坦克打靶.doc

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1、编号（学号）：本科学生毕业设计题 目： 坦 克 打 靶 Tank Target Practice 学院名称： 物理与电子信息学院 专业名称： 应用电子技术教育 年 级： 2007 级 学生姓名： 代 燕 莉 学号11位： 200709240705 指导教师： 陈元莉 职称/学历： 副教授/硕士 成绩评定评价方式及比例指导教师评价（60）评阅人评价（20）答辩小组评价（20）最终成绩评定等级成 绩折算后成绩评定等级标准：“优”（90分以上）； “良”（8089）； “中”（7079）；“及格”（6069）； “不及格”（60以下）。年 月 日教 务 处 制目 录摘要：1ABSTRACT:1第一章

2、 绪论2第二章 方案选择和论证22.1电机选择方案22.2电机驱动模块设计方案22.6声光报警模块设计方案4第三章 系统硬件设计与实现43.1系统硬件的基本组成部分43.2主要单元电路的设计43.2.1控制电路的设计43.2.2坦克电机驱动电路的设计53.2.3 电源电路的设计53.2.4光源检测电路的设计6第四章 系统软件的设计7第五章 测试105.1 测试仪器105.2 测试方法115.3 指标测试115.3.1 基本要求部分的测试115.3.2 发挥部分的测试125.3.3 测试结果分析13参考文献13致 谢13 坦克打靶 -硬件设计代燕莉 物理与电子信息学院应用电子技术教育专业07级

3、指导教师：陈元莉摘要：本作品使用TI公司MSP430单片机为核心的电路板设计开发，制作一个具有快速寻迹和准确打靶功能的坦克。快速寻迹部分采用具有H桥式电路的L298N的芯片对直流减速电机驱动，再配合3个光电开关来实现对坦克速度和线路的控制。准确打靶部分采用光敏三极管，并通过LM324放大比较，输出高低电平，送入单片机处理，控制激光二极管发射激光打靶，实现坦克的准确打靶。整个系统具有工作稳定，驱动能力强、超低功耗、方便高效、性价比高等特点，较好的完成了基本部分和发挥部分的要求。关键词：MSP430;快速寻迹;准确打靶 Tank Target PracticeDAI Yan-liSchool of

4、 Physics and Electronic Information, Education of Application Electronic Technology, Grad 2007 Instructor：CHEN Yuan-liAbstract: This work uses microcontroller MSP430 as the core. A tank which can find the track quickly and hit the target accurately is made. Quick traction adopt L298N which Possess H

5、 bridge circuit, to drive the DC gear motor. Cooperating three photoelectric switches can realize the control of tanks speed and moving line. Accurate target shooting adopt photo transistor and LM324 to amplify and compare, outputting high low-level. After via MCS processing, tanks can control LD to

6、 fire laser and shoot the target accurately. the whole system has the characteristics of stable function, strong driving force, ultra-low power, convenient, highly efficient and high cost performance. This work realizes the requirement of basic part and developing part.Keywords: MSP430; Quick tracti

7、on; accurate target shooting 第一章 绪论 单片机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于诸多电子产品设计领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。随着军事技术和坦克装备的发展，为了推进坦克训练的步伐，迎合部队信息化建设需要，本文提出并设计了坦克打靶系统。 本设计介绍了一种基于SMP430系列单片机信息处理的坦克快速寻迹和准确打靶系统。在本系统中，由光敏三极管对光源进行检测，输出信号到LM324进行放大比较转换成数字信号送给单片机，最终由单片机进行位置判断，并控制炮塔转动

8、，瞄准光靶进行炮击动作。在炮击过程中，还会伴随声光报警提示，这样，在系统运行过程中能快速、方便的收集到有用的信息。 通过对该系统的设计与调试，强化了对单片机理论知识的认识深度。同时，本系统在部队信息化建设的工程中具有极大的开发前景。第二章 方案选择和论证2.1电机选择方案方案一：采用普通直流电机。普通直流电机虽然价格便宜，但动力不够强，体积大功耗高，难以满足要求，故不采用。方案二：采用减速直流电机负责坦克的前进和转向功能，其优点力矩较大，容易控制电机转动速度，故坦克快速寻迹采用此方案。方案三：采用步进电机。步进电机的准确定长步进可方便地实现调速和方向偏转，承载能力强，且可以通过单片机对相数进行

