收稿日期：2011－02－19
作者简介：姚传明（1988—），男，安徽六安人，硕士研究生，主要研究方向为光电测量；邵鹏飞（1968—），男，安徽合肥人，副教授，
主要研究方向为CAD /CAE 应用；徐胜利（1965—），男，安徽合肥人，教授，主要研究方向为流体力学；罗小鹏（1986—），男，安徽安庆人，硕士研究生，主要研究方向为光电测量。
姚传明，邵鹏飞，徐胜利，罗小鹏
（中国科学技术大学工程科学学院，安徽合肥230027）
摘要：设计了一种速度大于1km /s 的高速弹丸测速装置。用光纤将入射光导入至弹丸表面，将其反射
光导出至光电二极管（GT101），利用光电转换后的信号触发STC12C5A60S2单片机计时器两路外部中
断实现计时，
根据两测量点间距和弹丸飞行的时间差，可计算弹丸速度值。利用单片机控制LCD 显示速度值并作为下
位机与上位机进行串行通信。将软硬件系统经集成为光电测速装置，并用于二级轻气炮的高速弹丸速度测量。结果表明，该测速装置简单可靠，可满足二级轻气炮宽范围速度测量的要求。关键词：弹丸速度；单片机；串行通信中图分类号：TP273文献标识码：A 文章编号：1000－8829（2012）01－0038－04
Development of Projectile Speed Measurement Based on
STC Microcomputer
YAO Chuan-ming，SHAO Peng-fei，XU Sheng-li，LUO Xiao-peng
(School of Engineering Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，China)
Abstract:An optoelectronic device is developed for projectile speed measurement．The incident beam is input onto the projectile surface and weak reflected beam is output to the photodiode(GT101)by fibers at each sta-tion respectively．Output signals from GT101are employed to trigger the internal timer of STC12C5A60S2mi-crocontroller．Based on the distance and signal time difference between the neighbor stations，the projectile speed can be calculated．Then，LCD
controlled by microcontroller can display the projectile speed and commu-nicate data between lower computer and host PC by serial ports．Finally，the projectile speed and current time histories of each diode can be saved in PC．The results show that this device is with good flexibility and relia-bility in measurement wide speed range of projectile from two-stage gas gun．
Key words:projectile speed;microcomputer;serial communications 弹丸速度测量是评价轻气炮性能的重要参数之
一。已有的测量方法包括打靶法［1］、
断线法［1］
、电磁法［1］、光电法［1］和多普勒法［1］等。对于高速运动弹丸，接触式速度测量方法（打靶法和断线法）将影响弹丸运行轨迹和姿态，降低其飞行速度。电磁法对测量环境要求较高，易受周围电磁场的干扰，对信号处理要求也较严格。多普勒法特别适合超高速弹丸速度测量，但需精确地检测和判读信号频差（频移），设备安
装也较麻烦。其中，光电法不改变弹丸运行轨迹，适合
较恶劣环境的弹丸速度测量，
因此，也是应用最为普遍的方法。在轻气炮试验中，为提高弹丸速度，需要将发
射管抽至不同的真空度，
在高速弹丸飞行过程中，其顶端空气电离并伴有强烈的自发光现象，这会影响到光学测量信号。鉴于此，高速弹丸速度的光电测量装置应具备较强的抗干扰能力和高频响应特性。
要说明的是：对速度1km /s 的高速飞行弹丸，基
于光线遮断的光电法测速原理已不能满足需求，
原因是光电管电流时间曲线下降沿时间约为几个ms 量级，因此，基于光线遮断的测速方法只适合于几十到几百米每秒的速度范围。对速度超过1km /s 的小尺寸弹丸（直径小于10mm ），需要利用反射光来触发光电管，其电流时间曲线的上升沿约为5ns （GT101光电二
极管）。因此，
设计了在环境电磁和背景光噪音较强、速度大于1km /s 的弹速测量系统。
1总体方案
在弹丸发射管布置两个测点（如图1所示）。各
测点均插入两根外径为3mm 的光纤，
光纤2将入射光投射到发射管内，当弹丸经过测点时，光纤1采集到弹丸表面的漫反射光信号，并传递到后侧的光电转换
单元。光纤3和光纤4与光线1、
光线2的作用相同。采用高频响数字示波器可得到两测点光信号强度时间曲线，根据两侧点距离和光信号时间差，就可得到弹丸出口的平均速度。要说明的是相对于平面发射而言，弹丸圆柱面的漫反射光强较弱，需经电镀，以提高漫反射光信号的强度
。
图1弹丸测点和光纤布置示意图
由光纤1和光纤4输出的光信号经光电转换和运
放单元、
单片机定时和处理模块，最后给出弹丸速度值。由RS232标准串口将数据结果传送给上位机数据采集软件以保存和打印。图2给出了弹丸测速系统组成框图
