多色激光筆系統(tǒng)設(shè)計

丁銳銳，儲晗，丁佳欣，周安麒，董琦

（安徽三聯(lián)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，安徽合肥，230601）

0 引言

有一種無線數(shù)據(jù)上網(wǎng)卡的無線翻頁激光筆，它的結(jié)構(gòu)包括無線傳輸終端、無線接收終端、串行總線接口控制器、通用串行總線中心、無線數(shù)據(jù)上網(wǎng)卡；無線數(shù)據(jù)上網(wǎng)卡，用于解碼和理解電腦的控制信息[1]；用于從與原生電腦相連的應(yīng)用中接受查詢，并將此枚舉查詢響應(yīng)傳送至本機電腦；連接本地計算機和無線網(wǎng)絡(luò)。

如今多媒體已被廣泛地運用于課堂教學(xué)，多媒體的核心是計算機技術(shù)，其特點是圖文并茂、聲并茂，也能觀看錄像等功能，能激發(fā)學(xué)生情感，集中學(xué)生注意力，它在發(fā)展學(xué)生創(chuàng)造思維方面起著舉足輕重的作用[2]。多媒體還有大信息量，大容量的特點，能夠節(jié)省空間，節(jié)省時間，提升教學(xué)效率。在多媒體教學(xué)中，經(jīng)常使用激光筆進行指導(dǎo)，并且可以用激光筆遠(yuǎn)程控制翻轉(zhuǎn)的 PPT[3]。

當(dāng)前，激光筆主要存在以下幾個問題。激光筆呈屏，為連續(xù)的亮點，指示效果較差，不容易讓學(xué)生產(chǎn)生興趣；在所引導(dǎo)的背景顏色和激光筆所發(fā)色光一致或者接近的情況下，便難以在背景上分辨激光點，特別對于色盲、色弱的人來說，難度更大。

1 激光是什么

玻爾的原子理論研究發(fā)現(xiàn)，原子內(nèi)部的電子有著自己獨特的軌道的，而電子處于不同的軌道上，就代表著原子的能量形態(tài)也是不同的。1917 年愛因斯坦的設(shè)想，在高能量狀態(tài)下，粒子或許還喜歡凝視過往光子，有心儀已久的光子經(jīng)過時，高能粒子并沒有挽留住它們，卻釋放出能量追隨而去，如同愛。最初粒子失去能量，由高能到低能的轉(zhuǎn)變，而且改變后的能量將產(chǎn)生和路過光子相同的光子，這個過程被稱為受激輻射。

激光生成的3 個條件為：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到閾值條件及諧振條件。

產(chǎn)生光線受激發(fā)射首要的條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在半導(dǎo)體中，它是從價帶中抽出一個電子到一個導(dǎo)帶。為了獲得反向離子，通常采用 P 和 N 兩種材料構(gòu)成 PN 結(jié)，通過施加電壓在結(jié)區(qū)附近產(chǎn)生離子數(shù)倒置─高費米能級 EFC 下的導(dǎo)帶中存儲電子[4]，而在低費米 EFV 或更高價帶中存儲空穴。為了產(chǎn)生激光，需要但不足夠。同時，由于激發(fā)材料所發(fā)出的激發(fā)光線在兩面鏡子之間來回反射，并在一定程度上產(chǎn)生新的激發(fā)射線，從而使其繼續(xù)擴大。在滿足一定的激發(fā)條件和共振情況下，可以產(chǎn)生光振蕩，并能產(chǎn)生穩(wěn)定的激光。

圖1 受激輻射圖

2 激光的應(yīng)用

■2.1 激光雕刻等

激光雕刻是指利用激光技術(shù)把字雕刻到物品上的一種工藝，廠家利用激光技術(shù)把LOGO 雕刻到材質(zhì)，紀(jì)念品中，比如打火機，筷子，可樂，電動牙刷，剃須刀均可雕刻。該工藝刻印出的文字無刻痕、器物表面仍平整、經(jīng)無數(shù)次擦拭和長年使用后，文字也不被磨破。

■2.2 激光掃描

激光切割技術(shù)已成為我國頂級切割技術(shù)，比傳統(tǒng)切割技術(shù)要出色得多，激光切割機被應(yīng)用于工藝品，服裝和家具工業(yè)中，利用光纖激光切割機進行服裝，家具等的切割已不再是一個棘手的問題，并且與傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式相比，其效率和成本都較高。

■2.3 激光加工

激光加工技術(shù)是一種利用激光與材料之間的交互作用來切割、表面處理、穿孔、發(fā)光、識別等技術(shù)。能對具有高熔點、高硬度的物料進行加工；它還能處理零件中的復(fù)雜彎曲和精密部件，并能在磁場中進行處理。