9、控制，实现炮塔的自动复位。故炮塔转动采用此方案。2.2电机驱动模块设计方案方案一：使用四个三极管构成H桥式驱动电路，虽然电路结构和原理简单，成本低，但其驱动能力较弱，不易达到所需的驱动力，故不采用此方案。方案二：采用具有H桥式电路的L298N的芯片再配合直流减速电机，通过PWM脉宽调制，实现对坦克速度的控制。采用H桥式电力对电机进行控制，无须隔离电路，通过改变单片机的I/O输入端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点

10、。因此，坦克和炮塔电机驱动均采用方案二。2.3电源模块设计方案方案一：采用单一电源供电。这样供电比较简单。但由于电机启动电流很大且波动也较大，会造成电源电压不稳，可能会使传感器误检测，严重时会引起单片机程序跑飞、复位等异常现象。故不采用此方案。方案二：采用双电源供电。将驱动和其他模块分开供电，这样可以避免方案一中的问题。故采用此方案。2.4光源检测模块设计方案方案一：在坦克后面装上参数一致的光敏电阻，光敏电阻的薄片结构以便吸收更多的光能，它对可见光比较敏感，但由于它输出的是模拟量，需要外加AD转换电路，且温度变化比较敏感，当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都将下降。考虑到设计要求的精度，故不采用

11、此方案。方案二：在激光二极管周围安装参数一致的光敏三极管，它的基区面积做得较大，发射区面积做得较小，入射光主要被基区吸收。和光敏二极管一样，管子的芯片被装在带有玻璃透镜金属管壳内，当光照射时，光线通过透镜集中照射在芯片上，易实现光电转换的要求。此方案具有电路简单，灵敏度高，受环境影响小的特点。故采用此方案。2.5寻迹模块设计方案方案一：采用自制红外探头，发送接收选用红外对管。此方案虽然价格便宜，但要设计相应的外围电路，灵敏度较低，且容易受到周围环境的影响。故不采用此方案。方案二：利用集成反射式光电开关。由于黑色物体和白色物体的反射系数不同，使光敏三极管导通和关断，从而实现对黑白物体的分辨。当被

12、侧物体是黑色物体时，光敏三极管无法导通，输出端输出高电平。当被侧物体是白色物体时，光敏三极管导通，输出端输出低电平。控制器检测输入电平，即可以判断此时被检测物体是黑色物体还是白色物体。此方案应用简单，灵敏度高，还能有效地防止普通光源的干扰，可靠行高。故采用此方案。2.6声光报警模块设计方案在发光方面，采用发光二极管。在发声方面，使用蜂鸣器代替普通的扬声器，其体积小，功耗低，且易于实现，成本也不高，故采用此方案。第三章 系统硬件设计与实现3.1系统硬件的基本组成部分本系统的硬件电路由控制模块、电机驱动模块设计方案、快速寻迹模块、光源检测模块、声光报警模块、电源模块组成。如图3.1所示：光源检测模

13、块声光报警模块电机驱动模块电源模块寻迹模块控制模块图3.1 系统硬件组成框图3.2主要单元电路的设计 3.2.1控制电路的设计坦克的控制电路以一片16位MSP430单片机为核心，它负责对光电开关的信号进行采集、分析、处理，控制坦克前进、左转、右转、停止。以及通过对光敏三极管输入的信号进行处理，发出各种控制信号的命令，以完成炮塔的转动，实现激光打靶。 3.2.2坦克电机驱动电路的设计坦克采用双电机驱动，左侧轮子由左电机驱动，右侧轮子由右电机驱动。驱动电路为一个L298N驱动芯片组合单驱动电路。如图3.2所示，本作品需要两个单驱动电路分别用于驱动左右两个直流减速电机和炮塔步进电机。 图3.2 驱动

14、电路通过设置P1.0-P1.3的状态则可实现坦克的前进、左转、右转、停止控制。P1.0-P1.3输出状态与电机转动的关系如下表3.1所示：表3.1 输出状态与电机转动关系对照表P1.3P1.2P1.1P1.0 运动情况1010 前进0000 停止0110 右转1 001 左转 3.2.3 电源电路的设计坦克采用双8V可充电电源供电，通过7805稳压成5V给各模块供电，电机驱动直接用8V供电，如图3.3所示；步进电机采用市售的直流稳压电源供电，电机驱动接12V接口，其它模块接5V接口。图3.3 电源电路 3.2.4光源检测电路的设计为了使坦克在寻迹过程中遇到黑色短线后能准确打靶，故采用三个光敏三

