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1、1 绪论弹丸速度是弹丸运动特性的一个重要参数，是衡量武器性能的基本参数，也是为射表编制和内弹道研究必须提供的数据。区截装置测速法是现代靶场中弹丸测速的普遍方法。11 弹丸测速技术研究的意义在武器系统的研制、定型、生产质量控制、产品检验以及弹道学理论的研究中，都需要测定弹丸的飞行速度。弹丸飞行速度是弹道特性的一个重要参数之一，也是枪炮，火药生产研制的一个重要技术指标。弹丸速度的大小与弹丸发射条件及过程有关，也与弹丸本身的物理参数、气动参数和气象参数有关，它是衡量枪炮特性和弹道特性的一项重要指标。利用这项指标，可以描述作用在弹丸上的力和力矩随马赫数的变化以及射击时伴随枪炮及弹药的一些物理现象，可以
2、确定武器弹药系统的弹道特性、选择装药和普遍地检验枪炮、火药和弹药工厂的产品。因此，在武器系统的研制、定性、生产质量控制、产品验收，以及整个弹道学理论和其他一些理论的研究中都需要测量弹丸的飞行速度1。虽然目前弹丸测速技术已经比较成熟了，但是随着目前国防对各种类型高速射击武器的不断需求以及武器研制和生产水平的不断进步，各类射击武器的研制和产厂家越来越突出其出射弹丸的高速性能，因此在对各类射击武器的定型和生产中对弹丸速度的高精度测量也提出了越来越高的要求。可见对于弹丸测速技术的进一步研究和改进，把目前一些新方法和新技术运用到弹丸测速技术之中，提高弹丸测速的精度和稳定性仍然有着重要的意义。12 弹丸测
3、速技术国内外的发展与现状自1742年，英国实验弹道学家罗宾斯发明弹道摆，第一次提供弹丸速度的测量方法以来，人们对弹丸飞行速度的测量进行了大量的研究，发明了许多较为成功的方法，19世纪中期，由于火炮发射技术的进步，弹丸速度的不断增加，对弹丸速度测定精度要求也愈来愈高。这样，客观上促进了弹丸速度测量技术的发展，电械测时仪、布朗节测速仪是这一期间应用较为广泛的两种测速方法，特别是，布朗节测速仪大大提高了弹丸测速精度，使人们对空气阻力有了更深刻的认识，可以说是弹丸速度测量方法的一次重大革新，这种测速方法在我国普遍采用，直到60年代才开始被新的测速方法取代2。20世纪初期，伴随着电子技术的广泛兴起以及计
4、算机技术的蓬勃发展，弹丸测速技术也得到迅猛发展，螺线管、测时仪和快速记录示波器等先进的测速技术应运而生，使弹丸速度测量精度得到较大的提高。目前，国内外采用的弹丸测速方法主要有两种：一种方法是区截装置测速法。这种方法是测量弹丸飞过一段已知距离的时间，然后用距离除以时间求出的已知距离的弹丸平均飞行速度；另一种弹丸速度的测量方法是应用多普勒雷达技术。其基本原理是向运动目标发出一束无线电波，从目标上反射回到测速仪上来。测速仪输出一个交变电流信号，其频率是发射波频率和接受机频率之差。如果目标相对测速仪是静止的，发射和接受的频率相等，则频差为零；如果目标相对测速仪之间相对运动时，则反射信号将产生一个频率偏
5、移，这个频差(也叫多普勒频移)直接与测速仪到目标的距离的变化率成正比即与径向速度成正比，因此可以得到目标的运动速度。由于区截装置测速法的性价比高，所以国内目前普遍采用的弹丸测速方法以区截装置测速法为主3。区截装置测速法主要是用测时仪和区截靶测出弹丸在两靶间的平均速度。其中用区截靶敏感弹丸到达弹道的位置，用测时仪计算出弹丸飞过两靶间的时间和速度。区截装置根据所测弹丸的不同种类而选用。目前使用的区截装置主要有通断靶(靶网、铝箔靶等)、电磁感应的线圈靶以及近年来出现的光电靶(包括光幕靶、天幕靶等)。其中光电靶由于它能沿弹道测量弹丸飞行的时间，而没有通常接触靶对弹丸的干扰，无需对弹丸磁化、无需对靶网接
