號,。如果計算的中心區(qū)號大于8則減去8才是真正結(jié)果。以區(qū)號是7,，8，1,，2,，3為例：區(qū)數(shù)=11-7+1=5，5／2=2．5,，2．5取整=2,，最大區(qū)號減去區(qū)數(shù)的一半取整，即11-2=9,，由于9大于8,，要減去8，即9-8=1,，這就是中心區(qū)號,，即偏上方。
    中心環(huán)號和區(qū)號確定,，數(shù)據(jù)處理完畢,。
    圖5是8個區(qū)的區(qū)號計算子程序框圖，其他子程序略,。

從圖5中可以看出,，如果原始數(shù)據(jù)的最大區(qū)號不是8,，那就直接計算中心區(qū)號。如果原始數(shù)據(jù)的最大區(qū)號是8,，就要判斷1區(qū)是否有被激光照射,，如果沒有，那就直接計算中心區(qū)號,。如果1區(qū)有激光照射,，最大區(qū)號要加1，然后還要判斷2區(qū),，依此類推,，直到?jīng)]有照射，最大區(qū)號確定,。這里判斷到6區(qū),，已經(jīng)留有余地，實際上不大可能出現(xiàn)這種情況(參照圖3分析),。第一次計算的中心區(qū)號,，還要判斷其值是否大于8，如果大于8還要減1,，得到最終的結(jié)果,。
5 光電靶控制器的程序設(shè)計
    光電靶控制器的程序主要由開機自檢，操作命令的接收和執(zhí)行,，無線數(shù)據(jù)信號的接收和顯示,，聲音的播放控制等幾個部分組成，其主程序的框圖如圖6所示,。

 

    從圖6可以看出,，主程序開機自檢之后，進入主循環(huán),。在主循環(huán)中,，除了按照各種標志位來控制LED的顯示和語音播放之外，就是檢查按鍵,，一旦有鍵盤命令,，立即啟動無線發(fā)送模塊進行發(fā)送。這幾個鍵盤命令都是針對光電靶的命令,，內(nèi)燈命令和外燈命令是對光電靶的夜間指示燈的控制命令,，擊發(fā)命令和重發(fā)命令解釋如下：
    擊發(fā)命令 在操炮手瞄準靶標踩下開炮開關(guān)時，接通激光器電源發(fā)出激光,，并同時產(chǎn)生一個信號給光電靶控制器的單片機,，由單片機通過無線信號傳送給光電靶。光電靶接收到擊發(fā)命令，開始對光敏元件進行掃描,，得到原始數(shù)據(jù),。在對掃描的數(shù)據(jù)處理之后得到激光光斑中心位置的信息，就是環(huán)號和區(qū)號,。光電靶將此環(huán)號和區(qū)號通過無線模塊發(fā)送回光電靶控制器,。光電靶控制器據(jù)此控制LED的顯示和語音播放。
    重發(fā)命令 這個命令是要光電靶將上次擊發(fā)產(chǎn)生的信息重新發(fā)送一次,，以便核對,。
    數(shù)據(jù)的接收每當無線模塊接收到一次有效的信號，就會申請一次中斷,。在中斷服務(wù)程序中讀取接收的數(shù)據(jù),，并保存在一個指定的地址里，以便主程序處理,。數(shù)據(jù)的內(nèi)容是激光光斑中心的環(huán)號和區(qū)號,。中斷服務(wù)程序的框圖如圖7所示。

6 結(jié)語
    利用參考光和比較器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,，電路簡單可靠,，速度快。光敏元件圓環(huán)狀排列,，可以充分利用元件,。利用單片機的程序處理可以很容易得到光斑的中心位置。經(jīng)中國人民解放軍高炮某部使用效果很好,，達到了設(shè)計要求,，解決了動態(tài)靶瞄準的訓(xùn)練問題。而且光電靶重量輕,、移動方便,，很適合各種野外訓(xùn)練需要。如果將激光器安裝在其他槍械上,，還可以用在步兵的射擊訓(xùn)練上。現(xiàn)在正在改進,，準備添加射擊成績統(tǒng)計功能,，在光電靶控制器上加一個數(shù)碼顯示器，實時顯示射擊次數(shù),、總環(huán)數(shù)等,，同時還可以與上位機聯(lián)網(wǎng)，便于數(shù)據(jù)的儲存和管理,。