3 多色激光筆技術(shù)分析

■3.1 多色激光筆簡介

這里提供了一種多色激光筆，為了實現(xiàn)PPT 翻頁功能，它由激光發(fā)射裝置與激光接收裝置組成，所述激光發(fā)射裝置包括若干激光點，激光發(fā)射裝置輸出一光脈沖信號經(jīng)過發(fā)射器的放大和整形，經(jīng)過光導(dǎo)纖維射向接收裝置，把收到的光脈沖信號放大，然后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換過程生成電信號，經(jīng)過光接收器處理輸出。包括發(fā)射器和接收頭兩部分，特點是：在所述發(fā)射器和接收頭結(jié)構(gòu)下，所述發(fā)射器包括發(fā)光二極管，光導(dǎo)纖維，光電轉(zhuǎn)換器件以及光源；發(fā)射端上可以配置若干LED 或者LCD 燈，發(fā)送到接收端上。

■3.2 多色激光筆的技術(shù)優(yōu)點

(1)可以上下翻頁

這種激光筆能夠?qū)⒂脩魪碾娔X旁完全解放，用戶無需時刻守護在電腦旁，用戶進行教學(xué)演示文稿及報告演講時，只要用手輕按一下，激光點便可映射到要突出重點演講內(nèi)容的畫面；不再需要每一次對重點內(nèi)容解釋都要和觀眾“指手畫腳”，也不需要走向投影屏幕才能和他們“親密接觸”的艱辛；同時，使用者只要點擊相應(yīng)的功能按鍵，就可以將電子文檔翻轉(zhuǎn)到使用者要發(fā)表的頁面，從上到下，360°無死角瀏覽；無論是在教室里、演講廳的任何一個角落，抑或是在會議室的最后方與聽眾進行現(xiàn)場交流，只要用無線激光筆在屏幕上一劃，便可將所要的影像呈現(xiàn)在屏幕上；再也不用永久性地坐在講臺上操作電腦了，而免去了到講臺上走回頭路換網(wǎng)頁的麻煩。

(2)可以隨時更換激光筆的顏色

多色激光筆具有3 種色彩，通過設(shè)置按鍵可對激光筆所發(fā)射出的光進行調(diào)整，從而實現(xiàn)用戶所需要的功能。對于色盲或色弱的人來說也是非常友好的，還能避免PPT 的背景顏色或字體碰撞激光顏色。

①紅色是最簡單的一種激光，因為二極管中有一只由一塊電池提供能量的二極管。

②綠色屬于固體激光。為了減少制冷問題，為了延長電池的使用壽命，采用了脈沖或半連續(xù)的方式。在不使用倍頻的情況下，效率更高。這款激光筆通常是天文愛好者用來指點星星和星座的。綠色激光筆可以提供多種不同的輸出功率。

③藍(lán)光最常見的波長為473 nm，在 KTP 晶體中，高輸出功率 ВВO 晶體可以被視為低倍頻率。ВВO 晶體還應(yīng)用于脈沖而非在連續(xù)激光中。藍(lán)色激光聚焦特性很好。藍(lán)色激光在空中聚焦得很遠(yuǎn)，使激光能量不能擴散。我們能通過簡單的裝置把藍(lán)色激光束射向您需要的位置。

(3)具有電池電量監(jiān)控功能

在激光筆的前方有一個二極管，當(dāng)電量不足的時候閃爍紅燈，提醒使用者應(yīng)該更換電池或者充電了，無限循環(huán)利用，同時也達(dá)到了環(huán)保的效果。

(4)具有定時功能

在使用之前可以設(shè)置時間，到時間之后它會發(fā)出蜂鳴聲，相當(dāng)于一個小型鬧鐘，不用總是盯著時鐘看。

4 多色激光筆的原理研究

多色激光筆是一種利用無線技術(shù)和計算機 USВ 技術(shù)來實現(xiàn)對計算機進行翻頁操作的一種工具，它的功能類似于計算機的遠(yuǎn)程控制。激光筆通常配有一個發(fā)射機，一個接收機。該接收機類似于U 盤，通過 USВ 接口，電腦會自動安裝相應(yīng)的驅(qū)動器。這時按下發(fā)射器的鍵就可以實現(xiàn)對電腦的無線控制。其中激光發(fā)射裝置輸出一光脈沖信號經(jīng)過發(fā)射器的放大和整形，經(jīng)過光導(dǎo)纖維射向接收裝置，把收到的光脈沖信號放大，然后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換過程生成電信號，經(jīng)過光接收器處理輸出。