6、线、劳动强度低等。因而深受用户的青睐，使用也越来越普遍。光电靶的工作原理是当弹丸通过光幕上方时就改变了落在光电管上的光线，因而产生一个电信号启动测时仪4。13 测时仪的发展概况测时仪的种类较多，但在弹丸速度测量中，由于弹丸速度高，测速靶距较小，靶场环境复杂，容易受到电磁和电源波动的干扰，与普通环境下的计时相比，用于弹丸测速的测时仪对响应、精度、分辨率和抗干扰的要求都更高，因此，目前国内、外普遍采用电子测时仪，随着科学技术的不断发展，电子测时仪经历了几次更新换代，最早期的测时仪为电子管测时仪，这种测时仪功耗高、体积大、使用不方便，工作不可靠；二代电子测时仪是分立元件的晶体管测时仪，其体积大大减小
7、、功耗较小、使用时不需要预热，工作可靠性相对较高，但电路设计、调试比较烦琐，计时分辨率较低；代电子测时仪在结构上采用集成电路，体积进一步减小，并实现多路同时测量的功能，工作可靠性大大提高，但同样存在电路设计，调试比较烦琐等不利因素；第四代电子测时仪引入计算机技术，使得测时与数据处理集为一体，实现了自动数据采集、存贮、处理和输出，它不但可以测量一发弹的多点速度，而且可以测出连射弹丸的飞行速度和射击频率(射频) 5。大规模集成电路的发展，使计算机的体积越来越小，而且价格亦越低，为智能化仪器、虚拟仪器的发展提供了条件。目前国内外普遍采用的电子测时仪为第四代，都是在计算机技术基础上发展起来的，尤其是高
8、频晶振的出现和半导体技术的日趋成熟为高分辨率计时的设计提供了契机，利用单片机技术构建的测时仪及以瞬态波形存储器与计算机构成的虚拟测时仪应用居多。14 本文的主要工作为了有效提高测速系统的使用范围和灵活性，降低成本，根据弹丸测试场合，测试特点等方面的要求，现提出了采用激光光幕测试技术来实现对弹丸速度的测试。激光光幕速度测试是利用光电检测技术实现对弹丸速度的非接触测试，该方法操作简便，效率高，测试范围大，精度高，且不受天气的影响。在常规兵器弹丸速度测试中具有显著的优势。小型弹丸速度测试系统由光学设计单元、信号处理单元及数据采集、显示单元组成。由于速度信号的采集、显示采用单片机数据处理和显示电路来实
9、现，代替了由数据采集卡和计算机构成的数据处理模块，故不仅使得系统实现了小型化、使用起来更加方便，而且降低了成本。因此该测试系统在弹丸速度测试领域具有非常高的实用价值。其具体的设计思路和本文的主要工作如下：1、详细地介绍了各种弹丸测速的重要意义、历史和现状；比较了弹丸测速各种方法的优缺点；针对弹丸区截装置测速系统中测时仪的发展现状，分析了当前测时仪所存在的问题即测时仪的可靠性、精度和智能化，提出采用单片机计时的简单实用方案。2、在分析目前国内外弹丸测试现状的基础上，结合本课题的设计要求，设计了系统方案。提出一种基于单片机的简单轻便，能立刻显示结果的一套实用系统。3、设计一个光学系统,能对弹丸飞过
10、光幕能作出相应合理的光信息变化，并通过光敏器件把相对应的光信号转化成电信号。4、在分析输出信号的基础上，设计了从光信号转换成模拟的电信号，再把模拟的电信号转换成单片机能识别的数字信号的电路。5、通过编程，使单片机能完成速度的计算，并输出结果，在LCD上显示出来。6、仿真系统，是否能正常运行。7、进行试验，并进行分析数据。2 系统方案的设计弹丸区截装置测速法(定距测时法)是目前国内普遍采用的弹丸初速的测量方法。其测量的精度主要取决于光幕靶之间距离的测量精度和测时仪的测时精度。光幕靶之间距离的测量方法已经比较成熟，因此精化弹丸通过两光幕之间的时间，对于提高测速精度有着重要的意义。21弹丸测速和测时
11、的原理2.1.1弹丸测速原理本文采用的研究手段是利用光电靶检测弹丸。光电靶测速的基本原理是基于区截测速。在弹道中的两个固定的点放置两个激光光幕，分别为启动光幕和结束光幕，如图1所示。此激光光幕靶是由两个平行的光幕组成（要是两光幕不平行就会产生误差，即两光幕间的距离S值不确定）。光幕靶采用激光与光敏器件构成，光源通过光学系统形成一定有效光幕区域，由光敏器件接收。当运动物体(弹丸)在通过已知间距为S的两个光幕时，会挡住一部分或者全部激光，光敏器件将该光通量的变化转化成电信号，然后经过放大、整形，作为区截信号。由单片机处理对两路区截信号进行处理计算，得到运动物体（弹丸）通过这段距离所需时间T，然后根
