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1、 提供全套毕业论文图纸，欢迎咨询 河南科技学院新科学院 2012届本科毕业论文（设 计） 基于激光扫描的智能往返跑控制系统设计 学生姓名： 所在系别： 机电系 所学专业： 电子信息工程 导师姓名： 完成时间： 2012年5月16日 摘
2、 要 智能作为现在的新发明，是以后的发展方向，它可以按照预定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可用于科学勘探等等的用途。智能往返跑控制系统，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助等功能于一体的综合系统。本设计针对当前的体育训练、比赛中进行往返跑考核中存在的教练或者裁判人员观测误差大、误判、劳动强度大和效率低等现状，系统设计以ATMEL89S52系列单片机为核心控制器,采用激光精确扫描运动员的踏线信息，采用无线传输模块进行起点和和折返点之间的实时无线通信，实现了对往返跑训练考核过程的精确检测和智能控制，减轻了工作人员的劳动强度，提高了工作质量和效率。本设计结构简单，但具有高度的智
3、能化、人性化，一定程度体现了智能。 关键词：单片机，无线发射，数码管，74HC573，往返跑 Based on laser scanning intelligent coming-and-going run control system design Abstract Intelligence as the new invention now, is the development
4、direction of the future, it can be scheduled according to the pattern in a environment of the automatic operation, without the need of human management, can be used for scientific exploration and so on purpose. Intelligent coming-and-going run control system, is a set of environmental perception, pl
5、anning decision and different functions such as auxiliary in an integrated system. This design in view of the current sports training, contest in assessment of existing in the running back and forth coach or judges observation error big, misjudgment and labor intensity and low efficiency of current
6、situation, system design to ATMEL89S52 series microcontroller as the core controller, the laser scanning athletes on line of accurate information, the wireless transmission modules and between the starting point and SheFanDian real-time wireless communication, realize the coming-and-going run traini
7、ng assessment process accurate testing and intelligent control and reduce the labor intensity of the staff, and improve the quality of work and efficiency. This design is simple in structure, but are highly intelligent, and human nature, partly reflects the intelligence. Key words: Single-chip m
