一種非接觸式彈丸速度測量系統設計

姜 飛,王 浩

（1．宿州學院 智能信息處理實驗室，安徽 宿州 234000；2．宿州學院 信息工程學院，安徽 宿州 234000；3.合肥工業大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230009）

一種非接觸式彈丸速度測量系統設計

姜 飛1,2,王 浩3

（1．宿州學院 智能信息處理實驗室，安徽 宿州 234000；2．宿州學院 信息工程學院，安徽 宿州 234000；3.合肥工業大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230009）

設計了一種速度大于1km/s的高速彈丸測速裝置.用光纖將入射光導入至彈丸表面，將其反射光導出至光電二極管（GT101），利用光電轉換后的信號觸發STC12C5A60S2單片機計時器兩路外部中斷實現計時，根據兩測量點間距和彈丸飛行的時間差，可計算彈丸速度值.利用單片機控制LCD顯示速度值并作為下位機與上位機進行串行通信.將軟硬件系統經集成為光電測速裝置，并用于二級輕氣炮的高速彈丸速度測量.結果表明：該測速裝置具有簡單可靠，可滿足二級輕氣炮寬范圍速度測量的要求.

彈丸速度；單片機；串行通信

輕氣炮是一種利用較輕的氣體(氫或氦)作工質推進彈丸的武器，而彈丸速度就是其性能參數之一.目前常用的測量技術主要分為接觸式和非接觸式兩類.接觸式速度測量方法（如打靶法和斷線法）都是通過與彈片接觸測得數據，直接干擾彈丸運行方向和速度，也不能作為連發測試.非接觸式速度測量方法中：電磁法通過彈丸運動對電磁場產生變化測得數據，易受測量環境周圍電磁場的干擾，要求較高；多普勒法通過激光測量彈丸運動速度，主要針對超高速彈丸速度測量，通過獲取信號頻差（頻移）來實現計算，相關的設備安裝校準比較麻煩.在非接觸式測量方法中應用最為普遍的就是光電法，該方法不改變彈丸運行軌跡，設備安裝較為簡單，可以也適用較惡劣環境的彈丸速度測量.由于光電管性能指標中時間曲線下降沿時間約為幾個ms數量級在輕氣炮實驗中，基于光線遮斷測速原理不能實現測量速度為1km/s以上的飛行彈丸.針對直徑小于10mm的小尺寸彈丸速度超過1km/s，測量方式為利用反射光觸發光電管，一般采用的二極管型號為GT101光電二極管.本彈丸速度測量系統設計針對在電磁干擾較大的復雜外部環境，運行速度大于1km/s、不超過5km/s的彈丸速度測量.

1 總體方案設計

基本測試環境如圖1所示，在彈丸發射管上設置兩個測試點，分別在兩個測試點插入兩根外徑3mm光纖，標識為光纖1、2、3、4.光纖3和光纖4為一組與光線1、光線2一組的作用相同.光纖2功能是光的射入信號通道，把入射光投射到彈丸發射管內，根據反射原理，當彈丸經過對應測點時，彈丸表面對入射光進行漫反射，光纖1負責采集，發送信號到光電轉換單元.通過高頻響應數字示波器獲取到兩組測點光信號強度時間曲線，在通過光信號時間差和兩測點間距，從而計算得到彈丸在發射管內的平均速度.為了提高信號強度，本設計在彈丸表面進行電鍍處理，提高漫反射光信號的強度，增加系統準確性.

圖1 彈丸發射管測點和光纖布置示意圖

上述方案獲取的光纖1和光纖4光信號采集進行光電轉換模塊處理，通過運放單元模塊、數據計算處理模塊，最后顯示或輸出彈丸速度值.為了保存和優化等處理，設計中采用RS232標準串口通信技術，上位機數據采集處理軟件保存等操作.彈丸測速系統組成原理示意圖如圖2所示.

2 硬件設計

2.1 光電轉換單元

系統設計目的是測量高速彈丸（>1km/s），這就要求光電轉換單元的響應速率要快.另一個元器件性能指標是較高的靈敏度.選擇了GT101作為光電轉換器件作為核心轉換元器件.單元電路如圖3所示，根據單片機端口及其參數要求，選擇下拉電阻阻抗值是51K.