12、据公式V=S/T便可计算出弹丸通过这段距离的平均速度，即弹丸的速度6。图1 弹丸测速原理图2.1.2 测时原理测时仪是弹丸区截装置测速系统中的主要设备。因为当距离已确定，那速度由时间来决定。测时仪和区截装置配合来测量、计算弹丸飞过两个区截装置间的时间和飞行平均速度。虽然测时仪的种类较多，但在区截装置测速法中都普遍采用电子测时仪，其基本原理也都是以记录晶振振荡脉冲数目的方法来测定时间间隔7。如图2所示，测时仪内的同步计数器在时基脉冲的驱动下工作，当测时仪内部的信号捕捉电路捕捉到区截装置输出的启动脉冲信号有效时，计数器开始计数，直到信号捕捉电路捕捉到区截装置输出的截止脉冲信号有效时，计数器才停止计
13、数，这时的计数器的值和时基脉冲周期的乘积便是启动脉冲和截止脉冲信号的间隔时间，也就是我们所要测量的弹丸在两个区截装置间（激光光幕）的飞行时间8。图2 测试仪工作原理示意图利用单片机的定时、计数部件构成计时模块是目前工程上广泛采用的一种计时方式。由于单片机最高工作频率为24MHz，计时分辨率为005us，在多数情况下能满足计时精度的要求。因此本方案利用单片机计计数器进行计时。22 弹丸通过光幕分析假设光功率P均匀分布在高为h的光幕上,则当直径为D的球形弹丸穿过激光光幕时,弹丸遮挡的最大光功率与总光功率之比小于D/h(对于直径为D的圆柱形弹丸, 其比值为D/h)。若光幕的出射光经会聚后全部被光电探
14、测器接收，则弹丸在穿过光幕过程中探测器接收到的最大光功率变化D/h。当D=1mm、h=15 mm时，1/15，即需要在P的强背景下检测不超过P/15的光功率变化9。为方便起见，首先针对直径和高度均为1 mm的圆柱形弹丸进行速度估算。从弹丸右边缘开始进入光幕到深入至光幕0.4mm(光幕厚度)，探测器接收到的光功率逐渐减小，减小速度由弹丸运动速度决定；从弹丸右边缘深入激光光幕0.4 mm到弹丸左边缘进人光幕，弹丸遮挡光功率基本保持不变，探测器接收的光功率也基本保持不变；从弹丸左边缘进入光幕到左边缘完全出光幕，弹丸遮挡的光功率逐渐减少，探测器接收到的光功率逐渐增多；当弹丸左边缘完全出光幕时，探测器接
15、收到的光功率恢复到弹丸未穿过光幕时的水平，此时弹丸右边缘行进的距离为弹丸直径与光幕厚度之和。可以近似得到弹丸穿过光幕过程中光功率随时间变化的波形，如图3所示。其中：时间表示弹丸进入光幕的过程，表示弹丸稳定穿过光幕的过程，表示弹丸离开光幕的过程。图3 弹丸穿过光幕的示意图图4 接收光功率的波形示意图假设弹丸速度口=10 km/s，光幕厚度d=0.4mm，弹丸直径D=1mm，则波形前沿 (2.1)顶部时间 (2.2)波形后沿 (2.3)波形底宽 (2.4)波形半高宽 (2.5)对于直径为1mm的球形弹丸，穿过光幕的时间较柱形弹丸的时间略长，而且在稳定穿越的过程中遮挡的光功率也并非不变，而是一个由少
16、到多再由多到少的变化过程，在接收光信号上表现为：顶部时间可能减小，信号的前后沿将延长，信号的最高频率将降低，对光电检测电路的高频性能要求也相应降低。因此，为了准确测量直径D=1mm的弹丸速度(约10 km/s)，测量装置必须具有足够快的响应速度，从而可以准确捕获前沿为40ns的脉冲信号10。23 系统设计本系统采用的研究手段是利用光电靶检测弹丸。光电靶测速的基本原理是基于区截测速。在弹道中的两个固定的点放置两个激光光幕靶，分别为启动光幕和结束光幕，如图5所示。此激光光幕靶是由两个平行的光幕组成11。激光光幕靶采用激光器与光敏器件构成，光源通过光学系统形成一定有效光幕区域，由光敏器件接收。当运动
17、物体(弹丸)在通过已知间距为S的两个光幕时，会挡住一部分或者全部激光,光敏器件将该光通量的变化转化成电信号，然后经过放大、整形，作为区截信号。由单片机处理电路对两信号进行处理计算，得到运动物体（弹丸）通过这段距离所需时间T，然后根据公式V=S/T便可计算出弹丸计通过这段距离的平均速度，再通过显示器（LCD）将其值显示出来12。图5 系统原理图总体设计包括光学系统和控制系统两大部分。光学系统中选用半导体激光二极管作光源，具有体积小、效率高、成本低、无需高压电源、寿命长等优点；选用大面积PIN光敏二极管作为光电检测器件，以确保在实现大面积有效光幕区的同时会聚光斑的接收。在电路设计及器件的选择上确保
