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1、光电综合课程设计报告基于发光二极管( LED )和光电二极管( PD )的光幕靶的设计姓 名：刘志鹏 罗顺 欧阳帅 夏景锋 张锐凌 班 级：10电子科学与技术1班 学 号：201030570120 201030570121 201030570122 201030570123 201030570129 指导老师： 罗霞 赵懿琨 日 期： 2013.11.252013.12.06 华南农业大学工程学院21摘 要本文设计一种以8位单片机STC89C51为核心的速度测试系统,可应用于实时记录。采用红外发射二极管阵列形成矩形光幕，利用光电二极管阵列测量光幕的光强，当物体穿过光幕时，相应的光电二极管接收到
2、信号，经信号采集和处理电路计算出物体的速度。结果表明，该测速装置简单可靠，可满足范围速度测量的要求。关键字:光电二极管阵列 红外二极管阵列 单片机目 录1.前言42.硬件设计42.1发光系统52.2光电转换电路62.3单片机电路62.4显示电路72.5总方案73.软件设计84.实验与分析94.1实验数据94.2数据分析104.3 缺陷与改进105.结论116.心得体会11致 谢13参考文献14附录16附录1 89C51单片机测速度程序16附录2 单片机测速度仿真图19附录3 实物图20附录4 元器件清单201. 前言光幕靶多应用于轻武器速度测量中，少部分经改变其构成用于车速测量的运用中。在轻武
3、器飞行弹丸着靶坐标的自动化测试，目前比较成熟的是非接触式超声坐标靶。但受到各种因素的限制，产生的干扰很大。而多光幕靶是一种比较成熟的光电自动报靶装置，通过测量子弹穿过这几个光幕的时间，计算子弹的弹着点坐标多光幕靶测试精度高，但结构较复杂，有效靶区受结构的影响，不易做得很大美国专利描述了一种光电自动报靶装置，这种光电自动报靶装置需要平行度较高的光源，结构复杂，靶面面积不能做得太大英国MSI公司按照这种方案设计的大面积光电自动报靶装置技术已经很成熟，但靶面面积只能达到22而在火工品产品研制和校验中, 需要测试运动螺栓和小滑车的初速以及着靶时间。这些参数是检验该产品的关键参数, 能否准确测量, 直接
4、影响该产品对导弹和发射火箭的点火和引信作用效果。而大多测量时候以人工操作误差大，接触碰撞会造成能耗，导致了测量误差较大。使用非接触式的光幕靶来进行测量时最佳的选择。在射击之类的比赛等等，需要测量速度的，非接触式的光幕靶测量无疑是最好的选择，虽然由于限制，让其受到影响。本文是根据其测量的原理，用LED和PD管搭设光幕靶，以单片机的控制程序进行测试，通过光幕靶的信号进行速度的测量，结构简单，测量数据准确有效。2. 硬件设计本设计工作原理是通过红外光电管的信号来检测物体通过固定距离的时间，然后将数据交单片机处理，在确定位移的情况下，由时间值通过计算后可得到速度值，然后，单片机将速度值输出给显示器。其
5、功能框图如图1。图1 硬件设计原理框图 以单片微处理器STC89C51 为核心, 用于对各输出/输入接口进行控制, 对脉冲输入量进行采集计算, 数据的存储使用STC89C51 片内RAM, 同时其片内RAM 还作为数据缓冲器和显示缓冲区来使用。2.1发光系统设计中采用红外发光二极管阵列发射红外光，形成光幕，相邻的发光二极管的直径为5mm, 则紧密排列后其中心间距为5 mm。根据红外发光二极管的压降，工作电流，额定电压等，设计出能使发光管发光强度满足要求，并能稳定工作的电路。光幕靶采用恒压的设计方法，将每一个红外发光二极管串联一个电阻后，再并联在一起以获得恒定的电压，而电压由单片机电源提供5v电
6、压。具体电路图如图2.图2 发光电路电路图2.2光电转换电路 由于红外光敏二极管对红外光有很高的灵敏度，因此利用红外光敏二极管作为光电转换器件完成光信号到电信号转换。这种器件具有响应速度快、体积小等优点，广泛应用于光电检测。该电路设计采用多只光敏二极管串联一个电阻后通过74LS21连接起来组成阵列，由74LS21的公共端进行信号的输入。两个光幕靶的电路的连接方法相同。其中串联的电阻可稍微大一些，有利于增加电路的灵敏度，以提高整个电路测试的精确度。其转换电路的电路图如图3.图3光电转换电路电路图2.3单片机电路由PD管转换来的信号，进过74LS21后传送到输入端口INT0和INT1，由单片机内部
7、程序进行控制，由INT0输入信号后开始计算时间，在INT1信号输入后结束计算，将得到的时间值送到速度计算的子程序中，再将速度值输出。为了测试的方便，在INT0的信号输入后，计数信号直接传送到显示电路中，可以更客观的看到经过的时间值。单片机及其外围电路如图4.图4单片机基本电路2.4显示电路显示部分由4位8段LED数码管组成，他们的位选线用89C51的P2.2，P2.3，P2.4，P2.5四根线，直接驱动数码管公共端，不用译码。用89C51的P0 口的8 根I /O 口线作为8 段LED数码管的段选线2.5总方案 整体的电路图如图5.由51单片机的复位电路，晶振电路，显示电路和输入电路组成，输入
