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1、中北大学2013届毕业设计说明书目 录1 引言11.1 自动报靶国内研究状况11.1.1 基于图像处理技术的自动报靶系统11.1.2 基于CCD线阵实现的自动报靶系统21. 2 各类自动报靶系统利弊分析31.3 本设计选取方案激光坐标定位法32 基于激光坐标定位法的自动报靶系统设计52.1 光电靶的设计62.1.1 激光网格的设计62.1.2 激光发射电路的设计72.1.3 激光接收电路的设计82.1.4 数据采集电路的设计92.2 单片机最小系统112.2.1 AT89S52单片机简介112.2.2 单片机最小系统122.3 无线收发模块122.3.1 nRF24L01概述132.3.2 引
2、脚功能及描述142.3.3 工作模式152.3.4 工作原理152.3.5 配置字162.4 液晶显示模块162.5 RS232通信模块182.5.1 RS232通信简介182.5.2 RS232通信模块202.6 声音提示模块213 系统软件设计22第 I 页 共 II 页 中北大学2013届毕业设计说明书3.1 上位机VB程序设计223.1.2 MSComm控件简介223.1.2 自动报靶数据管理系统界面介绍233.2 下位机C语言程序设计263.2.1 Keil软件简介263.2.2 靶机系统程序设计273.2.3 无线收发显示系统程序设计314 系统软件仿真与调试384.1 Prote
3、us软件简介384.2 软件仿真384.3 系统调试384.3.1 光电靶供电问题及其解决方案394.3.2 无线通信模块通信问题及其解决方案395 总结40附录A 系统原理图41附录B 打靶模块实物图42附录C 无线通信显示模块实物图43参 考 文 献44致 谢461 引言射击是军队常见的训练科目，而报靶是射击的重要环节。人工报靶效率低，据统计，射击训练过程中，射击所需时间只是人工报靶、补靶时间的十分之一。而且，当靶纸上弹着点多时，报靶员很难识别新旧弹孔，报靶误差极大，直接影响射击训练质量。此外射击未完全结束时，补靶员现身靶壕外或在补靶员察看靶板报靶和补靶时，射击位管理者若稍有疏忽，就易出现
4、枪支走火，造成人员伤亡，安全隐患极大。基于这些问题，设计制作一个安全有效的自动报靶系统具有重要的现实意义。 如何提高报靶速度以提高训练效率，如何在实弹射击训练中使每个战士都能清楚地知道自己射弹的偏差，针对性地调整动作，积累经验，快速提高射击水平，作为训练者，如何根据准确可靠的射击记录对训练中存在的问题进行分析、总结，找出规律和克服的方法。在电子信息技术高速发展的今天，自动报靶系统为此提供了可能1。由此，本人拟设计一个基于AT89S52单片机的自动报靶系统，由此来提高部队报靶的效率和准确度。1.1 自动报靶国内研究状况自动报靶是随着现代科学技术的巨大进步发展起来的新型报靶技术。目前，我军的射击训
5、练器材性能情况还很落后，大多数是人工报靶，少数是自动报靶系统。其原因有三:一是自动报靶系统科技含量高，成本相对较高;二是目前国内的自动报靶系统技术不够成熟，系统环境适应性差、性能单一，不能满足部队训练需求;三是少数模拟训练系统，只能进行模拟训练，不能实行实弹射击，训练质量难以保证。为此，射击训练器材应重点放在真正实用的自动报靶系统的研发上。为适应科技强军的需要，国内有许多单位对此进行研究，相继开发出多类射击自动报靶系统。这类产品按其功能的实现可以分为：声电定位自动报靶系统、半导体电子靶系统、基于图像处理技术的报靶系统2。1.1.1 基于图像处理技术的自动报靶系统随着图像处理技术的发展和计算机运
