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摘 要：设计并实现了一种能够手动和自动瞄准的炮台打靶系统，通过激光器代替炮弹模拟打靶过程。该系统分为电子靶和炮台两部分，其中电子靶以STC12C5604AD微处理器为核心，采用光敏电阻阵列捕获炮台的命中情况；炮台部分以MCF52255微处理器为核心，可通过电机带动激光器水平和垂直转动，采用摇杆实现手动瞄准，使用摄像头识别靶心实现自动瞄准。实验表明，该系统可快速完成瞄准，并实时显示和播报打靶结果；自动打靶环数为9～10环，具有很高精度。
关键词：炮台打靶 自动瞄准 电子靶 摄像头
中图分类号：TP273.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（a）-0005-04
随着电子技术的发展，人们对生产和生活中各种设备的自动化程度要求越来越高，能否简单迅速地对远处目标进行定位并执行相应的控制步骤，是衡量设备自动控制水平的一项重要指标[1]。
该文是2012年黑龙江省大学生电子设计竞赛设置的题目之一，充分体现了定位控制技术的重要意义。赛题要求炮台打靶模拟系统具有炮台和电子靶两部分。采用红色激光笔代替火炮，通过电机控制激光笔沿水平和竖直方向转动，实现瞄准功能。电子靶的中心环数是10环，最外圈是6环，共五个环数等级。中心10环的直径为1 cm，其他环相邻的两环半径差为1 cm，整个靶面为17 cm的正方形，不准利用靶环区引导炮塔。炮台与电子靶水平相距2～3 m，竖直距离在1 m之内，且二者之间不能通信。能够通过手动和自动两种方式实现炮台的瞄准射击功能，电子靶在被击中后能够迅速地显示并播报相应环数和总环数。该文所完成的装置获2012年黑龙江省大学生电子设计竞赛一等奖。
1 系统方案设计
炮台打靶模拟系统分为电子靶和炮台两部分，彼此间没有电气连接，下文将对这两部分设计方案分别介绍。
1.1 电子靶方案设计
对于电子靶而言，需要完成检测、处理、显示、播报等环节，为了保证系统的可靠性和灵活性，采用多模块结构完成这些功能，将检测处理功能和显示播报功能分别用一个单片机控制实现。当特定的靶环上有激光照射时，一个单片机检测到传感器输出信号的变化并判断出被击中的环数后，将该环数传给另一片单片机，由其控制完成环数的语音播报和数码显示。电子靶的结构框图如图1所示。
在设计出电子靶的整体系统后，优化电子靶面传感器排布的问题成为了关键。光敏电阻具有光照下阻值显著减小的特性[2]。在靶环区放置光敏电阻并分别按环并联，将并联后的各组电压值送到比较器的一端，通过给比较器另一端设置合适的阈值电压，就可以检测出哪一环有激光照射。图2所示为电子靶示意图及靶面传感器排布设计图。
在图2（b）中，由于红色激光炮的光源是点光源，直接打在电阻环上的着落面积很小，因此若要实现靶面上传感器排布无盲区，就需要数量很多的光敏电阻。如图2（c）所示，用白纸将靶罩住，使点光源发生散射从而增大激光在靶面上的照射面积，能有效地减少光敏电阻数量。由于光敏电阻对日光也同样敏感，在日光较强时容易造成误判，为此在白纸下放置多层红色滤光纸遮挡电子靶以减少照射到光敏电阻的日光强度而不影响激光炮所发出红色光束的透射，可提高系统抗环境干扰能力。对于环与环之间的干扰问题，使用黑色卡纸按照电子靶各环的边界大小制成2 cm高的隔栅将每一环的光敏电阻隔开，如图2（d）所示。此外，为了防止并联在一起的电阻过多阻值变小而缩短了光敏电阻两端电压变化范围，导致激光照射时电压变化不明显，我们将最外圈两环各分成两组，其余电阻数量较少的环可以每环并联成一组。图3为整个靶面的传感器分布情况，其中靶环区的每个小圆形代表一个光敏电阻，相同图案的光敏电阻并联成一组，两个红外发光管的作用是炮台定位引导。