15、极管安装在激光二极管的周围，输出信号经过比较器后送到单片机进行处理，导通激光二极管，进行炮击。如图3.4所示：图3.4 光源检测电路此光源检测电路采用LM324作为比较器。当坦克向左偏离光源时，光敏三极管L1的输出强于L2的输出，L2的输出强于L3的输出，比较器A输出高电平，比较器B输出低电平；反之，当坦克向右偏离光源时，比较器A输出低电平，比较器B输出高电平；当坦克正对光源时，比较器A和B均输出低电平，此时，炮塔转动，瞄准击炮。 3.2.5 寻迹电路的设计为了使坦克在寻迹过程中不偏离出轨道2cm，本设计采用三个红外反射式光电开关，分别安装在坦克前端的中间位置，通过检测三个传感器的输出信号通过

16、P1.4、P1.5和P1.6送入单片机进行处理。如图3.5所示：图3.5 寻迹电路组成 当坦克向左偏2cm出轨道时，左边、中间的传感器输出低电平，右边传感器输出高电平，单片机控制工程车右转，使其回到轨道上；当小车向右偏出轨道时情况相反。第四章 系统软件的设计本系统的所有程序均采用C语言编写，开发工具为IAR 。整个程序可分为主程序和功能子程序。主程序主要决定坦克、炮塔的动作，通过在特定条件下调用功能程序实现坦克的各种功能。4.1 主程序主程序中包含寻迹子程序，瞄准光靶子程序，声光报警程序，能够实现预期功能。本系统的主程序流程图如图4.1所示。初始化寻迹检测炮击点炮塔旋转，检测光源是否瞄准光源炮

17、击点数cnt加1，击炮YNYN炮塔复位cnt是否等于55N坦克停止Y图4.1 主程序流程图4.2 功能子程序 4.2.1 寻迹中断子程序寻迹中断子程序的作用是通过判断主控P1.4,P1.5和P1.6的状态，使坦克车沿着黑色轨道快速行进。P1.4,P1.5和P1.6分别接左边，中间，右边光电开关的输出。当P1口低三位为010或者000，控制左右电机正转，坦克车直线前进；当P1.4,P1.5和P1.6依次为001或者011时，工程车右转；当P1.4,P1.5和P1.6依次为100或者110时，工程车左转；当P1.4,P1.5和P1.6依次为010时，工程车前进；当P1.4,P1.5和P1.6依次为

18、011时，工程车停止。寻迹中断子程序流程图如图4.2所示。中断入口001010011100110011前进右转左转左转停止右转中断返回图4.2 寻迹中断子程序流程图 4.2.2 光源检测打靶子程序光源检测打靶子程序主要用于精确定位炮塔，保证命中光靶中心，子程序首先检测炮台上传感器是否检测到光源，如果没有检测到，则判断车身左右两边具体是一边检测到光源，往有光源一边转动炮台，在旋转过程中炮台上传感器将接受到传感信号，如果炮筒左边检测到光信号，电机驱动炮台往左边旋转，反之则往相反方向旋转，当炮筒正上方的传感器检测到光信号时，表明炮筒已经对准光靶中心，此时停止炮台转动，从而实现坦克在整个行进过程中动态

19、扫描光靶，到达炮击点时能够快速准确的瞄准射击。光源检测打靶子程序流程图如图4.3所示。中断入口步进电机正转寻光是否找到光源YN光源动态扫描，瞄准光源检测到黑线激光二极管炮击Y延时2S，炮塔复位N中断返回图4.3 光源检测打靶子程序流程图第五章 测试5.1 测试仪器测试使用的仪器设备如表5.1所示。表5.1 测试仪器设备清单序号型号、名称用途数量1计算机调试及下载程序12绘制黑线轨迹的白纸测试坦克的寻迹13A830L 数字万用表测量各电路工作情况14直流稳压电源为坦克供电2512V 10W灯泡作为光源16秒表测量时间17示波器测试传感器的稳定18光靶刻度板测量打靶精确度19250g的金属物测试炮

