激光打靶系统毕业设计说明书(编辑修改稿)

激光打靶系统毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

第二章的硬件设计部分），把脱靶的情况与中靶的情况归为一类处理；数据传输采用 UART 串口通信。 研发方向和技术关键 （ 1）合理划分激光靶的光电探测器，提高系统的精度； （ 2）单脉冲小信号的放大和整形； （ 3）多路优先编码器的扩展； （ 4）与微机进行数据传输，方便成绩的统计、保存、显示和查询。 主要技术指标 （ 1） 激光脉宽： 大于 1ms （ 2）激光脉冲响应幅度：约 10 mv （ 3）打靶距离： 30 米 （ 4）串行输出帧格式： 射击次数 ＋ 所击中的光电探测器的编号 4 3 总体设计 激光打靶系统是一种集光、电于一体的系统，其工作原理是激光枪发出的激光束，打到光电传感器上，经光电传感器将光信号转换为电信号，电信号经过信号处理后由单片机发送到计算机的串行口，然后在计算机上完成成绩显示、查询和保存等功能。 激光打靶系统结构的组成框图如图 31 所示。 该系统包括半导体激光枪、模块式探测器、数字 信号处理和发送电路、计算机数据处理程序等四部分。 图 31 系统总体结构框图 激光的检测 [7,8] 每次打靶，激光枪发出一个激光脉冲。 如果激光脉冲击中光电靶，利用光生伏特效应，光电靶上的探测器把光信号转换成电信号，因此激光的检测就是对探测器响应电信号的检测。 光电探测器的响应是一个单脉冲小信号，整个检测过程包括：信号放大、波形整形，检测输出是标准的脉冲数字信号。 靶位的划分 把一个激光靶划分为 38 块探测器，中心 10 环为一块探测器； 环分别有 8 块探测器； 5环有 5 块探测器。 根据不同靶位上的探测器来判断所击中的位置，包括环数： ；偏离方向：上 .下 .左 .右 .左上 .左下 .右上 .右下。 若信号击中两块或四块探测器的交界，则只取其中一块为有效，记为有效的探测器满足以下条件： （ 1）环数高； （ 2）偏离方向为斜向（例如：上和右上两方向，选择右上）。 根据上述要求，以及硬件电路设计的需要，对不同的探测器进行编码，见图32（右）。 激光枪 探测器 模 块 放 大 电 路 滤 波 电 路 整 形 电 路 优 先 编 码 电 路 串 行 收 发 模 块 电 平 转 换 计算机 串口 5 图 32 靶位划分与编号 编码标准 对 38 路信号按以上原则编码，编码结果如表 31。 若脱靶无信号则记为 0 号。 编码后，每一个号码对应了每一个探测器的位置信息，包括环数和偏移方向。 对信号击中两块或四块探测器的交界的情况 ,只需取码号大的探测器为有效。 这样，打靶的结果在硬件电路上的实现便可由 40－ 6 线优先编码器完成。 表 31 靶位编码 上 右上 右 右下 下 左下 左 左上 10环 38 9环 33 37 32 36 31 35 30 34 8环 25 29 24 28 23 27 22 26 7环 17 21 16 20 15 19 14 18 6环 9 13 8 12 7 11 6 10 5环 3 － 2 5 － 4 1 － 成绩的传送和处理 信号经编码后发送到计算机，由计算机进行译码 ，在计算机上模拟显示出射击位置，对一组结果进行统计（包括环数和方向偏移），并进行储存。 其他说明 系统分为硬件部分和软件部分。 本论文主要设计制作硬件部分以及与微机的通讯的 2051 单片机程序。 微机软件部分，包括数据的处理和显示等有另外一名毕业设计同学实现。 6 4 硬件设计 信号放大电路 在光电探测系统中，探测器输出的电信号非常微弱，一般为毫伏级。 为记录每一次打靶的结果，信号放大与 处理电路是打靶系统中不可或缺的。 在探测器上直接进行信号处理十分困难，一种常用的解决办法是在探测器后接前置放大器，用来放大探测器的输出信号，然后成功地传输到信号处理系统的有关电路部分。 前置放大器的设计要求是低噪声，高增益，低输出阻抗，大的动态范围，和较好的抗噪声能力。 