一、题目：光电高速物体速度测试系统
二、工作原理分析 ：
对于高速飞行物体速度的测试，有许多方法，如网靶使用范围广，但测试精度差，成本高，测试效率较低；线圈靶使用方便，但受外界影响较大，尤其易受电磁干扰。为了有效提高测速系统的使用范围和灵活性，降低成本，根据高速运动物体测试场合，测试特点等方面的要求，现以弹丸为例，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。 定距测时法又称区截测速法，它是弹丸在通过间距为L精确已知的两点时，产生两个电信号，并利用它们去控制测时仪器，测出物体通过这段距离所需时间Δt，然后根据公式v=L/Δt计算出物体通过这段距离的平均速度。因此，可以基于光幕测速和单片机数据处理的高速运动物体速度测试系统。采用半导体激光器、光电探测器、原向反射屏形成大面积光幕测试区， 当高速运动物体穿越光幕时，光通量的变化被光电探测器转变为电信号，经过比较电路后送入单片机进行数据处理，并由LED进行速度显示。
三、技术指标：
（1） 测速范围：
（假山模型2）物体尺寸：
（3）有效区域：
（4）电源： 或±5V/±12V电池组
四.系统原理图
如下图一；
五、系统结构及原理概述
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激光光幕测速是通过测试弹丸穿过两光幕问的时间间隔△t及两光幕间的距离L，由v=L／Δt出获得其平均速度，系统原理图如图l所示。由启动光幕和停止光幕组成区截，当弹丸飞过各光幕时，分别阻挡部分光线，光电探测器将相应的光信号转换成电信号，经过信号处理后，送入单片机进行数据处理，最后将精确计算得到的速度值显示在LED上。运动物体速度测试系统主要由光学设计单元、信号处理单元及数据采集、显示单元组成，系统框图如图2
图二 系统框图
六 光学系统设计
光学设计单元主要完成光幕的建立和运动物体通过光幕时光信号的采集，如图滤波插座3。激光经透镜扩束后穿过激光出射孔形成扇形光幕，光幕人射原向反射屏，并将有剩余发散角的反射光线反射到光敏面上，当弹丸通过光幕时，光电探测器探测的光通量发生变化，并将这种变化转换成弹丸通过光幕的信号。
七、信号处理单元
信号处理单元包括光电信号转换放大电路和比较器电路组成。光电信号转换放大电路是将高速运动物体通过光幕时产生的光信号转换成电信号，并将电信号放大，根据后一级电路的需要选择合适的电信号的放大倍数。光电信号转换放大
电路如图4所示
由于使用单片机作为数据采集单元的核心，因此经过放大处理后的信号需送入比较器电路，将放大的模拟信号转换成数字信号，但由于信号上叠加有噪声，若选用单一的阈值比较器电路，将会在阈值附近产生反转，从而产生误触发。为了有效抑制噪声的影响，比较
器电路选用LM311、R和RES组成滞回比较器，比较电路如图5所示，(a)、(b)分别表示启动电路和停止电路[5]。由启动电路和停止电路输出的方波信号分别输入单片机的外部中断端INT0和INTl，来控制计数器开始计数和停止计数。
图5比较器电路
八、测试系统的软件流程图
如图7所示，程序开始时，定义LED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1，当弹丸穿过停止光幕时，关闭计数器1，此时可得到通过两光幕的时间出，然后对数据进行处理，并将得到的速度值送到LED进行显示。
r22压焓图九、硬件设计
数据采集、显示单元由AT89C51单片机、LED动态显示电路及驱动电路组成，其框图如图6所示。在设计通信软件之前，需对单片机和PC机进行硬件约定，约定每秒传送代码的位数即波特率为9600，串行通信信息格式为1个起始位，8个数据位，无数据校验位，1个停止位。采用AT89C51单片机来实现对弹丸过靶信号的采集和处理。
弹丸通过两个激光光幕时光电探测器接收的光通量会产生变化，经过光电信号转换放大电路和比较电路（将模拟信号转换成方波信号）输出两路方波信号，最后输入到单片机的外部中断引脚(INT0、INTl)上，当弹丸经过起始光幕时，第一个中断信号输入，并启动计数图6数据采集、显示单元框图器开始计时，当弹丸通过截止光幕时，第二个中断信号输人，计数器停止计时，单片机通过计数器计算出两次中断信号输入的间隔时间，就可得到弹丸通过两光幕区的时间，根据已知两光幕之间的距离，即可计算出弹丸经过两光幕中心的速度，AT89C51单片机通过74HC373驱动LED动态显示电路将测试结果显示出。
十数据处理:
一般高速光电器件产生信号的延迟时间为3～5μs，但还是会存在由于器件精度引起的两次
延时的微量延迟，取1／10最大延迟时间得出△t1=O．5μs。在弹丸速度与光束的方向垂直时，可近似取长度L，计算弹丸速度，但当弹丸并没有严格垂直于光束而有θ的偏转时，L是与弹丸运动方向相关的量，L'=Lcosθ。假设目标在出口处最大偏差角为1°
则误差△L1=LL'=L(1-cosθ)=1．52×10-4L，若L=O．1 5m，则△L1=2.28×10-5m。
由于光束不是无限细，所以无法确定弹丸进入的时候挡住多少光束时光敏器件会产生信号，假设光束直径(d)为2 mm，弹丸的速度(v)为500 m／s时，最大时间误差△t2=d／v=4μs。
该设计中采用50 MHz的晶振，定时步长为20 ns，由于无法确定计数开始时的时钟状态，所以在计数的开始和结束时均可能产生最大一个时钟周期的计数误差，最大误差为△t3=20×2=40 ns。弹丸的长度L在测量过程中，由于测量工具的限制，得到的弹丸的长度值也不可避免地会存在误差，假设用高精度的游标卡尺测量，测量精度可以达到0消防管道防冻．01 mm，△L2=0．01 mm。通过分析，目标运动距离测量总误差为：
△L=△L1+△L2=0.0228+0.01=0.0328mm △t=△t1+△t2+△t3=4.54us
当L=1000mm新能源电机检测，t=1ms时：v=L/t=1000m/s
根据误差传递公式：（△v/v）*100%=(△L/L+△t/t)*100%=[(△Lt+△tL)/tL]*100%=0.457%
通过以上计算，系统的总体误差为0．457％，因此测试系统的速度偏差小于士l％，达到较高的精度。
十一设计总结
该测试系统电源部分采用±5V/±12V电池组，方便在无固定电源的情况下测量，有效区域：。
测试部分采用了光电设计，增强了测试系统的灵敏度，提高了测试精度，数据采集处理部分采用了AT89C51为核心的处理单元，降低了成本，简化了系统配置，使系统小型化，使用更加方便、灵活。
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