掷实心球距离测试系统的设计与实现

魏 声

（陕西财经职业技术学院,咸阳,712000）

掷实心球距离测试系统的设计与实现

魏 声

（陕西财经职业技术学院,咸阳,712000）

针对当前学校实心球比赛成绩统计中传统的测距方式，同时针对现代社会对高精度、设计简易以及成本低等的要求，采用C8051F020作为主控处理芯片，设计出了手持式的移动测距仪器，以此更好的实现对包括实心球在内的进行测距。

实心球；测距；C8051F020

1 测距仪工作原理

通过激光二极管，对准需要测量的目标，发射激光脉冲，当激光在遇到障碍物之后，其会反射回传感器的接收器上面，并记录出脉冲从发射到接受所花费的时间，即可完成对目标的距离测试。而其测试的距离为光速在空气当中的传播速度乘以传播时间的一半。

而在该课题当中采用相位测距方式。其具体的原理如图1所示。

图1

其基本的原理是对激光束进行调制，并测量调制后和反射激光之间的相位，测出其ΔΦ，再通过调制光的波长，算出其往返的时间，以此算出延迟的距离。

2 测距仪整体架构设计

该系统的主要的参数为：采用半导体的激光器作为光源，PIN光电二极管作为该系统的探测器；同时采用分散的直接测量频率的方式进行测量，而高频的部分则采用低通的滤波器来接收干扰的滤波。本文所采用的测距仪器主要的优点在于电路的设计比较简单、精度高。其具体的系统结构如图1所示。

图2 系统整体架构设计

图中采用C5402作为该系统整体的数据处理，采用AT89S52作为整体系统的控制和显示。在该系统当中所采用的激光发射，是采用激光器和瞄滩光学系统组成，其主要的目的是将所产生的激光脉冲准确的发送给实心球。而该系统的接收则主要包括光电的探测器、信号放大器和滤波器组成，其主要的原理是通过探测器对光束的探测，并通过放大电路，将其信号进行增强，并通过滤波器的过滤，从而过滤掉波中的“杂质”。

通过上述的步骤之后，将信号通过信号调理电路，其目的是将信号通过A/D转换变换成数字信号，再通过DDS芯片对所接收的数字信号进行处理。其具体的测量的步骤如下：

首先是写入DDS的频率和相位控制字，在完成之后，会产生两个频率比较接近、相位一样的正弦波。其中的一路则直接送给发射系统，在经过返回之后，通过探测器和放大电路对信号进行放大，并经过滤波器的处理；而另一路则进入混频，从而生成两路不同的低频信号。当信号在进入到A/D转换器之后，通过FFT运算，完成对其相位差的计算，从而得到所需的距离。

3 系统硬件系统设计

3.1 复位电路设计

复位电路设计的目的，是让增强系统稳定性。在该系统中，我们采用自动复位电路。该结构主要是由计时器和定时器组成。在运行当中，DSP通常因为需要高频率的时钟信号，在运行中很容易导致死机等问题的出现。因此，通过采用一个监控电路的方式，来加强对电源电压、微处理器、电池故障等问题，通过提供一个变化的电平信号，如信号没有变化，则复位电路便可对其进行相应的复位处理。在该系统中采用MAX706电路。

3.2 激光调制与发射

半导体的激光器作为测距信号产生的一个装置，其信号的好坏对未来信号的接收等各个方面都存在一定的影响。因此，我们在对激光器进行选择的时候，则主要包括以下几点：

(1)工作的电压不得低于3V，电流维持在30-70mA。

(2)人的正常的视力对635nm的光感知度很到，以便对其进行目测。

(3)输出的功率大致在5mW左右。

(4)调制的频率在100MHZ左右的激光器。

通过上述的要求，我们可以选择ADX-6305STU激光管，因为该红色激光波长在0.63um-0.65um，频率在4.62*1014Hz到4.76*lO14Hz两者之间。

图3 GaAS半导体激光器电路

调制信号的发生电路从R1、R2对着vc开始，通过电路的分压，为半导体的激光器提供恒定的电流，M则为DDS电路产生的可变调制电压而提供的一个变化的电流。P与Al构成恒流源。同时为保证P的工作区域，采用R4来对其进行分压。

3.3 接收电路设计

接受系统的原理是利用光电探测器，对反射回来的激光脉冲进行探测，并通过光电二极管将相应的光电流转变为与测距的光波相同频率的电压信号。而在这其中，光波在进行发射和反射的过程中，其会出现一定的耗损或者是干扰。如果直接对该信号进行探测的话，则可能出现信号削弱等若干问题，因此，必须预先对信号进行放大和滤波的处理。在该系统当中，我们则采用APD，该二极管最大的优势在于其既有光电探测接收的功能，同时也具备混频的功能，因此，增强了该二极管的实用性。

APD其具有内部的增益，可将其中的光信号很好的转变为电信号。当其中的APD中的反向的偏压在达到一定的数值之后，并使得结区的电场在达到足够高的时候，内部将产生数倍的载流子，从而使得光电流增加。

同时我们借助APD从电流转换成电压的时候具有非线性的属性，因此，我们直接将本振的信号通过电注的方式将其直接给加在APD的高压上面，并通过调节器电压的方式和混频来实现稳定的电压信号。

3.4 主控设计

在该系统当中，采用VC5402+ AT89S52作为主控的芯片，其目的是将VC5402作为数据运算处理模块，而AT89S52主要是用于对系统的控制。因此，其必须具备以下的功能：

首先在接到键盘的指令之后，可进行相关的主控功能的操作，并协调其他模块的功能；其次当在输出数据与控制信号给相应的电源电路的时候，可分别控制其他的模块的供电，并保证各功能的电压的稳定；而在非测量的时候，对相关的功能进行断电；主控将相关的控制和信号输出的时候，给液晶显示的驱动电路，从而可显出不同的信息；给信号的模块发送控制和数据的信号；执行其他的操作；通过JTAG，实现对系统的实时仿真控制，并对其进行编程。

3.5 软件流程设置

该系统的软件流程则为对DSP进行初始化，同时对DDS当中的芯片进行参数的设置，按下测量键，由此进入相应的测量程序，在接收到数据之后现实在LED显示器上。

4 结束语

通过对实心球的距离测试，其测试的距离可精确到毫米。同时该测试仪可被应用到大型的体育比赛，以此更好对运动员的成绩进行统计和分析。

陈京培,徐永梅.基于AT89S52单片机的液晶显示控制电路设计[J].现代电子技术,2008,22:22-25.

Design and implementation of solid ball throw distance measurement system

Wei Sheng
(Shaanxi Vocational and Technical College of Finance and Economics,Xianyang,712000)

In view of the current school statistics solid ball game scores ranging traditional way,but for the modern society with high precision,design simplicity and low cost requirements,the use C8051F020 as the main processing chip,designed a handheld mobile measurement from the instrument,in order to achieve better including solid ball,including the conduct ranging.

solid ball;ranging;C8051F020