8、icrocomputer，Wireless transmitting，Digital tube，74HC573，Coming-and-going run 目 录 1 引言 1 1.1 选课的背景及意义 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3 本课题要求及主要研究内容 2 1.3.1 课题研究的主要内容 2 1.3.2 技术指标 2 2 系统总体方案分析 2 2.1起跑点的系统框图 2 2.2 折返点系统方框图 3 3 各模块的芯片选择与电路设计 3 3.1 单片机控制模块 3 3.1.1 核心芯片的介绍 3 3.1.2 单片机最小系统设计
9、4 3 .2 无线传输模块及功能电路 5 3.2.1 nRF905无线模块介绍 5 3.2.2 无线传输模块电路设计 7 3.3电源模块 9 3.3.1 LM117电压转换芯片介绍 9 3.3.2 电源模块电路设计 10 3.4 计时显示模块 10 3.4.1 4位LED数码管介绍 10 3.4.2 74HC573芯片 12 3.4.3 计时显示电路设计 13 3.5 踏线检测和声光报警模块 14 3.5.1 激光二极管介绍 14 3.5.2 光敏三极管介绍 16 3.5.3 光敏三极管的驱动电路 18 3.5.4 检测与声光报警模块电路设计 18 4 系统软件
10、设计 19 5 结论 19 致谢 20 参考文献 21 附录1 整体电路图 22 附录2 程序 23 1 引言 现在的体育训练、比赛中进行往返跑计时、检测考核，往往还是采用人工考核的方式，借助秒表等装置，教练、裁判人员用肉眼观察运动员的情况。这种方式下，裁判人员的观测误差较大，而且对于运动员是否每次往返均能达标，判定不清楚，可能造成误判等情况的发生。对于运动员考核中经常会出现不踩往返线就折返跑、忘记自己折返次数而没有跑完就提前结束考核。为解决这些问题，在实践中通常在折返点上设置一个专门报数的人员，对运动员进行提醒，但由于考核时间长、人员多，这样又将占用大量的人力资
11、源等，使得这些问题仍然没有得到很好的解决。针对这种情况设计了一种基于激光扫描的智能往返跑检测计时考核系统，实现精确检测，人性化的提示、智能考核。从而减轻工作人员的劳动强度，提高工作质量和效率。 1.1 选课的背景及意义 目前，在现在体育训练和比赛中大多数都是人力进行组织的，同时也是人负责对训练和比赛中的数据和时间进行记录的，而这类的训练和比赛往往需要很长的时间，需要很多人才能保证活动的数据正确以及公平公正。同时在考核的过程中工作人员都是借助肉眼进行观察的，这样并不能保证数据的准确性。在练习或考核的过程中运动员往往会出现不踩线就折返跑、因忘记自己的折返次数而没有跑完就提前结束考核的情况，针对
12、这些问题很多专家都在研究。而现在各个方面的发展都在趋向智能化，体育检测类的器件也在不断改进，而本设计就很好的解决了以上问题，本设计的踏线检测模块和声光报警模块，对于考核人员没有踩线见折返的情况起到了很大的帮助，它对运动员考核过程进行了很好的监督，也避免了考核人员在考核过程中的一些作弊行为，同时本设计也有计时显示模块，可以帮助工作人员准确记录比赛时间，避免出现吴记的情况，大大节省了人力资源。 1.2 国内外研究现状 随着现在电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，而人们对于电子技术的要求也越来越高，其中很重要的一点就是智能化。目前国内在各方面的研究开发，都
13、在朝着智能化的方向前进。其中对于体育项目的各项检测也在逐步步入这个趋势。本课题要设计的激光扫描的智能往返跑控制系统，主要是针对体育往返跑训练或者比赛中出现的一些疏忽，比如运动员没有踏线就折回、没有记清楚折返次数等，都起到了一定的帮助作用。国内这个设计目前还没有具体的实物出现，市面上也很少有此设计的商品。在国外这类检测系统虽有使用，但整体的设计还不够完善，故设计本系统对于以后的各方面发展都具有很大的帮助作用。同时，本课题设计的研究也在实际应用中节省也时间和人力。 1.3 本课题要求及主要研究内容 1.3.1 课题研究的主要内容 针对当前的体育训练、比赛中进行往返跑考核中存在的教练或者裁判人
14、员观测误差大、误判、劳动强度大和效率低等现状，系统设计以ATMEL89S52系列单片机为核心控制器,采用激光器精确扫描运动员的踏线信息，采用无线传输模块进行起点和和折返点之间的实时无线通信，实现了对往返跑训练考核过程的精确检测和智能控制，减轻了工作人员的劳动强度，提高了工作质量和效率。 1.3.2 技术指标 （1）采用激光检测扫描运动员在起点和折返点的踏线信息，同时进行声光报警提示； （2）采用无线传输模块进行起点和和折返点之间的实时无线通信； （3）采用数码管显示计时信息，计时次误差<0.01S； （4）系统具备一定的抗干扰能力； （5）可实现多组同时进行测试； （6）系统采用