1.2 炮台方案设计
炮台瞄准要求有手动和自动两种方式，其总体结构框图如图4所示。
手动瞄准使用摇杆控制。摇杆具有两个滑动变阻器，当其在横、竖两个方向转动不同角度时，相应方向上的滑动变阻器的输电压值也会随之改变。通过辅助单片机对这两组电压值进行AD采集，并转化成的数字信号送入核心单片机进行分析，从而控制两个减速电机的转向和转速以改变炮台位置；同时，使用辅助单片机检测发射按键是否按下，从而实现炮台发炮的控制。
自动控制部分选用摄像头作为图像传感器，固定摄像头使之与激光炮的方向相同。正常情况下，摄像头视野内各种颜色的景物和光线会大大增加图像分析的难度，因此，我们使用红外光透镜遮住摄像头，使其只对红外光线敏感。如图3所示在电子靶上布置有两个红外发光管，则在普通光照条件下整个摄像头采集的图像中仅有发光管处为两个亮点，其余部分均为较深的暗色。如图5所示为摄像头采集到的图像示意图，当两个红外管图像所定位的靶心O’偏离摄像头中心O时，通过单片机控制电机转动来调整摄像头角度，最终使图中O点和O’点重合，则视为瞄准成功，进而完成后续的控制激光器发射“炮弹”操作。
2 硬件设计
系统的整体硬件由两部分组成，其中电子靶部分包括用于采集信号和控制显示播报的STC12C5604AD单片机最小系统电路、电子靶面的光敏电阻和炮台的自动定位引导装置、比较器电路、数码显示模块、SD语音模块、音频功放电路；炮台部分由MCF52255单片机系统电路、电机驱动、摇杆及其AD转换电路以及OV7620摄像头及其控制电路等几个模块组成[3-5]。为方便系统制作，语音模块和摄像头模块采用购买的已集成好的电路。
如前面图4的炮台系统总体结构所示，其中STC12C5604AD芯片为辅助单片机，使用其片内集成的8位AD采集摇杆电位信号，并判断手动发炮按键是否按下。Coldfire系列的MCF52255单片机为核心单片机，它作为整个炮台部分的总处理器，用来处理图像、驱动减速电机以实现激光炮瞄准和执行射击操作。
关键词：炮台打靶 自动瞄准 电子靶 摄像头
中图分类号：TP273.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（a）-0005-04
随着电子技术的发展，人们对生产和生活中各种设备的自动化程度要求越来越高，能否简单迅速地对远处目标进行定位并执行相应的控制步骤，是衡量设备自动控制水平的一项重要指标[1]。
该文是2012年黑龙江省大学生电子设计竞赛设置的题目之一，充分体现了定位控制技术的重要意义。赛题要求炮台打靶模拟系统具有炮台和电子靶两部分。采用红色激光笔代替火炮，通过电机控制激光笔沿水平和竖直方向转动，实现瞄准功能。电子靶的中心环数是10环，最外圈是6环，共五个环数等级。中心10环的直径为1 cm，其他环相邻的两环半径差为1 cm，整个靶面为17 cm的正方形，不准利用靶环区引导炮塔。炮台与电子靶水平相距2～3 m，竖直距离在1 m之内，且二者之间不能通信。能够通过手动和自动两种方式实现炮台的瞄准射击功能，电子靶在被击中后能够迅速地显示并播报相应环数和总环数。该文所完成的装置获2012年黑龙江省大学生电子设计竞赛一等奖。
1 系统方案设计
炮台打靶模拟系统分为电子靶和炮台两部分，彼此间没有电气连接，下文将对这两部分设计方案分别介绍。
1.1 电子靶方案设计