8、由两个光幕靶组成。 外部传感器产生中断信号1, 时钟开始计时; 外部传感器产生中断信号2, 时钟终止计时。计时器记录时间被速度计算程序调用, 将得到速度值。图5光幕靶设计的全电路图3. 软件设计软件的设计主要由C语言进行编程，控制输入输出信号和进行运算显示等功能，其中含有主程序和子程序。主程序主要对系统进行初始化、送各个参数的初始值、清缓冲区, 调用各个子程序等, 如计算程序, 显示程序。初始化过程如下: 设置CPU的两个外部中断, 接收来自传感器部分的脉冲信号, 和一个时钟中断T0, T0溢出一次其溢出次数寄存器加1, 用于最后计算时间值。中断服务子程序主要对89C51单片机的外部中断进行判
9、断以及启动和停止定时器等, 显示子程序主要对采样的数据和计算结果等进行输出显示.中断服务程序设一标志位, 标志位为0, 表示现在开始计时(测速开始) , 并置标志位为1; 标志位为1, 表示计时已经开始。需要判断是否要停止计时,如果两个中断输入都为低电平才说明此次测速过程有效.测速程序的流程图如图6所示。图6测速度程序流程图4. 实验与分析4.1实验数据在实物完成之后，我们进行了光幕靶的速度测试实验。其实验测试数据如表1. 表1 光幕靶测速度数据序号速度(m/s)平均速度v0123454.164.204.084.124.074.126在测试的过程中，我们设定了位移为1米，在软件的编程中我们也采
10、用了1米，根据自由落体的规律，可以用自由落体的规律公式v=，而在网上可以查找到广州的加速度g=9.788m/s，因此可以获得理论的速度为v=4.424m/s. 4.2数据分析理论值与测量值的差距为0.298m/s,误差为6.7%，在可以接受的误差范围内。误差的产生来源于很多方面。第一， 物体自由落下时，并不完全做自由落体运动，收到空气阻力，虽然测试所使用的物体面积不大，但阻力不可忽略。第二， 硬件上的误差，在网上搜索到的资料中可以查到，子弹在开始进入光幕靶时候所产生的信号不强，到一定时间后才会产生明显的信号，因此，单片机的处理时间会偏低，计算出的速度会偏低。第三， 手动操作的误差，由于设计中未
11、把两个光幕靶固定，因此，光幕靶间的距离并非严格上的1m.4.3 缺陷与改进1）光幕靶的是用LED和PD管的电路构成的，而我们使用的都是红外发射和接收，红外光电二极管对红外光接收敏感，但其他的光也对其有一定的影响，因此太阳光等光都会对其造成影响，导致计算的精确度降低。改进方案：（1）采用黑盒子，排除除了红外二极管的光 （2）采用滤波整流，放大电路2）光幕靶的调整过程是人为的，因此在测试的过程中，两个光幕靶的要求距离与实际距离间有一定的差距，导致了误差。改进方案：将测速度的两个光幕靶综合在一个固定架上，可采用滚珠丝杠原理设计靶架, 可方便地调节。3）两个光幕靶的距离很长，在其中的速度变化量难以预知
12、，而在设计中采用的是通过两个光幕靶才能测出一个速度。改进方案：在一个光幕靶上设计两列的发射和接收管，使得物体通过一个光幕靶时候就产生两个信号，得到一个速度，在整个实验中就可以得到两个速度，求得的平均值更接近真实速度。5. 结论本文设计的是一种基于LED和PD的光幕靶，是一种利用双光幕光幕靶进行物体速度测量的设计方法，该方法结果简单，拓展性强，经改进后能很好的运用于速度测量。由于设计中选用的STC89C51单片机具有丰富的片上外围功能模块，使得整体电路简单，降低了成本。制作的光幕靶在实验时，PD管在一定的距离上能接收到稳定可靠的光的通断信号，单片机能成功的计算并显示物体经过两个光幕靶的平均速度，
13、且达到一定的精度。而数码管能在物体通过第一个光幕靶时候开始持续的显示时间，直到通过下一个光幕靶时显示物体的速度。当只遮住第一个光幕靶，物体不再前进，或者后退，该测速装置都不会对其进行测速，达到了预想的效果。6. 心得体会本次的课程设计是使用LED和PD进行光幕靶的设计，并进行速度的测量，在课程设计的过程中，查阅的资料不多，能在设计上运用的资料也不多，查找到更多的资料是让我们了解到光幕靶的原理和应用。从51单片机的编程到仿真，光幕靶和天幕靶的电路设计，都花费了不少的时间，经历了很多次的失败之后，在不断的改进下，能很好的测量通过光幕靶的物体的速度，也算完成了该次的课程设计。虽然在各个方面来说，我们
14、设计的电路结构很简单，只是利用了测速的原理和最基本的系统，但只要根据需要进行一定的改进，我相信能运用到很多的方面，在设计的过程中，我们发现需要考虑的因素有很多，在接收信号的时候需要滤波和整流，再进行放大，LED的电路需要恒压之类的，还要排除干扰，而因为这是一个小型的测速系统，因此并没有考虑到这些因素，也就是说，该设计会受到外在因素的影响，影响到精确度。最后，在这次的设计中，我们懂得了很多的方案都需要从最简单的开始思考，虽然详尽的思考可以免除一些问题，却也容易让我们往复杂的方向思考，使得方案难以实行。只有在参考资料和自己的改进下，才能做出满意的作品。致 谢非常感谢罗霞老师和赵懿琨老师在做课题设计和做实验的这段时间里对我们小组的指导和建议。因为您们的指导，使我们能顺利完成课题设计和论文。最后，向审阅和评议本论文的老师们致以深深的谢意，谢谢。参考文献1）韩锋，刘群华. 红外天幕靶信号采集及调理电路设计J. 弹道与制导学报，2008（4）：282-2842）刘群华， 韩峰， 蔡荣立， 等. CP
