基於雷射測距的汽車防撞傳感器的製作方法
2023-06-17 11:51:16
專利名稱：基於雷射測距的汽車防撞傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於雷射測距的汽車防撞傳感器，適用於安裝在各種汽車上，屬於電子技術領域。
背景技術：
目前汽車防撞的手段還主要集中在能夠吸收儘可能多的撞擊能量的車架和車體、 更合理受力的安全氣囊和安全帶等。這些被動防護手段可以在發生事故時保護車內人員的安全，從而降低交通事故的死亡人數。然而，最終要解決的是能夠拯救更多生命、更多傷者和節省更多金錢的辦法。
目前基於雷射測距的汽車防撞傳感器主要是超聲波測距傳感器(這句話是否有問題)。 由於超聲波能量與距離的平方成正比而衰減的，故距離越遠，反射回的超聲波越少，靈敏度下降，其作用距離只能達到幾米到十幾米，一般被用作倒車雷達。
發明內容
本發明的目的是提供一種基於雷射測距的汽車防撞傳感器，克服現有超聲波測距傳感器存在的上述不足，將本發明配套在各種車輛上，可以精確測量出本車與目標車輛之間的距離，用戶可以用它來擴展其他功能。本發明的目的是通過以下技術方案實現的，一種基於雷射測距的汽車防撞傳感器，其特徵是，所述的傳感器包括以單片機AT89S52為核心的主控電路，雷射發射電路、APD 雷射接收放大電路、PIN雷射接收放大電路以及為雷射發射電路和APD雷射接收放大電路提供偏置電壓的高壓發生電路，時間間隔測量模塊，時刻鑑別電路、電源電路、分光鏡和反光鏡；單片機主控電路的I/O 口接雷射發射電路的雷射發射啟動端，雷射脈衝信號經分光鏡分光後，一路經反光鏡反光，直接被PIN接收放大電路接收，另一路脈衝雷射被前方車輛反射，然後被APD雷射接收放大電路接收，兩路脈衝雷射都分別接時刻鑑別電路的輸入端， 時刻鑑別電路的輸出端接時間間隔測量模塊的輸入端，時間間隔測量模塊與單片機相連， 高壓發生電路的輸出端分別接雷射發射電路和雷射接收電路的高壓輸入端。本發明通過設置以單片機AT89S52為核心的控制電路以及雷射發射電路、雷射接收放大電路和相關電路，在相應程序的支持下，單片機給雷射發射電路一個雷射發射啟動信號，控制雷射發射電路發出脈衝雷射，雷射脈衝信號經分光鏡分光後，一路經反光鏡反光，直接被PIN接收放大電路接收，另一路脈衝雷射被前方車輛反射，然後被APD雷射接收放大電路接收，兩路脈衝雷射都分別經時刻鑑別電路精確校正其接收時刻後送給單片機主控電路處理，時間間隔測量模塊計算脈衝雷射發射和回波信號到達之間的時間間隔，然後傳給單片機，單片機計算出前方車輛與雷射測距儀之間的距離。本發明與各種車輛配套可以在一定程度上減少交通事故的發生率、避免交通事故的財產損失和人員傷亡，本發明量程大、方向性強、響應時間快、抗幹擾強且精度較高，結構簡單，實用性強，具有顯著的經濟效益和社會效益。
圖1為本發明整體框圖2為本發明中以單片機AT89S52為核心的控制電路、時間間隔測量模塊、報警模塊電
路；
圖3為本發明中的雷射發射電路； 圖4為本發明中的雷射接收放大電路； 圖5為本發明中的高壓發生電路； 圖6為本發明中的時刻鑑別電路。
具體實施例方式結合附圖和實施例進一步說明本發明，如圖1所示，本發明包括以單片機 AT89S52為核心的控制電路，雷射發射電路、雷射接收放大電路以及為發射和接收電路提供偏置電壓的高壓發生電路，時刻鑑別電路，時間間隔測量模塊和電源電路。單片機主控電路的I/O 口接雷射發射電路的雷射發射啟動端，雷射接收放大電路的時間信號輸出端接時刻鑑別電路的輸入端，時刻鑑別電路的輸出端接時間間隔測量模塊的輸入端，時間間隔測量模塊的與單片機主控電路相連，高壓發生電路的輸出端分別接雷射發射電路和雷射接收放大電路的高壓輸入端。如圖2所示，單片機AT89S52為核心的主控電路的I/O給雷射發射電路一個雷射發射啟動信號，控制雷射發射電路發出脈衝雷射，被前方車輛反射，時間間隔測量模塊計算脈衝雷射發射和回波信號到達之間的時間間隔然後傳給單片機主控電路，單片機主控電路計算出前方車輛與本發明之間的距離。
