多色激光筆系統設計

丁銳銳，儲晗，丁佳欣，周安麒，董琦

（安徽三聯學院 電子電氣工程學院，安徽合肥，230601）

0 引言

有一種無線數據上網卡的無線翻頁激光筆，它的結構包括無線傳輸終端、無線接收終端、串行總線接口控制器、通用串行總線中心、無線數據上網卡；無線數據上網卡，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用中接受查詢，并將此枚舉查詢響應傳送至本機電腦；連接本地計算機和無線網絡。

如今多媒體已被廣泛地運用于課堂教學，多媒體的核心是計算機技術，其特點是圖文并茂、聲并茂，也能觀看錄像等功能，能激發學生情感，集中學生注意力，它在發展學生創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，能夠節省空間，節省時間，提升教學效率。在多媒體教學中，經常使用激光筆進行指導，并且可以用激光筆遠程控制翻轉的 PPT[3]。

當前，激光筆主要存在以下幾個問題。激光筆呈屏，為連續的亮點，指示效果較差，不容易讓學生產生興趣；在所引導的背景顏色和激光筆所發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現，原子內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也是不同的。1917 年愛因斯坦的設想，在高能量狀態下，粒子或許還喜歡凝視過往光子，有心儀已久的光子經過時，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，由高能到低能的轉變，而且改變后的能量將產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：粒子數反轉達到閾值條件及諧振條件。

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

圖1 受激輻射圖

2 激光的應用

■2.1 激光雕刻等

激光雕刻是指利用激光技術把字雕刻到物品上的一種工藝，廠家利用激光技術把LOGO 雕刻到材質，紀念品中，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、經無數次擦拭和長年使用后，文字也不被磨破。

■2.2 激光掃描

激光切割技術已成為我國頂級切割技術，比傳統切割技術要出色得多，激光切割機被應用于工藝品，服裝和家具工業中，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，并且與傳統的生產方式相比，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、發光、識別等技術。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PPT 翻頁功能，它由激光發射裝置與激光接收裝置組成，所述激光發射裝置包括若干激光點，激光發射裝置輸出一光脈沖信號經過發射器的放大和整形，經過光導纖維射向接收裝置，把收到的光脈沖信號放大，然后經過光電轉換過程生成電信號，經過光接收器處理輸出。包括發射器和接收頭兩部分，特點是：在所述發射器和接收頭結構下，所述發射器包括發光二極管，光導纖維，光電轉換器件以及光源；發射端上可以配置若干LED 或者LCD 燈，發送到接收端上。

■3.2 多色激光筆的技術優點

(1)可以上下翻頁

這種激光筆能夠將用戶從電腦旁完全解放，用戶無需時刻守護在電腦旁，用戶進行教學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容的畫面；不再需要每一次對重點內容解釋都要和觀眾“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的功能按鍵，就可以將電子文檔翻轉到使用者要發表的頁面，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，通過設置按鍵可對激光筆所發射出的光進行調整，從而實現用戶所需要的功能。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 晶體還應用于脈沖而非在連續激光中。藍色激光聚焦特性很好。藍色激光在空中聚焦得很遠，使激光能量不能擴散。我們能通過簡單的裝置把藍色激光束射向您需要的位置。

(3)具有電池電量監控功能

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

(4)具有定時功能

在使用之前可以設置時間，到時間之后它會發出蜂鳴聲，相當于一個小型鬧鐘，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和計算機 USВ 技術來實現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程控制。激光筆通常配有一個發射機，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的驅動器。這時按下發射器的鍵就可以實現對電腦的無線控制。其中激光發射裝置輸出一光脈沖信號經過發射器的放大和整形，經過光導纖維射向接收裝置，把收到的光脈沖信號放大，然后經過光電轉換過程生成電信號，經過光接收器處理輸出。

5 多色激光筆系統設計

■5.1 主要實現的功能

(1)實現PPT 翻頁；

(2)實現激光顏色的轉換，產生穩定可靠的激光；

(3)實現鬧鐘定時功能。

■5.2 多色激光筆系統設計方案

多色激光筆整體系統結構設計圖如圖2 所示。

圖2 多色激光筆整體系統結構設計圖

圖3 鬧鐘板塊的系統框圖

圖4 AT89C51 功能結構圖

■5.3 多色激光筆系統的結構

5.3.1 鬧鐘板塊系統設計

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

② 按鍵功能說明：設置時間的加減。

③實現的功能：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整和定時。按鍵1 增加時間，按鍵2 減少時間，到達想要的時間后，停止5s，定時，計時器開始計時，一旦時間到則發光二極管開始亮，蜂鳴器發出聲音，5s 之后發光二極管熄滅，蜂鳴器停止發出聲音，任意按按鍵1 或者按鍵2時間復位。最終達到定時的目的。

AT89C51 單片機簡介：AT89C51 單片機把作為控制應用所必需的基本內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）、數據存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM）、并行I/O口、串行口、定時器/計數器、中斷系統及特殊功能寄存器。采用特殊功能寄存器的集中控制方式，并結合定時/計數等技術，可以方便設計各種實用電路。這種電路設計方法具有通用性強、體積小等優點。

■5.3.2 翻頁、切換顏色模系統設計

(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，計算機自動裝設對應驅動。這時按下發射器的鍵就可以實現對電腦的無線控制。其中激光發射裝置輸出一光脈沖信號經過發射器的放大和整形，經過光導纖維射向接收裝置，然后經過光電轉換過程生成電信號，將接收到的信號轉換后傳送至PC 端。實現PPT 等軟件的翻頁功能。

顏色切換功能：整體由發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，經過編碼解碼，光電轉換后，激光發射裝置輸出光脈沖信號經過發射器的放大和整形，經過光導纖維射向接收裝置，把收到的光脈沖信號放大，發出一條激光直線，射向目的地。實現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；按鍵6：紅色激光；按鍵7：綠色激光；按鍵8：藍色激光。

6 創新之處

①多色激光筆將無線技術與計算機USВ 技術相結合，控制計算機實現翻頁、功能豐富、充分滿足了用戶對于演示文稿、演講等內容的要求。

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構圖

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 結論

本課題所設計的激光筆具有三種顏色，區別于普通激光筆的特點是具有各種色彩，可根據不同需求、不同場合進行顏色選擇。生活中激光的應用范圍很廣，但許多應用都是大處著眼，在原有基礎上對其進行改良，極大地提升激光筆作用，為不同人群帶來便利。此多色激光筆能夠實現激光開關，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勢使教學得以進行；也可作為檢查工地建筑物最好的指示器，是登山者和山區居民進行山區指引的工具。