15、电池供电。 2 系统总体方案分析 现在的体育训练和比赛中，往返跑已经成为很重要的一项。在考核中，运动员踩过起跑线开始计时，而到达折返点的时候也必须有效踩过折返线才能返回，如果考核人员没有按照规则，即没有到达折返点就返回，此次成绩则即为无效。在考核中，需要工作人员及时准确的记录时间和考核人员的折返次数，而仅仅依靠工作人员肉眼观察是很难做到准确无误的。依据这些考核中出现的问题，我们设计了一种智能往返跑控制系统，经过分析该系统需采用AT89S52单片机为控制核心，系统分为以下几个部分：电源模块、无线传输模块、踏线检测模块、LED计时显示模块、声光报警模块。根据设计要求，经过论证，最终确定的系统设
16、计框图包括两个部分。 2.1起跑点的系统框图 本设计利用无线传输模块，当运动员通过起跑点踏线时，电路中的踏线检测模块进行一次扫描并发出声光报警提示，同时电路开始工作，开始记录时间。经过分析起跑点系统框图如下： AT89S52 单片机 无线传输模块 踏线检测模块 声光报警模块 计时显示模块 电源模块 图1 起跑点系统方框图 2.2 折返点系统方框图 当运动员到达折返点时，激光器会对运动员的踩线情况进行扫描，若运动员按照规则踏线之后返回，则此时激光器就会对踏线信息进行一次扫描，发出声光报警信号，同时计数器记录一次
17、折返次。当运动员完成任务要求的折返次数时，计数器停止计数，同时计时也停止，并在数码管上显示出完成任务所用时间。综上所述系统框图如下： AT89S52 单片机 声光报警模块 无线传输模块 踏线检测模块 电源模块 图2 折返点系统框图 3 各模块的芯片选择与电路设计 3.1 单片机控制模块 3.1.1 核心芯片的介绍 AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允
18、许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切
19、工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。[1]AT89S52的管脚排列如图3： 图3 单片机管脚排列 3.1.2 单片机最小系统设计 此设计中单片机为核心芯片，其控制着模块的工作。单片机的最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对52系列单片机来说,最小系统一般包括：单片机、晶振电路、复位电路。如图4： 图4 单片机最小系统 详细说明如下： （1）复位电路:由电容或按钮开关串联电阻构成,由图并结合"电容电压不能突变"的性质可以知道，当系统一上电RST脚将会出现高电平,并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的52单片机当RST脚的高电平
20、持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般推荐C取10u，R取 1K。原则就是要让 RC 组合可以在 RST 脚上产生不少于2个机周期的高电平。 （2）晶振电路:典型的晶振11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200 波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时操作)，在本电路中取12M。 （3）单片机：一片 AT89S52单片机，对于31 脚(EA/Vpp)，当接高电平时，单片机在复位后从内部 ROM 的 0000H 开始执行；当接低电平时，复位后直接从外部ROM的 0000H 开始执行
21、AT89S52单片机的共40个引脚，电源用 2 个(Vcc 和 GND)，晶振用2个，复位1个，EA/Vpp 用1个，剩下还有34个。29 脚 PSEN，30脚ALE为外扩数据/ 程序存储器时才有特定用处，一般情况下不用考虑，这样，就只剩下32个引脚，它们是：P0 端口P0.0 - P0.7共8个；P1端口P1.0 - P1.7 共 8 个；P2端口P2.0 - P2.7共8个；P3 端口P3.0 - P3.7共8个。[2] 3 .2 无线传输模块及功能电路 3.2.1 nRF905无线模块介绍 此次设计使用的无线模块是无线数据传输模块nRF905。通过将与RF 协议有关的高速信号处
22、理放到芯片内，nRF905提供给应用的微控制器一个SPI 接口，速率由微控制器自己设定的接口速度决定。数据在内部进行曼切斯特编码（TX）和曼切斯特解码（RX）。通过采用内部曼切斯特编解码，微控制器不需要制定编解码规则。 nRF905无线收发模块（PTR8000+），在Nordic VLSI 公司最新封装改版NRF905无线通信芯片基础上，特做优化设计，采用高精度贴片晶振，体积更小，性能更优。工作于433MHz 全球开放ISM 频段免许可证使用，高性能低功耗，接收灵敏度高，抗干扰性强，集成度高，通信稳定，是目前最主流的无线收发电路。其实物如图5： 图5 无线模块的实物
