擲實心球距離測試系統的設計與實現

魏 聲

（陜西財經職業技術學院,咸陽,712000）

擲實心球距離測試系統的設計與實現

魏 聲

（陜西財經職業技術學院,咸陽,712000）

針對當前學校實心球比賽成績統計中傳統的測距方式，同時針對現代社會對高精度、設計簡易以及成本低等的要求，采用C8051F020作為主控處理芯片，設計出了手持式的移動測距儀器，以此更好的實現對包括實心球在內的進行測距。

實心球；測距；C8051F020

1 測距儀工作原理

通過激光二極管，對準需要測量的目標，發射激光脈沖，當激光在遇到障礙物之后，其會反射回傳感器的接收器上面，并記錄出脈沖從發射到接受所花費的時間，即可完成對目標的距離測試。而其測試的距離為光速在空氣當中的傳播速度乘以傳播時間的一半。

而在該課題當中采用相位測距方式。其具體的原理如圖1所示。

圖1

其基本的原理是對激光束進行調制，并測量調制后和反射激光之間的相位，測出其ΔΦ，再通過調制光的波長，算出其往返的時間，以此算出延遲的距離。

2 測距儀整體架構設計

該系統的主要的參數為：采用半導體的激光器作為光源，PIN光電二極管作為該系統的探測器；同時采用分散的直接測量頻率的方式進行測量，而高頻的部分則采用低通的濾波器來接收干擾的濾波。本文所采用的測距儀器主要的優點在于電路的設計比較簡單、精度高。其具體的系統結構如圖1所示。

圖2 系統整體架構設計

圖中采用C5402作為該系統整體的數據處理，采用AT89S52作為整體系統的控制和顯示。在該系統當中所采用的激光發射，是采用激光器和瞄灘光學系統組成，其主要的目的是將所產生的激光脈沖準確的發送給實心球。而該系統的接收則主要包括光電的探測器、信號放大器和濾波器組成，其主要的原理是通過探測器對光束的探測，并通過放大電路，將其信號進行增強，并通過濾波器的過濾，從而過濾掉波中的“雜質”。

通過上述的步驟之后，將信號通過信號調理電路，其目的是將信號通過A/D轉換變換成數字信號，再通過DDS芯片對所接收的數字信號進行處理。其具體的測量的步驟如下：

首先是寫入DDS的頻率和相位控制字，在完成之后，會產生兩個頻率比較接近、相位一樣的正弦波。其中的一路則直接送給發射系統，在經過返回之后，通過探測器和放大電路對信號進行放大，并經過濾波器的處理；而另一路則進入混頻，從而生成兩路不同的低頻信號。當信號在進入到A/D轉換器之后，通過FFT運算，完成對其相位差的計算，從而得到所需的距離。

3 系統硬件系統設計

3.1 復位電路設計

復位電路設計的目的，是讓增強系統穩定性。在該系統中，我們采用自動復位電路。該結構主要是由計時器和定時器組成。在運行當中，DSP通常因為需要高頻率的時鐘信號，在運行中很容易導致死機等問題的出現。因此，通過采用一個監控電路的方式，來加強對電源電壓、微處理器、電池故障等問題，通過提供一個變化的電平信號，如信號沒有變化，則復位電路便可對其進行相應的復位處理。在該系統中采用MAX706電路。

3.2 激光調制與發射

半導體的激光器作為測距信號產生的一個裝置，其信號的好壞對未來信號的接收等各個方面都存在一定的影響。因此，我們在對激光器進行選擇的時候，則主要包括以下幾點：

(1)工作的電壓不得低于3V，電流維持在30-70mA。

(2)人的正常的視力對635nm的光感知度很到，以便對其進行目測。

(3)輸出的功率大致在5mW左右。

(4)調制的頻率在100MHZ左右的激光器。

通過上述的要求，我們可以選擇ADX-6305STU激光管，因為該紅色激光波長在0.63um-0.65um，頻率在4.62*1014Hz到4.76*lO14Hz兩者之間。

圖3 GaAS半導體激光器電路

調制信號的發生電路從R1、R2對著vc開始，通過電路的分壓，為半導體的激光器提供恒定的電流，M則為DDS電路產生的可變調制電壓而提供的一個變化的電流。P與Al構成恒流源。同時為保證P的工作區域，采用R4來對其進行分壓。

3.3 接收電路設計

接受系統的原理是利用光電探測器，對反射回來的激光脈沖進行探測，并通過光電二極管將相應的光電流轉變為與測距的光波相同頻率的電壓信號。而在這其中，光波在進行發射和反射的過程中，其會出現一定的耗損或者是干擾。如果直接對該信號進行探測的話，則可能出現信號削弱等若干問題，因此，必須預先對信號進行放大和濾波的處理。在該系統當中，我們則采用APD，該二極管最大的優勢在于其既有光電探測接收的功能，同時也具備混頻的功能，因此，增強了該二極管的實用性。

APD其具有內部的增益，可將其中的光信號很好的轉變為電信號。當其中的APD中的反向的偏壓在達到一定的數值之后，并使得結區的電場在達到足夠高的時候，內部將產生數倍的載流子，從而使得光電流增加。

同時我們借助APD從電流轉換成電壓的時候具有非線性的屬性，因此，我們直接將本振的信號通過電注的方式將其直接給加在APD的高壓上面，并通過調節器電壓的方式和混頻來實現穩定的電壓信號。

3.4 主控設計

在該系統當中，采用VC5402+ AT89S52作為主控的芯片，其目的是將VC5402作為數據運算處理模塊，而AT89S52主要是用于對系統的控制。因此，其必須具備以下的功能：

首先在接到鍵盤的指令之后，可進行相關的主控功能的操作，并協調其他模塊的功能；其次當在輸出數據與控制信號給相應的電源電路的時候，可分別控制其他的模塊的供電，并保證各功能的電壓的穩定；而在非測量的時候，對相關的功能進行斷電；主控將相關的控制和信號輸出的時候，給液晶顯示的驅動電路，從而可顯出不同的信息；給信號的模塊發送控制和數據的信號；執行其他的操作；通過JTAG，實現對系統的實時仿真控制，并對其進行編程。

3.5 軟件流程設置

該系統的軟件流程則為對DSP進行初始化，同時對DDS當中的芯片進行參數的設置，按下測量鍵，由此進入相應的測量程序，在接收到數據之后現實在LED顯示器上。

4 結束語

通過對實心球的距離測試，其測試的距離可精確到毫米。同時該測試儀可被應用到大型的體育比賽，以此更好對運動員的成績進行統計和分析。

陳京培,徐永梅.基于AT89S52單片機的液晶顯示控制電路設計[J].現代電子技術,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