基于單片機(jī)的槍彈激光測(cè)速儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊敬樹+潘楠+劉益+李剛

摘要：針對(duì)警用實(shí)驗(yàn)室對(duì)槍彈速度測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的激光測(cè)速儀。該測(cè)速儀以單片機(jī)為核心，并配有相應(yīng)模塊。首先，利用激光檢測(cè)板模塊對(duì)發(fā)射的彈丸進(jìn)行檢測(cè)，然后將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，在單片機(jī)中對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理然后將其通過熱敏打印機(jī)打印出來，并可以通過USB數(shù)據(jù)接口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳至計(jì)算機(jī)中進(jìn)行保存，同時(shí)通過控制器可以對(duì)需要的步驟進(jìn)行操作。

Abstract： In view of the requirements for bullet speed test of police lab， a laser speed tester based on microcontroller is designed. First， the laser detection board module is used to test the projectile fired. Then， the detected data is transferred into the microcontroller. The detection data is processed in the microcontroller and then printed out by thermal printer， and it can be uploaded to a computer via USB data interface to be saved. While the steps required can be operated through the controller.

關(guān)鍵詞：槍彈測(cè)速；激光檢測(cè)；單片機(jī)

Key words： bullet speed tester；laser detection；microcontroller

中圖分類號(hào)：TJ411 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）29-0145-03

0 引言

在對(duì)物體的運(yùn)行速度測(cè)量的過程中，最常使用的就是利用激光測(cè)速，對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行兩次有特定時(shí)間間隔的激光測(cè)距，取得在該時(shí)段內(nèi)被測(cè)物體的移動(dòng)距離，從而得到該被測(cè)物體的移動(dòng)速度。同時(shí)它也是一種新型的測(cè)速測(cè)量技術(shù)。由于激光測(cè)度具有遠(yuǎn)距離測(cè)量、測(cè)量范圍廣、非接觸、測(cè)量精度高、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，所以也常被使用在對(duì)槍彈彈丸的測(cè)速中。

1 槍彈測(cè)速儀整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該槍彈測(cè)速儀主要以單片機(jī)為核心，外圍主要有穩(wěn)壓電路模塊、無線模塊、激光檢測(cè)板模塊、USB接口模塊、熱敏打印機(jī)、按鍵模塊和顯示屏。其中，穩(wěn)壓電路用來提供穩(wěn)定的低壓以供使用；無線模塊提供在無線環(huán)境下的數(shù)據(jù)的上傳以及下載功能；激光檢測(cè)板模塊主要用于檢測(cè)發(fā)射子彈的速度；USB接口模塊主要用于將檢測(cè)到的速度數(shù)據(jù)通過USB接口上傳到計(jì)算機(jī)中；熱敏打印機(jī)用于將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)打印出來以供使用；按鍵和顯示屏模塊主要用于人工在顯示屏上面通過按鈕來控制所要進(jìn)行的操作，并在顯示屏上面顯示[1]。在整體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上面充分考慮了實(shí)用性以及可延展性，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模塊組成如圖1所示。

1.1 單片機(jī)控制設(shè)計(jì)

考慮到功耗及成本因素，選用ZIC-STC12C5A60S2單片機(jī)為處理核心ZIC-STC12C5A60S2構(gòu)成的最小系統(tǒng)。如圖2所示，其以ZIC-STC12C5A60S2為核心，包含晶振模塊和復(fù)位電路。系統(tǒng)晶振模塊選用12MHz石英晶振，晶振并聯(lián)2個(gè)30pF電容，起快速起振和穩(wěn)定頻率作用，該電路為單片機(jī)提供時(shí)鐘脈沖。復(fù)位電路是用來讓單片機(jī)處理器返回到初始狀態(tài)的輔助電路，由10μF電容、10kΩ電阻和直流電源構(gòu)成，系統(tǒng)可通過上電復(fù)位。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)或程序跑飛時(shí)，通過復(fù)位電路讓系統(tǒng)重新工作[2]。單片機(jī) ZIC-STC12C5A60S2的wifi_RXD2、wifi_TXD2端口為穩(wěn)壓電路模塊預(yù)留，P1.4、P1.5、P1.6、P1.7為無線模塊預(yù)留，P3.2為激光檢測(cè)板模塊預(yù)留，P1.0為蜂鳴器預(yù)留。