23、 nRF905 单片无线收发器工作在433/868/915MHZ 的ISM 频段。由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。工作模式的特点是自动产生前导码和CRC。可以很容易通过SPI 接口进行编程配置。电流消耗很低，在发射功率为-10dBm 时发射电流为11mA，接收电流为12.5mA。进入POWERDOWN 模式可以很容易实现节电。nRF905传输数据时为非实时方式，即发送端发送数据，接收端接收后先暂存于芯片存储器内，外面的MCU可以在需要时再到芯片中去取。nRF905发送或接受一次的数据传输量最多为32B。[3] 本设计使用的是
24、成型的nRF905无线模块，共有14个引脚，结构如图6所示。 图6 nRF905无线模块的接口电路 表1 nRF905模块的各管脚说明 管脚 名称 管脚功能 说明 1 vcc 电源 电源+1.9-3.6V DC 2 TX-EN 数字输入 TX-EN=1 TX模式 TX-EN=0 RX模式 3 TRX-CE 数字输入 使能芯片发射或接收 4 PWR-UP 数字输入 芯片上电 5 uCLK 时钟输入 本模块该管脚废弃不用，向后兼容 6 CD 数字输出 载波检测 7 AM 数字输出 地址匹配 8 DR 数字
25、输出 接收或发射数据完成 9 MISO SPI接口 SPI输出 10 MOSI SPI接口 SPI输入 11 SCK SPI时钟 SPI时钟 12 CSN SPI使能 SPI使能 13 GND 地 接地 14 GND 地 接地 表2 nRF905模块性能参考数据 参数 数值 单位 最低工作电压 3.0 v 最大发射功率 10 dBm 最大数据传输率曼彻斯特编码 50 kbps 输出功率为-10dBm时工作电流 9 mA 接收模式时工作电流 12.5 mA 温度范围 -40 to +85 ℃ 典型灵
26、敏度 -100 dBm POWERDOWN模式时工作电流 2.5 uA 3.2.2 无线传输模块电路设计 收发器电路板则由nRF905芯片和各分立元件构成。nRF905芯片内置高性能增强型51单片机（4lock），内带4路ADC12bit高速采样，全部高频元件集成；最大发射功率达+10dBm，高抗干扰GFSK调制；数据传输速率100kbps、独特的载波监测输出、地址匹配输出和就绪信号输出；内置完整的通信协议和CRC，只需通过SPI即可完成所有的无线收发传输，无线通信如同SPI通信一样方便。另外天线直接设计在PCB电路板上，以提高系统的稳定性。（如图7） 图7 nRF905印刷板
27、上带环形天线的典型应用电路 由于nRF905具有ShockBurst TM功能，使得nRF905不需要使用昂贵的高速微控制处理器（MCU）对数据处理/时钟恢复，也能达到较高的数据率。通过在芯片上将所有的高速信号处理变为射频通信协议，nRF905芯片提供了一个具有微控制器能力的SPI接口，数据率由具有微控制器功能的接口速率自行设定。 在此次设计中，无线传输模块nRF905可以和单片机的P口直接链接，不需要特殊的接口，在接P0口时要接10k的上拉电阻，VCC工作电压要稳定在3.0V-3.6V之间，本次设计使用的是3.3V电源，用电压转换芯片LM1117-3.3V实现。设计中的链接示意图如图8所
28、示。 图8 单片机与nRF905连接 nRF905在正常工作前应由AT89S52先根据需要写好配置寄存器，其后的工作主要是两个：发送数据和接收数据。[4] 发送数据时，AT89S52先把nRF905置于待机模式(PWR_UP引脚为高、TRX_CE引脚为低)，然后通过SPI总线把发送地址和待发送的数据都写入相应的寄存器中，之后把nRF905置于发送模式(PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全为高)，数据就会自动通过天线发送出去。为了数据可靠地传输，将射频配置寄存器中的自动重发标志位(AUTO_RETRAN)设为有效，数据包重复不断地一直向外发，直到单片机AT89S52把TRX
29、CE拉低，退出发送模式为止。 接收数据时，AT89S52把nRF905的TRX_CE引脚置为高电平，TX_EN引脚拉为低电平后，就开始接收数据。本设计中AT89S52设定的40s内一直在检测nRF905的DR引脚是否变高，若为高，则证明接收到了有效数据，可以退出接收模式，若一直没有接收到，待时间到时也退出接收模式。退出后在待机模式等待，AT89S52通过SPI总线把nRF905内部的接收数据寄存器中的数据读出，即接收到的有效数据。 3.3电源模块 3.3.1 LM117电压转换芯片介绍 LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V.