对于电子靶而言，需要完成检测、处理、显示、播报等环节，为了保证系统的可靠性和灵活性，采用多模块结构完成这些功能，将检测处理功能和显示播报功能分别用一个单片机控制实现。当特定的靶环上有激光照射时，一个单片机检测到传感器输出信号的变化并判断出被击中的环数后，将该环数传给另一片单片机，由其控制完成环数的语音播报和数码显示。电子靶的结构框图如图1所示。
在设计出电子靶的整体系统后，优化电子靶面传感器排布的问题成为了关键。光敏电阻具有光照下阻值显著减小的特性[2]。在靶环区放置光敏电阻并分别按环并联，将并联后的各组电压值送到比较器的一端，通过给比较器另一端设置合适的阈值电压，就可以检测出哪一环有激光照射。图2所示为电子靶示意图及靶面传感器排布设计图。
在图2（b）中，由于红色激光炮的光源是点光源，直接打在电阻环上的着落面积很小，因此若要实现靶面上传感器排布无盲区，就需要数量很多的光敏电阻。如图2（c）所示，用白纸将靶罩住，使点光源发生散射从而增大激光在靶面上的照射面积，能有效地减少光敏电阻数量。由于光敏电阻对日光也同样敏感，在日光较强时容易造成误判，为此在白纸下放置多层红色滤光纸遮挡电子靶以减少照射到光敏电阻的日光强度而不影响激光炮所发出红色光束的透射，可提高系统抗环境干扰能力。对于环与环之间的干扰问题，使用黑色卡纸按照电子靶各环的边界大小制成2 cm高的隔栅将每一环的光敏电阻隔开，如图2（d）所示。此外，为了防止并联在一起的电阻过多阻值变小而缩短了光敏电阻两端电压变化范围，导致激光照射时电压变化不明显，我们将最外圈两环各分成两组，其余电阻数量较少的环可以每环并联成一组。图3为整个靶面的传感器分布情况，其中靶环区的每个小圆形代表一个光敏电阻，相同图案的光敏电阻并联成一组，两个红外发光管的作用是炮台定位引导。
1.2 炮台方案设计
炮台瞄准要求有手动和自动两种方式，其总体结构框图如图4所示。
手动瞄准使用摇杆控制。摇杆具有两个滑动变阻器，当其在横、竖两个方向转动不同角度时，相应方向上的滑动变阻器的输电压值也会随之改变。通过辅助单片机对这两组电压值进行AD采集，并转化成的数字信号送入核心单片机进行分析，从而控制两个减速电机的转向和转速以改变炮台位置；同时，使用辅助单片机检测发射按键是否按下，从而实现炮台发炮的控制。
自动控制部分选用摄像头作为图像传感器，固定摄像头使之与激光炮的方向相同。正常情况下，摄像头视野内各种颜色的景物和光线会大大增加图像分析的难度，因此，我们使用红外光透镜遮住摄像头，使其只对红外光线敏感。如图3所示在电子靶上布置有两个红外发光管，则在普通光照条件下整个摄像头采集的图像中仅有发光管处为两个亮点，其余部分均为较深的暗色。如图5所示为摄像头采集到的图像示意图，当两个红外管图像所定位的靶心O’偏离摄像头中心O时，通过单片机控制电机转动来调整摄像头角度，最终使图中O点和O’点重合，则视为瞄准成功，进而完成后续的控制激光器发射“炮弹”操作。
2 硬件设计
系统的整体硬件由两部分组成，其中电子靶部分包括用于采集信号和控制显示播报的STC12C5604AD单片机最小系统电路、电子靶面的光敏电阻和炮台的自动定位引导装置、比较器电路、数码显示模块、SD语音模块、音频功放电路；炮台部分由MCF52255单片机系统电路、电机驱动、摇杆及其AD转换电路以及OV7620摄像头及其控制电路等几个模块组成[3-5]。为方便系统制作，语音模块和摄像头模块采用购买的已集成好的电路。
如前面图4的炮台系统总体结构所示，其中STC12C5604AD芯片为辅助单片机，使用其片内集成的8位AD采集摇杆电位信号，并判断手动发炮按键是否按下。Coldfire系列的MCF52255单片机为核心单片机，它作为整个炮台部分的总处理器，用来处理图像、驱动减速电机以实现激光炮瞄准和执行射击操作。