1.2 穩(wěn)壓電路模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)各功能模塊所需供電電壓均為3.3V電壓，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性，使用方便，采用獨(dú)立電源供電方式。穩(wěn)壓電路中采用PC817C作為光電耦合器目的在于增加安全性，減小電路干擾，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。穩(wěn)壓器件采用AMS1117-3.3，以保證系統(tǒng)中的電壓為穩(wěn)定的直流3.3V電壓。三端固定電壓AMS1117-3.3輸出電流為1A線路調(diào)整率：0.2%（最大）；負(fù)載調(diào)整率：0.4%（最大）；封裝類型：SO。在PC817C中加上LED電源指示燈，用來判定電源是否正常工作。該系統(tǒng)電源電路如圖3所示電路中LED用作電源指示，其亮滅代表電源工作與否，Res起限流作用，以保證LED不被燒壞。

1.3 無線模塊設(shè)計(jì)

為了能夠在無網(wǎng)絡(luò)的情況下系統(tǒng)能夠進(jìn)行各種代碼以及數(shù)據(jù)的上傳和下載，在該測(cè)速儀中添加了無線模塊，通過無線模塊連接無線網(wǎng)絡(luò)就可以完成該操作，使該測(cè)速儀更加人性化。在無線模塊中通過4條端口連接單片機(jī)的無線連接端口，同時(shí)連接Res為1kΩ的電阻用于保護(hù)電路。在無線模塊中通過IO00、IO02、IO16、CHPD連接插頭P11，通過將外接的無線網(wǎng)絡(luò)通過插頭連接，如圖4所示。

1.4 激光檢測(cè)板模塊設(shè)計(jì)

在測(cè)速儀中主要模塊就是利用激光檢測(cè)板進(jìn)行槍彈彈丸的檢測(cè)，在激光檢測(cè)板模塊中連接了LED燈用來判斷激光檢測(cè)板是否處于正常工作的狀態(tài)，如圖5所示。在激光檢測(cè)板中通過插頭P1、P2、P3與實(shí)時(shí)激光檢測(cè)板連接[3]。在實(shí)時(shí)檢測(cè)板中放置了AD8065單路放大器，用于提供FET輸入，性能出色、易于使用。同時(shí)將光敏三極管Photo NPN與放大器連接，當(dāng)具有光敏特性的PN結(jié)受到光輻射時(shí)，形成光電流，由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個(gè)放大了相當(dāng)于β倍的信號(hào)電流。不同材料制成的光敏三極管具有不同的光譜特性，與光敏二極管相比，具有很大的光電流放大作用，即很高的靈敏度[4]。通過增加光敏二極管來增加檢測(cè)的靈敏度，如圖6所示。

2 試驗(yàn)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證該槍彈測(cè)速儀的實(shí)際效果如何，我們?cè)谀承淌驴茖W(xué)技術(shù)研究基地進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)的過程中采用兩種不同型號(hào)的槍支作為測(cè)試對(duì)象，表1是該槍彈測(cè)速儀的測(cè)試結(jié)果與槍彈的實(shí)際速度。

通過表1可以看出，該槍彈測(cè)速儀的測(cè)試速度的數(shù)據(jù)與真實(shí)的槍彈的速度基本一致，兩者的速度差均小于1m/s，即屬于誤差的范圍之內(nèi)。

3 總結(jié)與討論

利用單片機(jī)技術(shù)并結(jié)合激光測(cè)速知識(shí)對(duì)槍彈的彈丸進(jìn)行測(cè)速，能夠準(zhǔn)確的對(duì)槍彈的速度進(jìn)行判定，為槍支的綜合性能判斷提供有力的支撐。同時(shí)該測(cè)速儀還配有熱敏打印機(jī)模塊以及USB數(shù)據(jù)接口模塊等，可以對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行打印以及保存，實(shí)現(xiàn)槍彈測(cè)速的人性化與專業(yè)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬時(shí)亮，倪晉平.警用刑事實(shí)驗(yàn)室槍彈測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（10）：785-788.

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