军用训练靶数字系统的设计毕业复习进程.doc
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1、此文档收集于网络,如有侵权请联系网站删除目 录1课题的研究11.1课题背景11.2课题研究的内容11.3课题研究的目的及意义12军用训练靶数字系统的方案设计22.1设计任务22.2方案确定22.2.1系统功能研究32.2.2决定方案因素42.2.3数据传输方案42.2.4信号采集方案52.2.5系统方案确定62.3军用训练靶数字系统的组成62.3.1军用训练靶数字系统结构62.3.2系统各个模块功能描述73军用训练靶数字系统硬件电路设计93.1设计该系统硬件需要具备的知识93.2相关功能模块设计93.2.1采样模块设计93.2.2电源电路设计103.2.3复位电路设计113.2.4显示电路设计
2、123.2.5通信接口设计123.3相关设计原理介绍133.3.1主控电路原理133.3.2显示电路原理133.3.3计算机串口接口说明153.4无线传输模块介绍163.5相关参数的设定173.5.1XL01-232AP2模块的设置173.5.2波特率的设置173.6串口数据传输技术183.6.1单片机与模块之间的通信183.6.2单片机与电脑之间的通信184军用训练靶数字系统软件部分194.1单片机编程194.1.1软件功能分析194.1.2主要程序设计204.2PC机Vc+编程214.2.1Vc+下串行编程的方法214.2.2串行通信控件MSComm224.2.3Vc+下界面制作技术235
3、军用训练靶数字系统制作及调试245.1系统PCB板的设计245.1.1布局245.1.2布线245.2硬件调试255.2.1元器件测试255.2.2芯片管脚信号测试265.3软件调试275.3.1系统主控软件调试275.3.2Vc+界面绘图程序段调试285.3.3界面图像重叠错误调试305.3.4界面控件覆盖错误调试316总结32谢辞33参考文献34附录35附录1 发送端控制程序35附录2 接收端控制程序44附录3 界面Vc+程序48附录4 系统原理图62附录5 系统PCB图63此文档仅供学习和交流1 课题的研究1.1 课题背景 目前部队在每次射击训练完后,大都采用人工现场报靶的方式来报告成绩
4、。这样就出现了许多的不足以及安全隐患,比如多次射中同一位置的时候,由于使用纸质靶环,报靶者就很难区分是脱靶,还是两次打在同一个位置;再比如报靶者现场报靶也存在安全隐患等等,这些问题都亟待解决。随着现代科学技术的发展,越来越迫切希望出现一种能够实现自动报靶功能的系统,从而去弥补现有状况的不足。为解决上述问题,出现了军用自动报靶装置如图2-1。根据该装置靶面结构其功能需要,要求设计出军用训练靶数字系统并且该系统通过分析弹着点在靶面的位置信号,就能够实现自动报靶的功能。本课题就此进行了军用训练靶数字系统的方案研究,利用单片机控制技术,设计出相应的硬件电路和系统软件,研制了军用训练靶数字系统的原理样机
5、,实现了自动报靶功能。1.2 课题研究的内容研究的内容可以分为:(1) 军用自动报靶装置的结构其动作原理分析。该装置靶面被分割成许多的小块,小块为挡板(如图2-2)。当子弹撞击靶面(即打到挡板上时),挡板受力往后运动,从而推动导柱动作;导柱运行一定的行程后便触发安装在其背面的信息采样电路,形成一个击中信息。通过采集该信息,实现远程无线自动报靶的功能,(2) 根据靶面结构及工作原理完成系统方案的研究,软硬件的设计以及样机的制作。1.3 课题研究的目的及意义本课题设计的目的:设计出可靠,经济,方便,安全的数控军用训练靶数字系统。本课题研究的意义:现有射击训练模式是采用人工报靶,其危险系数大,而且容