30、它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.25～13.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号。 LM1117提供电流限制和热保护。电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在±1%以内。LM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252 D-PAK封装。输出端需要一个至少10uF钽电容来改善瞬态响应和稳定性。其实物及接口电路如图9所示。 表3 LM1117系列芯片的特性 1 提供1.8V、2.5V、2.85V、3
31、3V和5V和可调电压的型号 2 节省空间的SOT-223和LLP封装 3 电流限制和热保护功能 4 输出电流可达800mA 5 线性调整率：0.2%（Max 6 负载调整率：0.4%（Max） 7 温度范围： －LM1117：0℃~125℃ －LM1117I：-40℃~125℃ 表4 LM1117系列芯片的应用 1 2.85V模块可用于SCSI-2有源终端 2 开关DC/DC转换器的主调压器 3 高效线性调整器 4 电池充电器 5 电池供电装置 图9 LM1117-3.3V芯片实物及引脚图 3.3
32、2 电源模块电路设计 本设计中单片机工作电压采用四节1.5V的电池供电，而由于无线模块的正常工作电压是3.3V，故采用电压转换芯片LM1117-3.3V来实现。电路如图10所示： 图10 电源模块 3.4 计时显示模块 3.4.1 4位LED数码管介绍 本系统设计的显示电路是为了给供测评员实时时查看计时时间而设置的，因此采用4位数码管显示（如图12）。四位数码管，内部的4个数码管共用a~dp这8根数据线，为人们的使用提供了方便，因为里面有4个数码管（内部结构如图11所示），所以它有4个公共端，加上a~dp，共有12个引脚，下面便是一个四位数码管的内部结构图。引脚排列依然是从左下
33、角的那个脚（1 脚）开始，以逆时针方向依次为1~12 脚，下图中的数字与之一一对应。[5] 图11 4位数码管内部结构 数码管的显示分为两种，静态显示和动态显示。在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有的段选线并联在一起，由8位I/O口控制。数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通C
34、OM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动（如图13）。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。 图12 位数码管实物图 图13 位数码管动态显示接口电路图 3.4.2 74HC573芯片 74HC
35、573芯片是八进制3态非反转透明锁存器，它是一种高性能硅门CMOS器件。SL74HC573跟LS/AL573的管脚一样，器件的输入是和标准CMOS输出兼容的，加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。实物及管脚排列如图14所示。 当使能端为高时，这些器件的锁存对于数据时透明的（也就是说输出同步）。当锁存使能端变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。其输出能直接接到CMOS、NMOS和TTL接口上，操作电压范围是2.0V~6.0V ,低输入电流是1.0uA，具有CMOS器件的高噪声抵抗性。 图14 74HC573实物及管脚排列 表5 74HC573芯片功能表（如下）
36、 输入 输出 输出使能 锁存使能 D Q L H H H L H L L L L X 不变 H X X Z X=不用关心 Z=高阻抗 表6 74HC573的最大值范围 符号 参数 值 单位 Vcc DC供电电压（参考GND） -0.5～+7.0 V Vin DC输入电压（参考GND） -1.5～VCC+1.5 V Vout DC输出电压（参考GND） -0.5～VCC+0.5 V Iin 每一个PIN的DC输入电流 20 mA Iout 每一个PIN的DC输出电流 35 mA Icc DC供电
