多色激光笔系统设计

丁锐锐，储晗，丁佳欣，周安麒，董琦

（安徽三联学院 电子电气工程学院，安徽合肥，230601）

0 引言

有一种无线数据上网卡的无线翻页激光笔，它的结构包括无线传输终端、无线接收终端、串行总线接口控制器、通用串行总线中心、无线数据上网卡；无线数据上网卡，用于解码和理解电脑的控制信息[1]；用于从与原生电脑相连的应用中接受查询，并将此枚举查询响应传送至本机电脑；连接本地计算机和无线网络。

如今多媒体已被广泛地运用于课堂教学，多媒体的核心是计算机技术，其特点是图文并茂、声并茂，也能观看录像等功能，能激发学生情感，集中学生注意力，它在发展学生创造思维方面起着举足轻重的作用[2]。多媒体还有大信息量，大容量的特点，能够节省空间，节省时间，提升教学效率。在多媒体教学中，经常使用激光笔进行指导，并且可以用激光笔远程控制翻转的 PPT[3]。

当前，激光笔主要存在以下几个问题。激光笔呈屏，为连续的亮点，指示效果较差，不容易让学生产生兴趣；在所引导的背景颜色和激光笔所发色光一致或者接近的情况下，便难以在背景上分辨激光点，特别对于色盲、色弱的人来说，难度更大。

1 激光是什么

玻尔的原子理论研究发现，原子内部的电子有着自己独特的轨道的，而电子处于不同的轨道上，就代表着原子的能量形态也是不同的。1917 年爱因斯坦的设想，在高能量状态下，粒子或许还喜欢凝视过往光子，有心仪已久的光子经过时，高能粒子并没有挽留住它们，却释放出能量追随而去，如同爱。最初粒子失去能量，由高能到低能的转变，而且改变后的能量将产生和路过光子相同的光子，这个过程被称为受激辐射。

激光生成的3 个条件为：粒子数反转达到阈值条件及谐振条件。

产生光线受激发射首要的条件是粒子数反转。在半导体中，它是从价带中抽出一个电子到一个导带。为了获得反向离子，通常采用 P 和 N 两种材料构成 PN 结，通过施加电压在结区附近产生离子数倒置─高费米能级 EFC 下的导带中存储电子[4]，而在低费米 EFV 或更高价带中存储空穴。为了产生激光，需要但不足够。同时，由于激发材料所发出的激发光线在两面镜子之间来回反射，并在一定程度上产生新的激发射线，从而使其继续扩大。在满足一定的激发条件和共振情况下，可以产生光振荡，并能产生稳定的激光。

图1 受激辐射图

2 激光的应用

■2.1 激光雕刻等

激光雕刻是指利用激光技术把字雕刻到物品上的一种工艺，厂家利用激光技术把LOGO 雕刻到材质，纪念品中，比如打火机，筷子，可乐，电动牙刷，剃须刀均可雕刻。该工艺刻印出的文字无刻痕、器物表面仍平整、经无数次擦拭和长年使用后，文字也不被磨破。

■2.2 激光扫描

激光切割技术已成为我国顶级切割技术，比传统切割技术要出色得多，激光切割机被应用于工艺品，服装和家具工业中，利用光纤激光切割机进行服装，家具等的切割已不再是一个棘手的问题，并且与传统的生产方式相比，其效率和成本都较高。

■2.3 激光加工

激光加工技术是一种利用激光与材料之间的交互作用来切割、表面处理、穿孔、发光、识别等技术。能对具有高熔点、高硬度的物料进行加工；它还能处理零件中的复杂弯曲和精密部件，并能在磁场中进行处理。

3 多色激光笔技术分析

■3.1 多色激光笔简介

这里提供了一种多色激光笔，为了实现PPT 翻页功能，它由激光发射装置与激光接收装置组成，所述激光发射装置包括若干激光点，激光发射装置输出一光脉冲信号经过发射器的放大和整形，经过光导纤维射向接收装置，把收到的光脉冲信号放大，然后经过光电转换过程生成电信号，经过光接收器处理输出。包括发射器和接收头两部分，特点是：在所述发射器和接收头结构下，所述发射器包括发光二极管，光导纤维，光电转换器件以及光源；发射端上可以配置若干LED 或者LCD 灯，发送到接收端上。

■3.2 多色激光笔的技术优点

(1)可以上下翻页

这种激光笔能够将用户从电脑旁完全解放，用户无需时刻守护在电脑旁，用户进行教学演示文稿及报告演讲时，只要用手轻按一下，激光点便可映射到要突出重点演讲内容的画面；不再需要每一次对重点内容解释都要和观众“指手画脚”，也不需要走向投影屏幕才能和他们“亲密接触”的艰辛；同时，使用者只要点击相应的功能按键，就可以将电子文档翻转到使用者要发表的页面，从上到下，360°无死角浏览；无论是在教室里、演讲厅的任何一个角落，抑或是在会议室的最后方与听众进行现场交流，只要用无线激光笔在屏幕上一划，便可将所要的影像呈现在屏幕上；再也不用永久性地坐在讲台上操作电脑了，而免去了到讲台上走回头路换网页的麻烦。

(2)可以随时更换激光笔的颜色

多色激光笔具有3 种色彩，通过设置按键可对激光笔所发射出的光进行调整，从而实现用户所需要的功能。对于色盲或色弱的人来说也是非常友好的，还能避免PPT 的背景颜色或字体碰撞激光颜色。