5 多色激光筆系統(tǒng)設(shè)計

■5.1 主要實現(xiàn)的功能

(1)實現(xiàn)PPT 翻頁；

(2)實現(xiàn)激光顏色的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的激光；

(3)實現(xiàn)鬧鐘定時功能。

■5.2 多色激光筆系統(tǒng)設(shè)計方案

多色激光筆整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖2 所示。

圖2 多色激光筆整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖3 鬧鐘板塊的系統(tǒng)框圖

圖4 AT89C51 功能結(jié)構(gòu)圖

■5.3 多色激光筆系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

5.3.1 鬧鐘板塊系統(tǒng)設(shè)計

①鬧鐘板塊包括時間顯示電路、按鍵電路、發(fā)光二極管、蜂鳴器以及AT89C51 單片機芯片。

② 按鍵功能說明：設(shè)置時間的加減。

③實現(xiàn)的功能：使用LCD 液晶顯示器來顯示時間。正常初始化顯示“00：00：00”，有兩個按鍵可以進行時間調(diào)整和定時。按鍵1 增加時間，按鍵2 減少時間，到達(dá)想要的時間后，停止5s，定時，計時器開始計時，一旦時間到則發(fā)光二極管開始亮，蜂鳴器發(fā)出聲音，5s 之后發(fā)光二極管熄滅，蜂鳴器停止發(fā)出聲音，任意按按鍵1 或者按鍵2時間復(fù)位。最終達(dá)到定時的目的。

AT89C51 單片機簡介：AT89C51 單片機把作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個體積不大的集成電路芯片上面。按照功能劃分，由微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM）、并行I/O口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。采用特殊功能寄存器的集中控制方式，并結(jié)合定時/計數(shù)等技術(shù)，可以方便設(shè)計各種實用電路。這種電路設(shè)計方法具有通用性強、體積小等優(yōu)點。

■5.3.2 翻頁、切換顏色模系統(tǒng)設(shè)計

(1)功能描述

翻頁功能：接收器與U 盤相似，插入計算機USВ 口后，計算機自動裝設(shè)對應(yīng)驅(qū)動。這時按下發(fā)射器的鍵就可以實現(xiàn)對電腦的無線控制。其中激光發(fā)射裝置輸出一光脈沖信號經(jīng)過發(fā)射器的放大和整形，經(jīng)過光導(dǎo)纖維射向接收裝置，然后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換過程生成電信號，將接收到的信號轉(zhuǎn)換后傳送至PC 端。實現(xiàn)PPT 等軟件的翻頁功能。

顏色切換功能：整體由發(fā)射模塊和接收模塊兩部分組成，首先將電源鍵打開，選擇好功能按鍵之后，生成一個電信號，經(jīng)過編碼解碼，光電轉(zhuǎn)換后，激光發(fā)射裝置輸出光脈沖信號經(jīng)過發(fā)射器的放大和整形，經(jīng)過光導(dǎo)纖維射向接收裝置，把收到的光脈沖信號放大，發(fā)出一條激光直線，射向目的地。實現(xiàn)多色激光筆的顏色切換功能。

(2)功能按鍵

按鍵1：增加時間；按鍵2：減少時間；按鍵3：PPT 左翻頁；按鍵4：PPT 右翻頁；按鍵5：電源開關(guān)；按鍵6：紅色激光；按鍵7：綠色激光；按鍵8：藍(lán)色激光。

6 創(chuàng)新之處

①多色激光筆將無線技術(shù)與計算機USВ 技術(shù)相結(jié)合，控制計算機實現(xiàn)翻頁、功能豐富、充分滿足了用戶對于演示文稿、演講等內(nèi)容的要求。

②多色激光筆提供多種顏色并且可以自由切換顏色。

圖5 翻頁、切換顏色功能模塊結(jié)構(gòu)圖

③對色盲或者色弱者也很友好，還能避免PPT 的背景顏色或字體碰撞激光顏色。

7 結(jié)論

本課題所設(shè)計的激光筆具有三種顏色，區(qū)別于普通激光筆的特點是具有各種色彩，可根據(jù)不同需求、不同場合進行顏色選擇。生活中激光的應(yīng)用范圍很廣，但許多應(yīng)用都是大處著眼，在原有基礎(chǔ)上對其進行改良，極大地提升激光筆作用，為不同人群帶來便利。此多色激光筆能夠?qū)崿F(xiàn)激光開關(guān)，PPT 翻頁等多種顏色的相互切換，會使操作更加方便。在展示中最大程度利用肢體語言優(yōu)勢使教學(xué)得以進行；也可作為檢查工地建筑物最好的指示器，是登山者和山區(qū)居民進行山區(qū)指引的工具。