37、电流，Vcc和GND之间 75 mA PD 在自然环境下，PDIP和SOIC封装下的功耗 750 500 mW Tstg 存储温度 -65～+150 ℃ TL 引线温度，10秒（PDIP，SOIC） 260 ℃ 3.4.3 计时显示电路设计 计时显示模块主要是在考核过程中实时记录考核人员完成任务的时间，在此设计中利用74HC573和4位数码管进行显示，从考核人员通过起跑点开始计时，完成折返次数后停止计时，并显示往返跑所用时间。连接电路如图15所示： 图15 计时显示电路 3.5 踏线检测和声光报警模块 3.5.1 激光二极管介绍 踏线检测模块可
38、以采用激光二极管来扫描和检测考核人员的踏线信息，并采用高光发光管和蜂鸣器来进行实时声光提示。激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管（其实物及电路符号如图16所示）。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。在双向光接收机的回传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作
39、为光源。常用的激光二极管有两种:①PIN光电二极管。它在收到光功率产生光电流时，会带来量子噪声。②雪崩光电二极管。它能够提供内部放大,比PIN光电二极管的传输距离远，但量子噪声更大。为了获得良好的信噪比，光检测器件后面须连接低噪声预放大器和主放大器。半导体激光二极管的工作原理，理论上与气体激光器相同。激光二极管的外形及尺寸、其内部结构类型有三种，如图17所示。 图16 激光二极管实物 图17 激光二极管的外形尺寸及内部结构 激光二极管的常用参数：（1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、81
40、0nm、860nm、980nm等。（2）阈值电流Ith ：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。（3）工作电流Iop ：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。（4）垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15˚~40˚左右。（5）水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6˚~ 10˚左右。（6）监控电流Im ：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。激光二极管在计算机上的光盘驱动器，激光打印机中的打
41、印头，条形码扫描仪，激光测距、激光医疗，光通讯，激光指示等小功率光电设备中得到了广泛的应用，在舞台灯光、激光手术、激光焊接和激光武器等大功率设备中也得到了应用。 二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。激光二极管的注入电流必须大于临界电流密度，才能满足居量反转条件而发出激光。临界电流密度与接面温度有关，并且间接影响效益。当激光二极管注入电流在临界电流密度以下时，发光机制主要是自发放射，光谱分散较广，频宽大约 在100到500埃（埃=10-1奈米，原子直径的数量级就是几个埃〉之间。但当电流密度超过临界值时，就开始产生振荡，最后只剩下少数几个模态，而
42、频宽也减小到30埃以下。而且，激光二极管的消耗功率极小，以双异质结构激光为例，最大的额定电压通常低于2伏特，输入电流则在15到100毫安之间，消耗功率往往不到一瓦特，而输出功率达数十毫瓦特以上。激光二极管的特色之一，是能直接从电流调制其输出光的强弱。因为输出光功率与输入电流之间多为线性关系，所以激光二极管可以采用模拟或数字电流直接调制输出光的强弱，省掉昂贵的调制器，使二极管的应用更加经济实惠。 激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点：即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。本设计采用的是为红色点状式激光二极管，其主要参数如表7所示。 表7 激光
43、二极管的参数 发射功率 135mW 标准尺寸 Ф6*10.5 工作寿命 1000小时以上 光斑模式 点状光斑，连续输出 激光波长 650nm 功率 5mW 电压 4.5V 电流 <40mA 工作温度 -36℃～65℃ 贮存温度 -36℃～65℃ 光点大小 15米处光点为φ10mm～φ15mm 理论上，在理想情况下（无灰尘、无烟雾、无任何阻挡物），激光的传输距离是无限的。本激光头在空气质量较高的情况下，给20mA的工作电流时，传输距离可以达到1KM以上，在一般阴天的夜晚，随随便便照射到200米以外的物体上都清晰可见；对于较近距离时，即使在白天的太