①红色是最简单的一种激光，因为二极管中有一只由一块电池提供能量的二极管。

②绿色属于固体激光。为了减少制冷问题，为了延长电池的使用寿命，采用了脉冲或半连续的方式。在不使用倍频的情况下，效率更高。这款激光笔通常是天文爱好者用来指点星星和星座的。绿色激光笔可以提供多种不同的输出功率。

③蓝光最常见的波长为473 nm，在 KTP 晶体中，高输出功率 ВВO 晶体可以被视为低倍频率。ВВO 晶体还应用于脉冲而非在连续激光中。蓝色激光聚焦特性很好。蓝色激光在空中聚焦得很远，使激光能量不能扩散。我们能通过简单的装置把蓝色激光束射向您需要的位置。

(3)具有电池电量监控功能

在激光笔的前方有一个二极管，当电量不足的时候闪烁红灯，提醒使用者应该更换电池或者充电了，无限循环利用，同时也达到了环保的效果。

(4)具有定时功能

在使用之前可以设置时间，到时间之后它会发出蜂鸣声，相当于一个小型闹钟，不用总是盯着时钟看。

4 多色激光笔的原理研究

多色激光笔是一种利用无线技术和计算机 USВ 技术来实现对计算机进行翻页操作的一种工具，它的功能类似于计算机的远程控制。激光笔通常配有一个发射机，一个接收机。该接收机类似于U 盘，通过 USВ 接口，电脑会自动安装相应的驱动器。这时按下发射器的键就可以实现对电脑的无线控制。其中激光发射装置输出一光脉冲信号经过发射器的放大和整形，经过光导纤维射向接收装置，把收到的光脉冲信号放大，然后经过光电转换过程生成电信号，经过光接收器处理输出。

5 多色激光笔系统设计

■5.1 主要实现的功能

(1)实现PPT 翻页；

(2)实现激光颜色的转换，产生稳定可靠的激光；

(3)实现闹钟定时功能。

■5.2 多色激光笔系统设计方案

多色激光笔整体系统结构设计图如图2 所示。

图2 多色激光笔整体系统结构设计图

图3 闹钟板块的系统框图

图4 AT89C51 功能结构图

■5.3 多色激光笔系统的结构

5.3.1 闹钟板块系统设计

①闹钟板块包括时间显示电路、按键电路、发光二极管、蜂鸣器以及AT89C51 单片机芯片。

② 按键功能说明：设置时间的加减。

③实现的功能：使用LCD 液晶显示器来显示时间。正常初始化显示“00：00：00”，有两个按键可以进行时间调整和定时。按键1 增加时间，按键2 减少时间，到达想要的时间后，停止5s，定时，计时器开始计时，一旦时间到则发光二极管开始亮，蜂鸣器发出声音，5s 之后发光二极管熄灭，蜂鸣器停止发出声音，任意按按键1 或者按键2时间复位。最终达到定时的目的。

AT89C51 单片机简介：AT89C51 单片机把作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个体积不大的集成电路芯片上面。按照功能划分，由微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。采用特殊功能寄存器的集中控制方式，并结合定时/计数等技术，可以方便设计各种实用电路。这种电路设计方法具有通用性强、体积小等优点。

■5.3.2 翻页、切换颜色模系统设计

(1)功能描述

翻页功能：接收器与U 盘相似，插入计算机USВ 口后，计算机自动装设对应驱动。这时按下发射器的键就可以实现对电脑的无线控制。其中激光发射装置输出一光脉冲信号经过发射器的放大和整形，经过光导纤维射向接收装置，然后经过光电转换过程生成电信号，将接收到的信号转换后传送至PC 端。实现PPT 等软件的翻页功能。

颜色切换功能：整体由发射模块和接收模块两部分组成，首先将电源键打开，选择好功能按键之后，生成一个电信号，经过编码解码，光电转换后，激光发射装置输出光脉冲信号经过发射器的放大和整形，经过光导纤维射向接收装置，把收到的光脉冲信号放大，发出一条激光直线，射向目的地。实现多色激光笔的颜色切换功能。

(2)功能按键

按键1：增加时间；按键2：减少时间；按键3：PPT 左翻页；按键4：PPT 右翻页；按键5：电源开关；按键6：红色激光；按键7：绿色激光；按键8：蓝色激光。

6 创新之处

①多色激光笔将无线技术与计算机USВ 技术相结合，控制计算机实现翻页、功能丰富、充分满足了用户对于演示文稿、演讲等内容的要求。

②多色激光笔提供多种颜色并且可以自由切换颜色。

图5 翻页、切换颜色功能模块结构图

③对色盲或者色弱者也很友好，还能避免PPT 的背景颜色或字体碰撞激光颜色。

7 结论

本课题所设计的激光笔具有三种颜色，区别于普通激光笔的特点是具有各种色彩，可根据不同需求、不同场合进行颜色选择。生活中激光的应用范围很广，但许多应用都是大处着眼，在原有基础上对其进行改良，极大地提升激光笔作用，为不同人群带来便利。此多色激光笔能够实现激光开关，PPT 翻页等多种颜色的相互切换，会使操作更加方便。在展示中最大程度利用肢体语言优势使教学得以进行；也可作为检查工地建筑物最好的指示器，是登山者和山区居民进行山区指引的工具。