6、算速度的不断提高，数字图像处理技术，特别是图像识别技术己经在诸多领域得到了广泛应用3。例如，车牌识别、汽车自动驾驶系统、人脸识别、指纹识别与匹配系统等都是图像识别技术在实际中的典型应用。“基于图像处理技术的自动报靶系统”就是这样一个包括了图像采集、图像识别和数据库处理的典型系统。自动报靶系统都是采用图像处理的有关技术实现的，此类产品是以计算机图像识别和处理为基础。在实弹射击过程中，它使用摄像头对常规的标准靶图像进行采集，根据采集来的靶图像的特点和变化，利用计算机图像识别处理技术找出靶图像中的真实弹点，然后通过判定弹点在靶中的位置来确认弹点的环数位4。使用这种自动报靶系统就好像是使用了一个“电子
7、眼”，它会代替报靶人员的眼睛，在实弹射击过程中不间断的对靶面进行观测。对不同靶位上的每一次射击都采用相同的算法、规则和精度来判定。比手工报靶更客观，更公正，有较高的可用性5。1.1.2 基于CCD线阵实现的自动报靶系统图1.2.2 CCD交汇原理测量图CCD线阵靶利用交汇坐标测量原理实现报靶系统的坐标定位，其基本原理是：为测量空间一点的二维坐标，在竖直平面内放置两个线阵CCD图像传感器，两CCD的光轴交于空间一点，构成一个竖直的光电测量靶面6。对于该竖直面的可成像范围(即两个CCD视场在靶面内的交迭区)内任意一点，在两个CCD上各有一个像点与之相对应。这样，靶面内任意一点的坐标，就可以通过它在
8、这两个CCD上的成像位置计算出来。如图2所示，以两个CCD光轴的交点为原点建立一个平面直角坐标系，轴平行于基线。CCD1的中心位于点S1，CCD2的中心位于点S2，d0为基线长度。OS1与x轴夹角为a，OS2与y轴夹角为b (它们被称为是交汇仰角，传统的两CCD交汇原理中二者大小相同)。靶面上任意一点M相对于两个CCD相机的主光线分别为MA、MB。点M在两个CCD上成像的像高分别为h1、h2，且h1在光轴OS1之上为正，在OS1之下为负(h2同理，因而图中所示的h1为正，h2为负)。MA与x轴夹角为a，MB与y轴夹角为b。MA与光轴OS1夹角为g1，MB与光轴OS2夹角为g2，CCD镜头的焦距
9、为f。由其原理可知，只要确定焦距f，测出基线长d0、交汇仰角a和b，并由两个CCD输出的视频信号确定像高h1和h2，便可得出靶面内任意一点M的坐标。1. 2 各类自动报靶系统利弊分析目前应用较多的还有红外光电定位测试、基于图像处理模板匹配法、基于声电坐标定位法、基于光纤编码定位法、广义Hough变换法(基于图像处理)、面阵CCD精度靶等报靶系统都是较有效的测试方法。近年来发展起来一种新型智能自动报靶系统，与传统的实弹射击准备工序繁琐且隐藏着极大的安全隐患比较，利用这种报靶系统开展的训练将会更安全高效。这一智能自动报靶系统由主机、从机、靶面传感器三部分构成。具有可对射击过程全程监控，并作数据处理
10、、自动统计以及查询成绩等功能，还可对射手存在的问题作出分析，极大地提高了训练效率。目前，新型智能化的自动报靶系统朝着智能化、自动化、数字化方向发展，将会在不远的将来取代传统自动报靶系统7。但以上这些方法也存在着各自的不足，有的技术过于复杂、有的不能用于野外实弹射击报靶、有的成本过高、有的着弹实报率较低、不适用于连发射击训练等缺点。1.3 本设计选取方案激光坐标定位法激光坐标定位法在一些资料中也称为光电坐标定位法。光电靶是由X、Y两个方向上的激光网络构成，如图2.1所示。图2.1 光电靶光电靶，将普通靶纸置于激光网络之前并与之同轴，当子弹打破靶纸，并穿越激光网络时，会阻断相应位置处X和Y两个方向