。
图2弹丸测速系统原理示意图
2
硬件设计
2．1
光电转换单元
由于弹丸经过两测量点的速度比较快（大于1km /s ），因此，光电转换单元的响应速率要快。同
时，该单元对弹丸表面漫反射后的弱光信号要有较高的灵敏度。鉴于此，选择了高频响的硅光电二极管GT101作为光电转换器件。典型响应时间约5ns 、暗电流为3nA 。电路如图3所示，根据其参数要求，下拉电阻选为51k Ω
。
图3光电转换单元电路图
2．2
一级和二级放大单元经过光电单元转换后，与弹丸到达时刻对应的电
信号需进行适当放大和电平转换后，
再触发单片机的外部中断。为便于调节和提高系统的可靠性，采用一
级放大倍数较小、二级放大倍数可调的设计思路。同
时，
为保证系统抵抗环境热噪声和抗干扰能力，从而设计了调零电路，以便使每次无输入信号时的输出信号位于零点。选择高速低功耗运算放大器AD827。该放大器具有较大的压摆率，能够提供较大的开环增益和快速建立转换所需的时间。图4给出了一级放大电路图，一级放大倍数设定为13倍。经光电转换后的电压信号接入反相输入端。对无输入信号情况，通过调节电位器RV 1使一级放大单元输出端OT1为0
。
图4
一级放大单元电路图
二级放大倍数设定为152倍，将一级放大的输出信号接入OT1端，通过调节电位器RV 4设定其放大倍数。从OP1端口输出的信号可供单片机或示波器使用。二级放大单元电路图如图5所示。
图5二级放大单元电路图
2．3
单片机和外围电路
由运放单元运放后的信号为CMOS 信号，需经过电平转换芯片CD4009将其转换成TTL 电平，以避免损坏单片机端口。图6给出了单片机模块示意图。单片机主要外围芯片是LCD1602和串口通信模块。除
了显示速度值外，
LCD1602还可显示相关参数的设定值。串口通信采用MAX232电平转换芯片，通过串口
与计算机通信。编写上位机软件，
可显示和存储试验结果等
。
图6单片机模块示意图
3控制软件设计
控制软件设计包括控制程序和上位机软件两部分。
3．1控制程序
控制程序是针对STC12C5A60S2单片机编写的。要说明的是：在测量过程中，弹丸锥形头部会产生漫反
射光信号，且易引起单片机的误触发。建议弹丸锥形小鹏
段不做镀铬表面处理，
尽可能保持原加工状态，以减小干扰光信号的强度。图7给出了实际测量结果的电信号时间历程曲线。信号1电压时间曲线的第1个上升
沿为干扰光产生的信号，
第2个较宽的波峰为弹丸经过测量点所产生的信号。为此，
单片机外围中断被触发后，延时15μs （干扰信号和实际信号的持续时间不同，前者通常小于15μs ，但后者通常大于30μs ），如
果此时外部信号经CD4009反相后仍为低电平，
这说明此信号上升沿为弹丸刚经过测量点所产生的信号，此时触发单片机并开始计时，且在计时终止时刻再加
上15μs 。反之，
则认为该信号为干扰光信号，并可忽略。具体测速程序流程如图8所示
。
图7
弹丸对应的光信号电压时间曲线
图8弹丸测速程序流程图
在弹丸测速程序中，利用信号1上升沿触发单片
机并开始计时，信号2上升沿终止单片机计时。将寄存器中的计数值取出并加上实际程序跳转所需时间，可得到两信号的时间间隔，根据两测点距离可计算出弹丸平均速度。为准确地保证程序的延时性和便于计算程序跳转所需的时间，控制系统软件均采用汇编语
言编写。同时，
采用汇编语言还可以提高系统程序执行效率。
3．2上位机软件设计
利用VB6．0编写上位机软件，利用串口线可远距离采集和存储试验数据，同时，也可灵活地修改试验参数。利用VB6．0控件CommControl ，可方便地实现单片机与PC 之间通信，在上位机软件中修改通信参数，以增加软件灵活性。图9给出了上位机界面示例。为
了适应使用要求，设定通信参数为“2400，8，N ，0”，可
修改通信参数波特率大小、奇偶校验位等。自定义一个命令字用来传递上位机和下位机间的通信参数和工作模式
。
图9上位机软件界面示例
4试验结果及分析
为验证此系统的可靠性及响应特性，采用2路标
准光信号模拟实际弹丸表面的漫反射光。当设定该2路光信号时间差为200μs 时，系统显示时间为201.8μs ，示波器显示实际光信号上升沿约为1μs ，误差为0.9%；当光信号时间差为100μs 时，系统显示时间为101.4μs ，示波器显示实际光信号上升沿约为1μs ，误差为1.4%。由此，系统的测量精度和响应度都能满足弹丸速度测量的要求。
利用上述系统，对二级轻气炮［6］
的弹丸斜入水试验进行了速度测量。表1给出了不同试验工况的测得结果。表1表明：弹丸速度与压缩管驱动压力、膜片刻槽深度（与临界破膜压力对应）和发射管真空度有关。当压缩管被压缩空气压力大于临界破膜压力时，
铝膜片瞬时破裂，高压气体驱动弹丸在发射管加速运动，预置十字刻槽可使铝膜片均匀破裂。同时，在同一
工况及不考虑二级轻气炮本身干扰因素的情况下，
速度值具有一定的重复性，表明该测速系统具有良好的稳定性。
表1
不同工况下测量的弹丸速度值驱动压力/atm
槽深/mm 真空环境
速度/m ·s －1
11．0
1．0是883．411．00．8是1039．311．00．6是1265．810．00．7是967．411．00．7是1226．712．00．7是1514．212．50．7是1550．212．5
0．7
否
1006．4
注：1atm ≈1.01ˑ105Pa
5结束语
弹丸速度测量系统较好地解决了高速弹丸速度测
量问题，
具有体积小、成本低、软硬件集成和稳定可靠等优点。
在弹丸高速飞行过程中，从软硬件设计方面克服了干扰光和环境强电磁的影响，适合高速飞行物体速度的现场测量。参考文献：
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檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾殧
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