基于单片机的枪弹激光测速仪设计与实现

杨敬树+潘楠+刘益+李刚

摘要：针对警用实验室对枪弹速度测试需求，设计了一种基于单片机的激光测速仪。该测速仪以单片机为核心，并配有相应模块。首先，利用激光检测板模块对发射的弹丸进行检测，然后将检测到的数据传输到单片机中，在单片机中对检测数据进行处理然后将其通过热敏打印机打印出来，并可以通过USB数据接口对数据进行上传至计算机中进行保存，同时通过控制器可以对需要的步骤进行操作。

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.

关键词：枪弹测速；激光检测；单片机

Key words： bullet speed tester；laser detection；microcontroller

中图分类号：TJ411 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）29-0145-03

0 引言

在对物体的运行速度测量的过程中，最常使用的就是利用激光测速，对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，取得在该时段内被测物体的移动距离，从而得到该被测物体的移动速度。同时它也是一种新型的测速测量技术。由于激光测度具有远距离测量、测量范围广、非接触、测量精度高、响应时间短等优点，所以也常被使用在对枪弹弹丸的测速中。

1 枪弹测速仪整体结构设计

该枪弹测速仪主要以单片机为核心，外围主要有稳压电路模块、无线模块、激光检测板模块、USB接口模块、热敏打印机、按键模块和显示屏。其中，稳压电路用来提供稳定的低压以供使用；无线模块提供在无线环境下的数据的上传以及下载功能；激光检测板模块主要用于检测发射子弹的速度；USB接口模块主要用于将检测到的速度数据通过USB接口上传到计算机中；热敏打印机用于将检测到的数据打印出来以供使用；按键和显示屏模块主要用于人工在显示屏上面通过按钮来控制所要进行的操作，并在显示屏上面显示[1]。在整体的设计结构上面充分考虑了实用性以及可延展性，整体结构设计的模块组成如图1所示。

1.1 单片机控制设计

考虑到功耗及成本因素，选用ZIC-STC12C5A60S2单片机为处理核心ZIC-STC12C5A60S2构成的最小系统。如图2所示，其以ZIC-STC12C5A60S2为核心，包含晶振模块和复位电路。系统晶振模块选用12MHz石英晶振，晶振并联2个30pF电容，起快速起振和稳定频率作用，该电路为单片机提供时钟脉冲。复位电路是用来让单片机处理器返回到初始状态的辅助电路，由10μF电容、10kΩ电阻和直流电源构成，系统可通过上电复位。当系统出现死机或程序跑飞时，通过复位电路让系统重新工作[2]。单片机 ZIC-STC12C5A60S2的wifi_RXD2、wifi_TXD2端口为稳压电路模块预留，P1.4、P1.5、P1.6、P1.7为无线模块预留，P3.2为激光检测板模块预留，P1.0为蜂鸣器预留。

1.2 稳压电路模块设计

系统各功能模块所需供电电压均为3.3V电压，为了保证系统稳定可靠性，使用方便，采用独立电源供电方式。稳压电路中采用PC817C作为光电耦合器目的在于增加安全性，减小电路干扰，简化电路设计。稳压器件采用AMS1117-3.3，以保证系统中的电压为稳定的直流3.3V电压。三端固定电压AMS1117-3.3输出电流为1A线路调整率：0.2%（最大）；负载调整率：0.4%（最大）；封装类型：SO。在PC817C中加上LED电源指示灯，用来判定电源是否正常工作。该系统电源电路如图3所示电路中LED用作电源指示，其亮灭代表电源工作与否，Res起限流作用，以保证LED不被烧坏。

1.3 无线模块设计

为了能够在无网络的情况下系统能够进行各种代码以及数据的上传和下载，在该测速仪中添加了无线模块，通过无线模块连接无线网络就可以完成该操作，使该测速仪更加人性化。在无线模块中通过4条端口连接单片机的无线连接端口，同时连接Res为1kΩ的电阻用于保护电路。在无线模块中通过IO00、IO02、IO16、CHPD连接插头P11，通过将外接的无线网络通过插头连接，如图4所示。

1.4 激光检测板模块设计

在测速仪中主要模块就是利用激光检测板进行枪弹弹丸的检测，在激光检测板模块中连接了LED灯用来判断激光检测板是否处于正常工作的状态，如图5所示。在激光检测板中通过插头P1、P2、P3与实时激光检测板连接[3]。在实时检测板中放置了AD8065单路放大器，用于提供FET输入，性能出色、易于使用。同时将光敏三极管Photo NPN与放大器连接，当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度[4]。通过增加光敏二极管来增加检测的灵敏度，如图6所示。

2 试验测试与分析

为了验证该枪弹测速仪的实际效果如何，我们在某刑事科学技术研究基地进行试验，在试验的过程中采用两种不同型号的枪支作为测试对象，表1是该枪弹测速仪的测试结果与枪弹的实际速度。

通过表1可以看出，该枪弹测速仪的测试速度的数据与真实的枪弹的速度基本一致，两者的速度差均小于1m/s，即属于误差的范围之内。

3 总结与讨论

利用单片机技术并结合激光测速知识对枪弹的弹丸进行测速，能够准确的对枪弹的速度进行判定，为枪支的综合性能判断提供有力的支撑。同时该测速仪还配有热敏打印机模块以及USB数据接口模块等，可以对测试的数据进行打印以及保存，实现枪弹测速的人性化与专业化。

参考文献：

[1]马时亮，倪晋平.警用刑事实验室枪弹测速系统设计及实现[J].西北工业大学学报，2013，33（10）：785-788.

[2]李颖宏，马龙.一种新型双激光测速系统的设计与应用[J].电子测量与仪器学报，2016，30（2）：256-264.

[3]金国藩，李景镇.激光测量学[M].北京：科学出版社，1998.

[4]王世峰，赵馨，佟首峰，等.激光位移传感器数据采集技术[J].微计算机信息，2008，24（21）：137-138.