11、上的各一路激光，从而使接收装置(光敏管)开关状态发生变化。通过对光敏管开关状态进行编码，便可将子弹穿过时对应的光敏管状态进行记录，利用单片机对该信号进行处理，便可得到弹着点的坐标和环数8。激光坐标定位法的主要优点是在实际应用过程中不依赖于靶纸更不依赖于环境，可以做到快速、安全、高效、准确地自动报靶。2 基于激光坐标定位法的自动报靶系统设计本人的毕业设计题目是，基于单片机控制的自动报靶系统设计。该系统由：PC主机系统、无线收发显示系统、靶机系统，其中靶机系统和无线收发显示模块由AT89S52单片机控制。限于个人水平和现有条件限制，本人制作的光电靶只能模拟激光坐标定位法，还不能达到实际应用的要求。
12、经实物的测试表明，弹孔坐标检测准确无误，靶机系统和PC主机通信良好。由此说明本系统的设计方案是完全可行的。图2.2系统结构框图如图2.2所示，靶机系统由光电靶、单片机最小系统、通信模块组成。光电靶负责检测弹孔坐标信息，并把弹孔坐标信息交由单片机最小系统进行处理。最后单片机最小系统把处理好弹孔坐标信息，经过通信模块传给无线收发显示系统。如图2.2所示，无线收发显示系统由通信模块、单片机最小系统、液晶显示模块、语音模块和RS232通信模块组成。通信模块负责接收靶机系统采集到的弹孔坐标信息，并把弹孔坐标信息传送给单片机最小系统。单片机最小系统通过液晶显示模块，把靶机系统采集到的弹孔坐标信息显示出来，
13、并通过语音模块进行语音提示。最后，单片机再通过RS232通信模块，把弹孔坐标信息传送给PC主机系统。PC主机系统，由VB语言编写，主要负责信息的存储和处理。2.1 光电靶的设计2.1.1 激光网格的设计激光网格大小的设计决定了该系统报靶的准确性和信号处理的难度，如图2.1所示。当网格边长b远大于子弹直径a(情况1)时，子弹将会有相当大的概率从网格间穿过造成漏报或是只阻挡住x或y一路光线而造成错报；当网格过小(情况2)时，子弹会阻挡住同一方向上的多路光而增加了数据处理的难度；比较理想的方案是3的情况，此时网格边长略大于子弹直径，这样既能保证子弹不会同时阻挡同一方向的两路或更多的光线也可以确保子弹
14、能以足够大的概率同时阻挡住两个方向上的光而不会漏掉一路。一般打靶用64式手枪和56式半自动步枪弹头直径均为7.62mm，此时网格边长可以设计为7.8mm 即可。当然这种设计方法存在着错报的可能，但概率很低一般可以满足要求。因本系统只是仿真一下真实的光电靶，对报靶的准确度要求不高，故本人在设计时，就采用该种方案。1.ba 2.ba且ba图2.1 激光网格设计本人在制作该光电靶的时候，购买了10个激光发射器和10个激光接收器，来构成5x5的25点激光网格，每个小网格的边长选定为1.2厘米。若选用先前所介绍的7.8mm边长的网格，所制成的25点激光靶面太小，不易观察和测试，由于本系统只是模拟，故采用
15、网格边长1.2厘米，共25点的激光检测网络，已能达到模拟激光坐标法检测靶环原理的目的。本人制作的光电靶实物如图2.2。该光电靶由于只是模拟，故只能够能够检测到10环、9环、8环、7环，这4个打靶成绩。 图2.2 光电靶实物2.1.2 激光发射电路的设计发射元件，在设计中采用工业级红外激光管，如图2.3所示，其稳定性和寿命都比普通低价激光管高很多。图2.3 工业级红外激光管实物图相关特性：1）激光管内附凸透镜，使发射光平行度更高；2）较耐高温，适用于野外环境；3）外围直径6.6mm，体积较小，易于调试与安装。4）激光波长为650nm，属于近红外，可视，方便安装时进行校准和调试。激光发射电路的设计，如图2.4所示。在实物中，光电靶总共用到了10个激光发射器，该电路比较简单，每路发射电路中，包含一个激光