20、塔的承载能力110电子秤测试转动惯量配重15.2 测试方法根据设计要求，布置实验环境，反复使坦克在环境中运动以便进行测试。5.3 指标测试 5.3.1 基本要求部分的测试 （1）寻迹全过程的测试记录 测试坦克从起点到达终点全过程寻迹时间、寻迹能力及寻迹质量。测试数据列于表5.2中。表5.2 测试记录表测试次数（次）寻迹全过程时间（s）有无寻迹能力寻迹质量第一次48有优第二次50有优第三次48有优寻迹全过程中，检测基准偏离未超过2cm，故意引导轨迹边缘距离超过2cm，坦克 发出声光报警信号 。三次测试寻迹完成，并未超过60s，单独测试行驶时间达到60 s时， 坦克停车且不再有炮击的动作并发出声光

21、报警 。 （2）检测到“炮击点”黑色短线的测试记录表5.3 “炮击点” 测试记录表4条“炮击点”黑色短线有无停车激光炮击点刻度位置偏差（cm）瞄准光靶时间（s）第1条有32第2条有22第3条有0.82第4条有0.52每次检测到“炮击点”黑色短线，均有的现象： 立即自动停车 ； 并给予声光报警并持续2s ；当数码管上显示检测到第5条黑色短线，坦克停止。 5.3.2 发挥部分的测试 （1）转动惯量配重记录 电子秤读取转动惯量配重 256 g； （2）寻迹全过程的测试记录时间测试记录表5.4 时间测试记录表测试次数（次）第一次第二次第三次寻迹全过程时间（s）383633从上表可以看出，全程行驶时间在

22、 33 到 38 s之间。寻迹全过程中，检测基准偏离未超过2cm，故意引出轨迹边缘距离超过2cm，坦克 发出声光报警信号 。三次测试寻迹完成，并未超过60s，单独测试行驶时间达到60 s时， 坦克停车且不再有炮击的动作并发出声光报警 。 （3）检测到“炮击点”黑色短线的测试记录表5.5炮击点” 测试记录表4条“炮击点”黑色短线激光炮击点刻度位置偏差（cm）瞄准光靶时间（s）炮击完成是否复位第1条23是第2条43是第3条03是第4条33是当数码管上显示检测到第5条黑色短线， 坦克停止 。复位位置为火炮指向车头正前方位置，自动复位到位有发出 声光信号 。坦克在整个寻迹过程中，炮塔一直进行动态瞄准目

23、，检测到“炮击点”黑色短线 立即炮击并发出声光指示，时间持续2s ；整个击炮过程 不停 （停|不停）车。 5.3.3 测试结果分析由以上的测试数据可以看出：本自动巡逻系统能很好地实现题目要求的各项功能，且完成了创新部分的设计。测试期间运行稳定，基本达到了设计要求。第六章 结束语 本系统实现了坦克模型的快速寻迹和准确打靶。为降低系统功耗，系统采用低功耗的MSP430F149单片机。为提高控制精度，实现偏离轨道的最大距离小于2cm，电机驱动采用PWM波进行控制，不但降低了电机的能耗，还减少了单片机I/O口的使用，控制方式更加简单，效率更高。为达到准确定位，炮塔驱动采用的是高精度的步进电机，有效减小

24、射击的偏离误差。通过对本系统全面的设计制作，我们学到了不少东西，积累了一些经验，更重要的培养了我们的动手能力。参考文献 1 余锡存，曹国华单片机原理及接口技术M陕西：西安电子科技大学出版社，2005年2 段艳艳，赵启升.一款寻迹机器人的设计与实现J.科教前沿.2010.13(002):25-263 黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛电路设计M北京：北京航空航天大学出版社，2006年4 杨向琴.基于MSP430的个人追踪定位器J.科技咨询.2010.24(005):15 沈建华,杨艳琴. MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践M. 北京: 北京航空航天大学出版社.2008年致 谢 通过毕业作品的设计完成，使我强化了理论知识，增强了实践能力，在此感谢学院为我提供了这样一个锻炼的机会。完成设计的过程中得到了陈元莉老师的悉心指导，在此向陈老师致以诚挚的谢意。我在大学的四年学习生活中，得到了各位老师的关心，正是因为老师们四年间认真负责地传授知识，使我能够很好的掌握专业技能，并在毕业设计中得以体现。也是在你们长期的指导和帮助下才使得我的毕业设计最终顺利完成。 我向物理与电子信息学院全体老师们表示衷心感谢：谢谢你们，谢谢你们四年的辛勤栽培！在此同时感谢所有帮助过我的同学，谢谢你们！