圖2 高速彈丸測速系統原理示意圖

圖3 光電轉換單元電路圖

2.2 放大電路單元

采集到的基本信號經過光電單元轉換后，需要進行適當放大和電平轉換.系統設計中為了解決環境熱噪聲和干擾數據，設計了調零電路，使的輸出信號初始化.系統采用二級放大方式，其中一級13倍的放大倍數、二級可調倍數.圖4給出了一級放大電路圖.對無輸入狀態通過調節電位器RV1使一級放大單元輸出端?T1輸出值為零，進行校準.二級放大倍數默認設定為152倍，通過調節電位器RV4可以調整放大倍數，以適用不同彈丸不同反射環境，從?P1端口輸出的信號為CMOS信號直接提供給單片機或示波器使用，也可以直接進行模數轉換.

2.3 單片機和外圍電路

圖6給出了CMOS信號轉換成TTL電平的單片機核心與接口示意圖.為了系統運行狀態與結果的查看，給單片機添加了外圍顯示模塊（LCD1602）.為了數據保存與處理需求，配備了串口通信模塊.有了串口通信模塊，上位機就可以獲得數據，為下一步處理做好準備.

圖4 一級放大單元電路圖

圖5 二級放大單元電路圖

圖6 單片機核心與接口示意圖

3 軟件設計

本系統設計包括單片機控制程序設計和上位機處理軟件設計兩部分.其中單片機控制程序主要是硬件獲取信號后，需要進行預處理，排除干擾信號，完成基本運算.

3.1 單片機控制程序

控制程序是針對STC12系列單片機編寫的.實際測量電信號時間歷程曲線如圖7所示.根據經驗，干擾信號和測量有效信號的持續時間不同，通常小于15μs可以認定為干擾信號.30μs以上數據看作有效數據.例如圖7中信號1描述曲線中的箭頭所指位置認定為短時干擾光產生的信號，經過一個震蕩后，第二個較寬的稍顯穩定的波峰為彈丸經過測量點所產生的信號.第二個較寬波峰開始后，延時超過15μs，如果外部信號持續低電平，認定為有效信號，此時觸發單片機計時，并計入前15μs.否則，認定信號為干擾信號.具體測速程序編寫結構流程見圖8.

圖7 彈丸對應的光信號電壓時間曲線

圖8 彈丸測速程序流程圖

3.2 上位機處理軟件設計

上位機處理軟件編寫環境采用VisualBasic 6.0編寫，利用comm_control控件實現單片機與計算機之間串口通信.軟件設計界面中增加系統通信設置界面可以選擇通信端口，修改通信速度參數，以增加軟件通信靈活性.利用串口線可進行遠距離數據采集和存儲大量實驗數據.上位機處理軟件運行主界面示例圖如圖9所示.為了提高穩定性和實用性，上位機和下位機間的通信參數和工作模式通過一個命令字來傳遞.

4 實驗結果及分析

用2路標準光信號模擬實際彈丸表面的漫反射光，實驗驗證此系統的可靠性及響應特性.示波器檢測實際光信號上升沿約為1us，具體驗證參數：設定該2路光信號時間差為400us時，通過本測速采集系統運行處理后顯示時間為401.6us，誤差為0.4%；設定光信號時間差為200us時，采集系統運行處理后顯示時間為201.4us，誤差為0.7%.有上述數據可見，本系統的響應度和測量精度都完全能滿足高速彈丸速度測量的要求.

圖9 上位機軟件界面示例

5 結束語

本彈丸速度測量系統設計了一種速度大于1km/s的高速彈丸測速裝置，較為系統的實現了高速彈丸速度非接觸式測量問題.并從軟硬件設計方面避免了環境強電磁的影響，有效的去除了干擾光的數據，適合高速飛行物體速度現場即時數據測量.

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TP273

A

1673-260X（2014）12-0052-03

安徽高校省級自然科學研究項目重大項目（KJ2014ZD31）；安徽高校省級自然科學研究項目重大項目（KJ2014A247）