6、易造成误报或漏报靶的情况,这在一定程影响度了射击训练。本课题旨在提高部队射击训练的安全性以及准确性,其优点在于:(1) 无需专业人员操作,通电即可,连续使用,方便简单;(2) 能起到自动报靶的作用,大大提高报靶安全系数;(3) 稳定系数高,不会造成漏靶,错报的情况;(4) 可视化界面显示设计,更加方便观察;(5) 成本低廉。2 军用训练靶数字系统的方案设计本章介绍军用训练靶数字系统方案设计的思路。其包括设计任务的描述,数据采集以及传输方案的设计及比较,系统的结构及功能介绍等,设计主要从两个方面来考虑:硬件方案:根据功能需要设计出相应的功能电路并论证其可行性,然后对设计所使用的元器件进行选型并了
7、解所选用的元器件特性,确定硬件方案,得出系统原理图;软件方案:根据所设计的芯片外围电路以及系统要求的功能去编写程序,配合硬件实现其功能。2.1 设计任务该数字系统应该完成:通过对子弹弹着点信息的采集分析、处理,传输、显示(包括数码管显示以及多靶位电脑屏幕显示),实现自动报靶功能。其主要的内容为:(1) 分析军用靶结构和子块的动作要求,研究靶的结构特点;(2) 提出军用靶数字采集系统的工作原理,进行系统设计;(3) 设计出数字系统的硬件电路,并进行信号处理的软件编程和调试;(4) 编写相关程序,制作电脑屏幕显示界面,实现多靶位的计算机屏幕显示功能;(5) 制作出原理样机,进行实际训练射击验证,满
8、足工作要求。 图2-1 自动报靶装置靶面结构图 图2-2 靶面单体结构图2.2 方案确定本小节首先对课题要求的功能可能实现的形式进行研究,得出设计系统方案的关键因素为:数据采集及数据传输。通过对方案、器件的比较,得出了最终方案。2.2.1 系统功能研究根据本设计要求实现的基本功能,本系统大致可分为信号采集,信号处理,信号传输和信号显示四个部分。各部分功能分别为:(1) 信号采集部分 检测靶面的情况,提供子弹弹着点信息;(2) 信号处理部分 处理采集信息,完成数据转换;(3) 信号传输部分 传输处理的数据,实现数据交互及无线操控;(4) 信号显示部分 完成系统的显示功能。对上述四个部分进一步分析
9、,得到如下一些基本的结论:(1) 信号采集部分可以考虑采用类似开关工作原理的器件或选用相关的传感器获取子弹击中信息;(2) 信号处理部分可以考虑采用单片机中根据实际的情况将采集到的信号进行相应的编码,并在程序中实行数据的打包处理;(3) 信号传输部分可以考虑采用无线及串口数据传输技术,实现多位数据的传输;(4) 信号显示部分可以考虑采用LED数码管以及Vc界面是实现显示功能。根据对上面设计系统的分析,得到本系统信号处理的大致框图如图2-3所示:图2-3系统信号流程图结合设计要求,上面的思路可以总结为:由其中一片处理芯片处理采集信号,并通过数据传输部分将其传输到系统接收端的另一片芯片,完成解码显
10、示。图2-4 串口直接通信原理图2.2.2 决定方案因素在设计本系统时决定方案选择的因素为:数据采集以及数据传输。本系统整个实现过程中最重要的部分是数据处理(包括根据实际的需要对采样数据而进行特殊编码以及解码显示时相关数据的处理),但是在这之前需要去解决两个问题:数据采集以及数据传输。这两部分是个瓶颈。如何将处理好的数据进行很好地通信传输,对于整个设计的影响很大。在选择数据处理芯片的问题上,可以采用的芯片有8051单片机、PIC单片机、AVR、DSP、ARM等,出于系统对芯片性能要求、成本以及设计时的技术成熟度的考虑,本设计方案时直接选定8051单片机作为处理芯片,不把其作为方案考虑的主要因素
11、,而是根据数据采集以及数据传输部分来决定设计方案。下面描述设计时曾采用过的方案。2.2.3 数据传输方案方案一:采用线路直接连接进行数据传输,如图2-4所示。该方案可以实现数据的传输,近距离稳定度高,系统结构简单,操作方便,维护也相对简单。但是通过查看RS232的相关资料2,发现这个并不适合长距离传输数据,且需要通信两端共地,实际应用中,由于场地上双端至少需要间隔200米,距离太远,数据传输的误码率也会提高,故采用这种方式不太实际;方案二:采用红外进行数据传输,如图2-5所示。图2-5 红外数据传输原理图红外传输一般由红外发射装置和接受装置组成。为了使信号能更好的被传输发送,发送端将基带二进制
