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杭州电子科技大学本科毕业设计
3 总体设计
激光打靶系统是一种集光、电于一体的系统，其工作原理是激光枪发出的激光束，打到光电传感器上，经光电传感器将光信号转换为电信号，电信号经过信号处理后由单片机发送到计算机的串行口，然后在计算机上完成成绩显示、查询和保存等功能。
激光打靶系统结构的组成框图如图3-1所示。该系统包括半导体激光枪、模块式探测器、数字信号处理和发送电路、计算机数据处理程序等四部分。
激光枪 探测器 模 块 滤 波 电 路 放 大 电 路 整 形 电 路 优 先 编 码 电 路 串 行 收 发 模 块 电 平 转 换 串口 计算机 图3-1 系统总体结构框图
3.1 激光的检测[7,8]
每次打靶，激光枪发出一个激光脉冲。如果激光脉冲击中光电靶，利用光生伏特效应，光电靶上的探测器把光信号转换成电信号，因此激光的检测就是对探测器响应电信号的检测。光电探测器的响应是一个单脉冲小信号，整个检测过程包括：信号放大、波形整形，检测输出是标准的脉冲数字信号。
3.2 靶位的划分
把一个激光靶划分为38块探测器，中心10环为一块探测器；9.8.7.6环分别有8块探测器；5环有5块探测器。根据不同靶位上的探测器来判断所击中的位置，包括环数：10.9.8.7.6.5；偏离方向：上.下.左.右.左上.左下.右上.右下。
若信号击中两块或四块探测器的交界，则只取其中一块为有效，记为有效的探测器满足以下条件：
（1）环数高；
（2）偏离方向为斜向（例如：上和右上两方向，选择右上）。
根据上述要求，以及硬件电路设计的需要，对不同的探测器进行编码，见图3-2（右）。
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图3-2 靶位划分与编号
3.3 编码标准
对38路信号按以上原则编码，编码结果如表3-1。若脱靶无信号则记为0号。编码后，每一个号码对应了每一个探测器的位置信息，包括环数和偏移方向。对信号击中两块或四块探测器的交界的情况,只需取码号大的探测器为有效。这样，打靶的结果在硬件电路上的实现便可由40－6线优先编码器完成。
表3-1 靶位编码 10环 9环 8环 7环 6环 5环 33 25 17 9 3 37 29 21 13 － 32 24 16 8 2 36 28 20 12 5 上 右上 右 右下 38 31 23 15 7 － 35 27 19 11 4 30 22 14 6 1 34 26 18 10 － 下 左下 左 左上 3.4 成绩的传送和处理
信号经编码后发送到计算机，由计算机进行译码，在计算机上模拟显示出射击位置，对一组结果进行统计（包括环数和方向偏移），并进行储存。
3.5 其他说明
系统分为硬件部分和软件部分。本论文主要设计制作硬件部分以及与微机的通讯的2051单片机程序。微机软件部分，包括数据的处理和显示等有另外一名毕业设计同学实现。
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4 硬件设计
4.1 信号放大电路
在光电探测系统中，探测器输出的电信号非常微弱，一般为毫伏级。为记录每一次打靶的结果，信号放大与处理电路是打靶系统中不可或缺的。在探测器上直接进行信号处理十分困难，一种常用的解决办法是在探测器后接前置放大器，用来放大探测器的输出信号，然后成功地传输到信号处理系统的有关电路部分。前置放大器的设计要求是低噪声，高增益，低输出阻抗，大的动态范围，和较好的抗噪声能力。
在激光打靶系统中，对光电池产生的脉冲信号的具体大小值要求不高，只需检测出有效的脉冲信号，因此可选用集成运放来组成运算放大电路。
通过测试，得到光电探测器对的激光脉冲的响应幅度典型值约为5mv，若激光击中在两块或多块探测器边界处，则任何一块光电探测器的响应幅度会减少，因此所检测的脉冲幅度范围大约是3～5mv。为使每块光电探测器均能检测出信号，使之达到TTL电平要求，实现信号检测，必须对信号放大约1000倍。单级运放难以达到这么高的放大倍数，因此采用二级运放进行放大，第一级为前置放大器。为减少前级放大器的偏移对后级放大器的影响，设计其放大倍数A1?100；从而次级放大器的放大倍数A2?10。 4.1.1 集成运算放大器（LM324）
集成运算放大器是实现高增益放大功能的一种集成器件[9]，早期主要用来实现对模拟量进行数学运算的功能，目前随着器件性能的改进，它已成为通用的增益器件，应用范围非常广泛。
从电特性来看，集成运放接近理想的电压放大器件，它不仅有很大的输入电阻和很小的输出电阻，而且还有很高的电压增益，此外，静态工作时，它的输入和输出电位均为零，这样，在与其它集成运放连接时，就不需要考虑它们之间的电平配置问题。
LM324 是四通道的低功耗运算放大器，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立，其性能参数有以下几个方面：
（1）单电源工作方式，工作电平3V～ 30V （2）低消耗电流：约0.8 mA
（3）低输入偏移：输入电压偏移：3 mv（Typ）；输入电流偏移：2 nA（Typ） （4）开环增益：100V/mv ＝ 100 dB（Typ） （5）宽响应频带
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图4-1 LM324内部结构
4.1.2 放大电路图
图4-2 运算放大器电路图
放大器电路如图4-2所示。它由两级结构相同的同相放大器组成，集成放大器选用LM324（图4-1）。信号经隔直流电容C1从第一级放大器的正端“＋”输入，经过放大后输出，再经过级间耦合电容C2输入第二级放大器的正端。前级的放大倍数A1?R2R1?100，后级的放大倍数A2?R6R5?10，R3和R7为输入匹配电阻。
4.1.3 电路原理
（1）同相放大器[10]（图4-3）
集成运放是一种十分理想的增益器件，性能好，使用方便。该电路采用2级放大器级联，每级的放大器均采用同相放大。
由集成运放构成的同相放大器，其特点是输入信号加在同相输入端，而反馈信号加在反相端。根据理想化条件，由于v??vs，因而v??vs。根据i?0（虚断），
v?又是v0在R1上的分压值，即:
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