44、阳下，照在室外的路面、建筑物上也是清晰可见的。 3.5.2 光敏三极管介绍 本设计中的踏线检测模块是利用激光进行扫描，因此接收激光的部分使用光敏三极管3DU33实现激光接收。光敏三极管(光电三极管)(Photo Transister)以接受光的信号而将其变换为电气信号为目的而制成之晶体管称为光敏三极管。最普遍的外形如图18所示。罐形封闭(Can seal)之光敏三极管多半将半导体晶方装定在TO-18或TO-5封装引脚座后，利用附有玻璃之凸透镜及单纯之玻璃窗口之金属罩封闭成密不透气状态。光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射
45、的控制。通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。 罐封闭型(玻璃窗口) 罐封闭型(玻璃透镜) 树脂封入型(平导线透型) 树脂封入型(单端窗) 图18 光敏三极管的外形 光敏三极管一般在基极开放状态
46、使用(外部导线有两条线的情形比较多)，电压施加至射极、集极之两个端子，以便将逆偏压施至集极接合部。在此状态下， 光线入射于基极之表面时，受到反偏压之基极、集电极间即有光电流(Iλ)流过，发射极接地之晶体管的情形也一样，电流以晶体管之电流放大率(hfe)被放大而成为流至外部端子之光电流（Ic），为了便于了解起见，请参照图19所示。 图19 光敏三极管的等效电路、实物及电路符号 表8 光敏三极管的参数 名称 符号 测试条件 最小值 典型值 最大值 单位 最高工作电压 VRM(CE) ICE=ID 20 30 V 暗电流 ID V=V
47、RM(CE) 10 100 nA 光电流 IL VCE=10V E=1000LX 10 mA 上升时间 tr RL=50Ω VCE=10V 脉冲电流幅度为1mA 5 μS 下降时间 tf 5 μS 峰值波长 λp 880 nm 表9 光敏三极管的极限参数 名称 符号 参数 单位 最大功率 Pm 70 mW 工作温度 Top -30～ +65 ℃ 贮存温度 Tstg -30～ +80 ℃ 3.5.3 光敏三极管的驱动电路 光敏三极管是在光电二极管的基础上发展起来
48、的光电器件，它本身具有放大功能。其工作原理是：激光发射出的光信号，是随着信号的大小高低变化的一种特殊光，人看不见有什么闪频，但用光敏元件接收放大后就会发现光中有信号，而且转换过来的光信号几乎和发射的原信号一样（在放大电路无失真的情况下）。下面图20是光敏三极管的驱动电路。 图20 光敏三极管驱动电路 3.5.4 检测与声光报警模块电路设计 本部分中是对考核人员在考核过程中，是否踩到起跑线或者折返线的信息进行检测。当运动员踩通过折返线时，激光管发出的激光就会被人的身体阻挡一下，此时接激光的光敏电阻就不会接收到激光，单片机就会发出一个信号，并输出一个低电平，从而使蜂鸣器发出声音和指示灯也
49、会点亮，以提示考核人员有效踏线。 图21 踏线检测和声光报警电路 4 系统软件设计 图22 系统流程图 5 结论 本次设计对红外线扫描的智能往返跑控制系统进行了探讨，对往返跑装置进行了设计，本课题主要包括以下工作，并得出以下结论： (1) 收集、研究了大量关于智能往返跑中无线传输模块的资料,对数据的无线传输进行了一些很深的了解，并分析了无线模块在智能往返跑控制技术中的应用。 (2)了解了现在体育训练和比赛中存在的一些问题，总结出智能往返跑控制的框图,对总体的控制电路进行了详细的探讨。 (3)对激光二极管扫描的智能往返跑控制系统总体结构进行了设计,介绍了系统包
50、含的各个模块，并对模块所用芯片进行了研究，设计出了工作电路。 通过本课题的完成，对现在智能往返跑的研究有一定理论意义；对解决现在体育考核中的问题也有极其重要的实际意义；对无线智能这一模块的研究有一定的参考价值。 当然，课题设计仍存在以下不足和需要继续深入研究的问题： ①进一步确定系统中的器件参数。 ②研究智能往返跑系统的实际模型，在模型中充分考虑影响系统稳定性的各种因素。 ③研究智能往返跑关键控制参数的控制和最优化的处理。 致谢 经过近几个月的艰苦奋战，我的毕业设计已接近尾声。在这几个月的时间里，我衷心感谢我的指导老师，在课题选定、理论指导和方案的论证上，老师对我精心的指导和耐心
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