18、低噪声、高响应速度和高灵敏度13。 控制系统采用经典单片机AT89C51来代替数据采集卡和计算机组成的系统，性价比高、操作简单、且易于扩展功能。控制系统主要由单片机AT89C51、比较电路、LCD显示及驱动电路组成，其系统框图如图6所示14。两路输入信号经比较电路后成为方波信号，送入单片机AT89C51的外部中断端(，)，控制定时器1的开关，即可获得弹丸穿过两激光光幕间的时间间隔t。而已知靶距S，从而计算出弹丸过靶速度。将数据写到P0口，将P2口进行控制输出，驱动LCD显示。本系统中，采用LCD动态显示，可节省线路板空间、降低成本、更具实用性。图6 系统框架图3 硬件部分设计31 光幕单元3.
19、1.1 反向屏反向原理(玻璃微珠原向反射膜及其剩余发散角)微珠玻璃原向反射膜是由玻璃微珠涂敷在压敏胶膜上，再粘贴到平板上构成，其结构示意图如图7所示。微珠玻璃反射膜的主要特性是原向反射。从玻璃的冷加工工艺考虑，制作精度较高的玻璃球并非易事。目前微珠玻璃的生产工艺常为将熔融的玻璃喷成雾状微粒，在液态玻璃的表面张力的作用下，通过喷咀气流速度控制微粒的大小，自行凝结成为微小圆球体。而且，目前仍有许多科技人员从事着有关工艺研究，如美国专利6511739(2003.1.28)，6461988(2002.10.8)，6461718（2002.10.8）和6451408(2002.9.17)等报道所述15。
20、图8为一种玻璃微珠原向反射薄膜在观察角度为0.2度时的反射亮度随入射角度的典型变化曲线，反射亮度的单位为。3M公司研制的新产品的反射亮度可以达到700 。1一支柱；2一明表层膜；3一玻璃珠；4一空气层5一护纸；6一背胶；7一塑胶树脂图7 玻璃微珠原向反射膜结构示意图图8 原向反射薄膜反射亮度随入射角度的典型变化曲线在光测领域，玻璃微珠不失为一种价廉物美的定向反射器件，它小巧质轻，一般微珠的直径在微米级，粘附在待测目标上既可获得定向反射功能，又不增加过多的负载，具有价廉质轻、便于安装的优点。工程中，常对玻璃微珠反射膜反射光功率与入射光功率的比值感兴趣，在此将其称为等效反射率。采用测试照度的方法对
21、3M公司8710型原向反射膜的等效反射率进行r测试，结果仅为8.87。由此可见，与以往使用的玻璃圆弧柱面反射镜相比，其反射效率是比较低的16。因此在设计激光光幕测速系统时，一方面需选用较大功率的半导体激光器，另一方面应通过提高光电放大器的增益来提高系统灵敏度，并应同时兼顾增益、响应速度及信噪比。微珠玻璃的直径一般为m量级，实际光束投射到原向反射微珠玻璃上时，覆盖了许多微珠玻璃。由于各个微珠玻璃折射率和球形的差异，造成了实际反射光并不是从原向返回。假设投射到原向反射屏的光束为高斯光束，位于该处的等相面为平面，则距光束中心为r处的辐射强度I(r)可表示为 (3.1)(3.1)式中为辐射强度降落到其
22、峰值扩的光束半径；P为总辐射功率。因为微珠玻璃的折射率及球形的差异是由大量相互独立的随机因素的影响所组成的，而每一个别的因素在总的影响中所起的作用可以看作是均匀的了，因此这类随机变量是服从正态分布的，而引起的反射后发散角也是近似服从正态分布的。所以，光束经原向反射屏反射后，在距离z处光斑的光强分布也为高斯分布。为了表征原向反射屏的反射特性，可将其反射光束的光强分布面的渐近圆锥面的锥顶角定义为剩余发散角，如图9所示。剩余发散角可通过对实际反射光束辐射强度分布的测试得到。图10为用数字CMOS相机测量剩余发散角装置的示意图。光束通过半透射半反射分光镜投射到原向反射屏，反射光束由分光镜反射投向半透明