12、信号调制为脉冲串信号,经红外发射管发射。调制的方法有脉冲宽度调制(PWM)和脉冲串之间的时间间隔来实现的信号调制的脉时调制(PPM)。该种方式的最大优点是不受无线电干扰。但是,红外线对非透明物体的透过性较差,导致传输距离受限制,它应用的环境为:短距离无线通信场合点对点的直接接线数据传输7。方案三:采用PT2262和PT2272进行数据传输。简化如图2-6所示。其传输距离较前面两种方案,有距离优势,但是其缺点是:稳定性不高,抗干扰能力不强,一次性发送数据的长度有限(仅有4个数据位),这不能很好的满足本设计一次性需要传输的数据长度。方案四:采用XL03-232AP2无线串口模块进行数据传输。由于本
13、设计既要保证传输的距离又要兼顾一次性发送数据的长度,经过相关资料搜集,决定采用带串口的无线通信模块。经查找的串口无线通信模块有:MDD WIT2,传输距离15米;CRM2400UNC 2.4G RF模块,传输距离25;带串口CC1100/CC1101模块 传输距离大于200,只限于外界干扰较少的情况;XL03-232AP2 传输距离大于200,抗干扰性能较好;经过在传输距离,抗干扰性能方面的对比,采用了XL03-232AP2。其具有的优点有:(1) 设置方便,只需要装上参数配置模块连上电脑,设置好波特率以及数据格式就可以使用;(2) 连接线路简单,只需要一根导线将串口连接起来便可。因此简化了电
14、路的设计,同时也提高了数据传输的稳定性,减少了调试系统时的麻烦;(3) 功耗少,工作电压也很通用,用USB就可以驱动,从而给使用带来方便。图2-6 PT2262/ PT2272数据传输原理图2.2.4 信号采集方案(1) 采用开关式的器件。其结构简单,使用方便,变化时也就只有0、1(即通、断)状态,维护也方便,造价低。缺点在于其受靶面机械结构设计的影响很大,对于靶面设计要求高;(2) 采用压力传感器7。其对与靶面设计要求不是很高,能够很好地采集到弹着点的信息。它的缺点是:户外的环境,能够影响其正常工作的干扰作用因素很多,以至于在处理这些噪声,提高其抗干扰能力时,需要设计复杂电路去处理,同时维护
15、也变得复杂,需要有专门的人员才能操作,因而不适合大众化使用。2.2.5 系统方案确定随着无线串口数据传输技术以及功能电路的集成度不断提高,使得在应用无线串口传输技术时不必亲自再去投入大量的时间设计无线电路。采用专门的模块极大地提高系统数据传输的稳定及可靠性,同时也提高了系统设计的工作效率。鉴于对以上四个数据传输方案以及采集部分两个方案的对比分析,传输部分的方案四和采集部分的方案一最符合本设计要求。2.3 军用训练靶数字系统的组成本小节描述军用数字训练靶数字系统的结构以及组成该系统各个部分的设计方法。2.3.1 军用训练靶数字系统结构军用训练靶数字系统以MCS-8051单片机为核心构成单片机系统
16、。为了更好的理清设计思路,将整个系统细分为四部分加以说明。其可以概括为:(1) 弹着点采集模块;(2) 主控模块;(3) 数据传输模块;(4) 弹着点显示(包括LED和电脑界面显示)处理模块。图2-7 军用训练靶数字系统框图在本次设计中,使用的核心器件是单片机和数据传输模块。为了保证整个系统可靠的运行,设计中必须明确四大部分的实际联系:以单片机为中心,其他各大模块一一展开。它们的联系如下:(1) 弹着点采集部分将子弹击中的位置反映出来;(2) 主控模块则对其他模块的运行进行控制;(3) 数据传输模块,是采集信号数据交互的通道;(4) 弹着点显示模块中的LED显示是此系统的外围电路,它不仅能够如
17、实的反映子弹击中的位置,显示出射击者的射击成绩,而且该系统还提供了方位的显示;(5) 电脑显示方面,作为给指挥监督人员观察全场情况的界面,除了将靶场射击的情况反映到电脑情况上之外,还加入了子弹射击的声音,每次子弹击中靶子的时候,便会发出枪响,使得指挥督查人员在室内也能感受到靶场的气氛。系统框图如图2-7所示。下面就对各个模块的功能以及实现形式作简单介绍。2.3.2 系统各个模块功能描述(1) 采集信号模块采集信号模块,本设计采用按键来模拟被切割后的靶环。每个按键代表着靶环上对应的块。采集信号电路安装在靶面的后面,每次子弹击中靶环时,相应的块就会被子弹压下,这正好与按键的工作原理是一样。这时按键