在激光打靶系统中，对光电池产生的脉冲信号的具体大小值要求不高，只需检测出有效的脉冲信号，因此可选用集成运放来组成运算放大电路。 通过测试，得到光电探测器对的激光脉冲的响应幅度典型值约为 5mv，若激光击中在两块或多块探测器边界处，则任何一块光电探 测器的响应幅度会减少，因此所检测的脉冲幅度范围大约是 3～ 5mv。 为使每块光电探测器均能检测出信号，使之达到 TTL 电平要求，实现信号检测，必须对信号放大约 1000 倍。 单级运放难以达到这么高的放大倍数，因此采用二级运放进行放大，第一级为前置放大器。 为减少前级放大器的偏移对后级放大器的影响，设计其放大倍数 1001 A ；从而次级放大器的放大倍数 102A。 集成运算放大器（ LM324） 集成运算放大器是实现高增益放大功能的一种集成器 件 [9]，早期主要用来实现对模拟量进行数学运算的功能，目前随着器件性能的改进，它已成为通用的增益器件，应用范围非常广泛。 从电特性来看，集成运放接近理想的电压放大器件，它不仅有很大的输入电阻和很小的输出电阻，而且还有很高的电压增益，此外，静态工作时，它的输入和输出电位均为零，这样，在与其它集成运放连接时，就不需要考虑它们之间的电平配置问题。 LM324 是四通道的低功耗运算放大器，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立，其性能参数有以下几个方面： （ 1）单电源工作方式，工作 电平 3V～ 30V （ 2）低消耗电流：约 mA （ 3）低输入偏移：输入电压偏移： 3 mv（ Typ） ；输入电流偏移： 2 nA（ Typ） （ 4）开环增益： 100V/mv ＝ 100 dB（ Typ） （ 5）宽响应频带 7 图 41 LM324 内部结构 放大电路图 图 42 运算放大器电路图 放大器电路如图 42 所示。 它由两级结构相同的同相放大器组成，集成放大器选用 LM324（图 41）。 信号经隔直流电容 C1 从第一级放大器的正端“＋”输入， 经过放大后输出，再经过级间耦合电容 C2 输入第二级放大器的正端。 前级的放大倍数 100121  RRA ，后级的放大倍数 10562  RRA ， 3R 和 7R 为输入匹配电阻。 电路原理 （ 1） 同相放大器 [10]（图 43） 集成运放是一种十分理想的增益器件，性能好，使用方便。 该电路采用 2 级放大器级联，每级的放大器均采用同相放大。 由集成运放构成的同相放大器，其特点是输入信号 加在同相输入端，而反馈信号加在反相端。 根据理想化条件，由于 svv  ，因而 svv 。 根据 0i （虚断），v 又是 0v 在 1R 上的分压值，即 : 8 fo RRRvv 11 (41) 因而，放大器的增益： 111 1 RRR RRvvA ffSoVf  (42) 0VfA ，所以 ov 与 Sv 同相。 图 43 同相放大器 （ 2） 外围电路 光电传感器对外部光线也有响应，因此必须滤除这种干扰。 由于背景光线是持续信号，其响应主要是直流量 ，在第一级放大器输入端的前面设计接入一个 1uf电容 C1 起到隔离直流作用，能起到很好的效果。 第二级的 1uf 电容 C2 用于两级放大器的耦合。 第一级放大器输入端和地之间接 R3；第二级放大器输入端和地之间接 R7。 使得 :  657213 //// RRR RRR (43) 这样，运放的正、负输入端对地的等效电阻相等，从而降低运放的电压偏移。 电路参数 （ 1） 输入脉冲幅度： mvUi 5~3 （ 2） 输入电阻：  kRi 10 （ 3） 输出电阻：  kRo 1 （ 4） 放大倍数： 1 0 0 01 0 01021  AAA （ 5） 放大器级数： 两级，前级 1001 A ；后级 102A （ 6） 耦合方法： 电容耦合 整形电路 [11] 光电池的输出脉冲并不是规则的矩形脉冲信号，而是类似升余弦信号。 再经放大后也会产生失真，因此必须对信号进 行整形。 采用常用的 CD4093 施密特触发器便可实现整形功能，改善脉冲波形，确保后续编码器的正常编码。 施密特触发器。