23、的投射屏，用CMOS相机获取激光斑辐射强度分布图，根据相机所带软件可以得到对应峰值辐射强度处像素的坐标，由此得出光斑直径，再根据由原向反射屏到投射屏的光程，计算出剩余发散角17。图9 剩余发散角的概念图10 剩余发散角的测量采用3M公司8710玻璃微珠原向反射屏，当z=1750 mm时，测得峰值辐射强度处的光斑直径上的像素数为425，即光斑直径为53.13mm(测量装置的比例因子为：0.125 mmpixel)，求得剩余发散角15.2 mrad0.87。3.1.2 光幕设计本系统采用激光作为光源。激光作为一种新型光源，与其他光源相比有方向性强，光亮度极高，性能稳定的优点，同时解决了以往同类仪器
24、复杂的光源驱动电路设计。现在的半导体激光器型号之多，安装调试很方便，很多厂家你只要给参数，它就能你满足你要求的激光器。之外还有成本低廉，便于日后维修的优点。如图11,激光测速靶采用半导体激光器作光源经准直扩束后，在一个方向上以一定的发散角展成扇形光幕，再用一原向反射屏（横截面为圆弧）作光幕反射镜，若中心点处放置半导体激光器，半导体激光光幕平面垂直于圆弧柱面母线入射，合理设计光学系统，能保证从中心点发射的光线经原向反射屏反射后会聚到中心点附近。当弹丸飞过有效靶区时，进入光电检测器件的光通量将发生变化，光电检测器件将该光通量的变化转化为电信号，经信号处理电路获得触发计时脉冲。用两套上述相同的激光光
25、幕就可构成一套区截装置，可获取弹丸通过两个光幕的时间间隔，通过接口电路，根据两个激光光幕靶的距离由单片机机进行数据处理，得到弹丸的飞行速度18。图11 激光光幕示意图图12 光学系统发射和接收端示意图接收端如图12所示，激光在经过原向反向屏后原向返回，但不是原路返回，与原路光线是有一个水平的位移，这样在接收端，在激光出射口的周围形成光斑。被激光出射口周围的光敏器件接收到，形成稳定的光电流。当子弹飞过光幕时，子弹挡住部分激光，导致返回的激光光功率变小，在接收端的光斑变弱,产生的光电流变小，形成了一个脉冲式的电信号。32 电路单元3.2.1 光电转换放大电路设计中采用德国Silicon Senso
26、r的series5 快速响应型光电探测器型号为PS11.9-5，其相关参数如下：有效光照响应区域：3.45*3.45mm光谱相应：（800nm）0.52A/W,(632nm)0.4A/W暗电流：（20V）1nA上升时间：（850nm,20V,50）3ns击穿电压：50V（2uA）节电容：（0V）180pF，（20V）40pF图13 PS11.9-5光谱响应曲线光电二极管有两个电极阳极和阴极。光电二极管工作时需施加逆向偏压，即阳极加上较阴极负的电压。光电二极管未受入射光线照射时，由于反偏的作用使空间电荷区变宽，势垒增大，流过 p-n 结的电流很小，它是由少数载流子的漂移运动形成的，称为暗电流，由
27、于流过光电二极管的暗电流极小，光电二极管相当于是一只阻值极大的电阻；当光电二极管受到入射光线照射时，产生光电导效应，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，产生光生电流，光电流比无光照时大的多，且光照越强，在同样条件下产生的载流子越多，光电流越大。这时逆向电流(亮电流)将明显增大，光电二极管可等同于一只阻值极小的电阻。光电二极管的逆向电流又称光电流。光电流的大小与入射光线的强度有关；入射光线越强，光电流越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把变化的光信号转换成变化的电信号19。本设计中的光电转换放大电路如图14所示:图14 光电转换放大电路由光电二极管产生的电信号比较弱，经过要进过放大电
28、路放大。本电路采用电压放大型IC变换电路，光电二极管的正端接在运算放大器的正端，运算放大器的漏电流比光电流小得多，具有很高的输入阻抗。当负载电阻RL取1M以上，光电二极管处于接近开路状态，可以得到与开路电压成比例的输出信号。最后产生的电信号由U11端口输出，送到比较电路模块20。简单的说，当有子弹通过光幕时，U11端口输出个高电平脉冲。本电路运放器采用OP07。OP07的功能介绍：OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP
29、07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。3.2.2 比较电路图15 比较电路U11进来电信号，跟U+做比较，如果U1比U+高(子弹通过光幕时)，U12端口输出低电压；相反，如果U11进来的电信号比U+低(没有子弹通过光幕)，U12端口就输出个高电压。这样当子弹经过光幕时，从U12端口输出个低电平脉冲给单片机，使计数器开始计数。当子弹通过第二个光幕时（结束光幕），同理U12端口也输出个低电平脉冲给单片机，使计数器停止计数。根据U11输入端口进来的电压，调节滑动变阻器来改变
30、U+的电压值。本电路采用LM338运放器。LM338是大电流可调集成稳压器，最大输出电流为5A，可调输出范围1.25V25V。它有二种封装，一种是TO-3金属壳，另一种是TO220塑料壳。电压调整率：0.003%。3.2.3 单片机及LCD显示电路本系统采用经典单片机AT89C51来处理数据和计时。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储
31、器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案21。图16 AT89C51单片机接口单片机AT89C51管脚如图16所示，以下是本次系统要用到的管脚介绍:VCC：供电电压；GND：接地；P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当F
32、IASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器
33、进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3：P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /（外部中断0）P3.3 /（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RS
34、T：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。把比较电路的U12端和单片机AT89C51的接口连接；比较电路的U22端和单片机的接口连接，由此启动和停止单片机计数。子弹飞过启动光幕时， 接口接收个低电平，计数器开始计数。子弹飞过结束光幕时， 接口接收个低电平，计数器停止计数，得到计数n后利用t=nT(T为单片机时钟周期)算出子弹飞过两光幕的时间,再根据速度公式（V=S/T）算出子弹的速度。通过单片机P0,P1端口控制LCD显示。其中P0输出数字代码，P2端口进行显示控制。如图
35、17所示图17 控制系统框图具体电路如图18, 晶振电路用两电容和一个晶振组成，给单片机一个稳定的时钟频率。单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST 上外接电阻和电容，实现上电复位，而复位时间是(时钟周期=12振荡周期,振荡周期=1/f)，这个时间只能大不能小，具体数值可以由RC电路计算出时间常数22。图18 AT89C51单片机显示电路4 软件部分设计单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了23。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机
36、的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好