18、就会产生出一个信号,并由单片机将这个信号采集处理。每个按键被编排上一个ID,子弹每次击中的时候就能很好地区分是哪个部位被击中。其电路原理图2-8所示,接线图如2-9所示。(2) 主控模块它主要功能是处理采集模块传来的信号,完成对采集信号的干扰处理,然后通过编程对数字信号的处理来控制外围电路及显示电路。传输时,数据通过51单片机的串口到达XL03-232AP无线传输模块,再到接收端的51单片机,完成数据解码,得到将要显示的信息,完成主控模块的主要功能。图2-8 信号采集原理图 图2-9信号采集接线图(3) 显示模块此模块分为数码管显示以及电脑界面显示。数码管不仅显示了单次射击成绩,总的射击成绩,
19、而且还加入了方位的显示,这也是本设计的一个创新点。电脑界面显示采用Vc界面编程技术制作,在继承数码管的显示功能外,还在此基础上做了更为细致的方位显示,以及更为形象的数据显示。(4) 数据传输通信部分数字通信部分主要完成一个数据传输的工作。不论是在系统的发送端,还是在系统的接收端,数据都是通过这个通道来实现数据的传输控制。该部分主要采用串口通信技术,完成数据的串行通信(这其中包括单片机之间的数据通信以及单片机与电脑之间的数据传输),同时采用XL03-232AP模块来实现无线数据的传输。至此,本系统四大模块功能和设计思路已经确立,下文将介绍整个系统的详细设计过程,并且给出设计电路。3 军用训练靶数
20、字系统硬件电路设计本章将介绍本设计中用到的一些基本知识、所选芯片的工作原理以及相关硬件电路的设计。系统设计中主要用到的器件有:MCS8051、XL03-232AP无线传输模块,LED数码管,MAX232芯片等。为使该系统能够正常工作,系统设计了振荡回路,复位电路,采样电路,显示电路,RS232接口电路,电源电路等。同时为提高本系统硬件的稳定性及抗干扰能力,在PCB布局布线的时候也注意了相关的问题,同时在硬件及软件设计的方面也进行了相关的处理。3.1 设计该系统硬件需要具备的知识下面简单介绍本设计应用到的基本硬件和软件知识。硬件设计用到的知识主要有:模拟电子技术、数字电子技术、单片机编程技术、串
21、口通信技术等。在模拟电子技术方面,主要用来设计51单片机的振荡电路,复位电路和驱动LED数码管以及串行接口的电平转换电路等;数字电子技术用来了解单片机工作的机制以及I/O口的数据信息;单片机编程用来实现数据的处理;串口通信技术用来实现系统中的数据传输。3.2 相关功能模块设计本小节中介绍系统中各功能模块电路设计方法,其包括:采样模块设计,电源电路设计,复位电路设计,显示电路设计,通信接口设计。下面对其一一介绍。3.2.1 采样模块设计图3-1 靶面结构编码图根据靶面情况的特殊性,采用特殊编码形式,如图3-1所示。开始时采用传统的键盘编码方式去实现靶面编码以方便数据的采集,先发方位的信息,确定后
22、再发环数的信息。其存在一个问题:这样传输数据的速度很慢,而且容易出错。然而采用XL01-232AP2模块后,其可以一次性发送很长的数据。那么就可以考虑模仿其发送数据的编码方式,在其前面加上一些头信息,即在每次发送的环数信息前面加上其方位的信息,这样就可以一次性地将环数以及方位信息全部发送过去,既减少了出错的几率,也提高了传输数据的速度,从而使系统能更快采集和处理靶面情况。本设计对靶面采样时的编码处理为:将靶面按照其结构去编码,格式为:前面一位代表方位信息,后面一位代表环数信息。比如“19”中的“1”代表其方位为“1”,其环数为“9”,其中“1”表示的方位可以由自己去定义,比如左上15度,右上2
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