37、者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍24 25 。单片机主要完成计算弹丸在两道光幕之间的飞行时间以及与速度值的输出。飞行时间的计算方案如下：把经过处理的信号由U12 、U22端口；送至单片机的中断口、端口，利用中断子程序对计数器进行启停操作。当弹丸通过启动光幕时，启动计数，通过结束光幕时，停止计数；根据单片机时钟周期T和计数器所计脉冲个数n，得到弹丸飞行时间t=nT。其计数示意图如图19所示。t
38、 = n T启动(停止)信号(U3)单片机机器周期图19 单片机计时示意图软件设计主要由主程序、初始化程序、中断处理程序、数据处理程序及LCD显示等组成。程序运行过程如图20所示。程序开始时，定义LCD显示字型码及控制字码，并初始化各端口、计数器和中断控制寄存器，然后进入测试等待状态。当弹丸穿过启动光幕时，开启计数器，否则继续等待；当弹丸穿过结束光幕时，关闭计数器，否则继续计时。当计数器计数结束后，通过处理可以得到通过两光幕的时间t=nT(T为单片机时钟周期)，然后利用速度公式（V=S/T）对数据进行处理计算，就可以得到的速度值，最后把数据送到LCD进行显示。图20 程序流程图5 仿真和实验5
39、.1 仿真本次仿真用Proteus软件进行仿真,目的是看单片机和显示电路能否进行工作。给单片机装载程序进行仿真，用两按键产生的信号代替启动、停止区截信号，进行仿真，看是否能运行。一切准备好，按下仿真键，LCD显示闪烁光标，说明系统运行良好。连续按下两按键，LCD显示屏上立刻显示出时间和速度。情况如图20所示。重复几次,系统都运行良好,证明系统完全可用。图21 仿真图5.2 实弹试验实验目的:检验光电转换电路和放大电路是否能工作实验原理:利用示波器检测电路输出波形是否合格实验地点:靶道实验步骤:1. 在平台上安装和调试好两光幕,固定器件，要使两光幕保持平行。2. 将电路的输入端和光敏元件接好，两
40、路输出端分别接到示波器的CH1和CH2上。3. 固定好两光幕器件后，用直尺测量两光幕之间的距离。4. 固定好枪支，调整弹道通过光幕的中心。5. 装弹进行射击，并使示波器保存子弹过光幕时的波形。实验结果:本试验两个激光光幕靶之间的距离为467mm，进行了5组试验,示波器截图如图22到图26：CH1为光电转换电路输出的信号，每个单位格代表500mv；CH2为比较电路输出的信号，每个单位格代表5v。图22图23图24图25图26用光标确定两个脉冲信号之间的时间，就可以直接在示波器上读出时间，在用两光幕靶之间的距离467mm计算，就可以算出子弹的速度。数据处理见表1。表1 实验数据处理组数时间速度16
41、12.0us763.07m/s2612.0us763.07m/s3612.0us763.07m/s4612.0us763.07m/s5612.0us763.07m/s6 总结与展望弹丸速度是弹丸运动特性的一个重要参数，是衡量武器性能的基本参数，也是为射表编制和内弹道研究必须提供的数据。区截装置测速法是现代靶场中弹丸测速的普遍方法。本系统是基于激光技术应用来测量弹丸的速度的。测量弹丸的速度一方面可以了解子弹的杀伤力，一方面也对火药的质量、枪管的某些参数也有一定的参考价值。此外，本系统也可以应用到民用上测量小型物体飞行的速度。比如要应用到体育方面，可以测击发球的速度，如网球、羽毛球等。用于运动员了
42、解自己的球速和发球极速，通过球速可以与世界高手作个比较，看差距有多大。利用单个光幕，可以做成边界球判定系统。比如网球，羽毛球的边界球的判定。只要在本文系统的基础上修改下。本系统突出优点是方便携带和安装。由于本系统用单片机代替了计算机信号处理系统，使得测量系统小型化，适用的场地，增多用途更广。由于单片机代替计算机处理数据，在成本上也有大幅度的降低，这对于推广应用、工厂批量生产都有很大的帮助。附录A:附录B:参 考 文 献1 刘世平. 弹丸速度测量与数据处理. 北京: 兵器工业出版社,1994.122 孙福治弹丸速度测试技术兵器工业总公司资料2000.123 官汉章，皱瑞荣. 实验内弹道学. 北京
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