如圖 2 所示，電路由單片機六189552、電阻1 38、1 39、1 40、1 41、1 42、1 43、1 44、1 45、1 46、 R47、電容C23、C24、C25、C26、NPN型三極體Q8、Q9、PNP型三極體Q10、比較器A4、按鍵開關 Si、晶振Yl組成。時刻鑑別電路(PIN接收支路)的輸出接單片機的2號腳、時刻鑑別電路(APD接收支路)的輸出接單片機的3號腳，單片機的1號腳接雷射發射電路的雷射發射啟動端、按鍵開關Si、電阻R38、R39、電容CM組成的復位電路接單片機AT89S52的9號腳復位端，晶振 Y1、電容C25、C26組成的震蕩電路接單片機的18和19號腳，單片機的20號腳接地、40號腳接電源Vcc、22號腳接時間測量電路中QlO的基極、21號腳接時間測量電路中Q9的基極， 時間測量電路的輸出(A4的輸出端)接單片機的P0. 0 口。單片機的P2.0 口和P2. 1平時是高電平的，三極體QlO截止、Q9飽和導通，電容C23 的電壓被鉗位在Vx，當單片機的Pl. 0 口向雷射發射電路發送一個雷射發射啟動信號，控制雷射發射電路發射雷射脈衝的時候，同時P2.0 口輸出低電平控制Q9解鉗、P2. 1 口也輸出高電平、QlO導通、電源給電容C23充電。當單片機接收到回波信號(檢測到Pl. 2 口有高電平)的時候，P2. 1 口置高電平，三極體QlO截止，C23停止充電，通過三極體Q8、電阻R45緩慢放電，此時單片機啟動定時器計數。當電容C23的電壓放電到低於Vy的時候(Vy比Vx 略高一點點)，比較器輸出翻轉成低電平，單片機的P0. 0 口檢測到低電平時，定時器停止計數。單片機通過計得的數值算出電容C23放電時間，從而反推出充電時間，即得到兩車之間
5的距離。如圖3所示，雷射發射電路由電阻R2、脈衝電流限流電阻R3、充電限流電阻Rl、儲能電容Cl、MOSFET驅動晶片U3、MOSFET管Q1、鉗位二極體D1、半導體雷射器LD組成。MOSFET驅動晶片U3的輸入端接單片機的Pl. 0 口，輸出端接MOSFET管Ql的柵極， DE150的源極通過電阻R2接地，Ql的漏極接儲能電容C2和鉗位二極體D1、限流電阻R3、半導體雷射器LD三者的並聯電路到地，同時接充電限流電阻Rl到高壓發生電路的高壓輸出端 HIGHV。當單片機的P1.0 口為低電平時，MOSFET管Ql截止，高壓經限流電阻R1、儲能電容 C2及二極體Dl和電阻R4的並聯電路向電容C2充電，使C2兩端充至160V左右的電壓。當單片機的Pl. 0 口為高電平時，MOSFET管Ql導通，電容C2經MOSFET管Ql、電阻R2、R3、雷射器LD放電，此時，雷射器LD在短時間內通過一個峰值電流大約為20A左右的電流脈衝， 使其相應發出峰值功率大約為20W的光脈衝。D1、R3並聯電路用於抑制雷射器的反向脈衝， 起保護雷射器的作用。如圖4所示，雷射接收放大電路由濾波電阻R18、R19、發射極電阻R20、R24、R26、 集電極電阻R21、R27、去耦電阻R22、R28、反饋電阻R23、耦合電阻R25、分壓電阻R29、R30、 濾波C13、C14、去耦電容C15、C17、旁路C16、C18、耦合電容C19、高速NPN型三極體Q4、Q5、 高速PNP型三極體Q6、Q7、雪崩光電二極體APD組成。雪崩光電二極體APD正常工作時需要在陰極加上一個160V左右的直流反向偏壓， 以使APD有足夠的增益。電阻R18的上端連接高壓發生電路的HIGHV (160V)端，160V高壓HIGHV經過電阻R18、濾波電容C13、電阻R19、濾波電容C14兩次濾波接到APD的陰極。 電阻R28、去耦電容C17、電阻R22、去耦電容C15的作用是去除電源Vcc中的高頻分量。當雪崩二極體APD接收到雷射脈衝的時候會產生極微弱的電流，經過三極體Q4、Q5、電阻R20、 R21、R23組成電流-電壓前置放大電路，將這個電流信號轉換成為一個量級相對較大的電壓信號，再經過三極體Q6、Q7、電阻R24、R25、R26、R27、電容C16、C18構成的電壓放大電路進行進一步放大，電源經電阻R29、R30分壓後再疊加上放大電路輸出的交流電壓作為整個放大電路的輸出，輸出端(signal)接時刻鑑別電路的輸入端(signal)。PIN的接收放大電路同上圖類似，只是不需要高壓發生電路給其陰極提供偏壓 HIGHV，較低的電壓就能驅動，這裡就不多作說明了。本發明還設有為雷射發射電路和雷射接收電路提供高壓電源的高壓發生電路，如圖5所示，高壓發生電路由電阻1 6、1 7、1 8、1 9、1 10、1 11、1 12、1 13、1 14、1 15、1 16、反饋電阻 R17、瓷片電容C4、去耦電容C3、C10、濾波電容C5、C6、C7、C9、C11、C12、NPN型三極體Q3、儲能電感Li、鉗位二極體D2、D3、輸出濾波電容C8、時基電路NE555。電阻R6、R7、電容C4、時基電路NE555組成多諧振蕩器，接通電源時，電源Vcc經過電阻R6、R7給電容C4充電，當電容C4的電壓達到2/3Vcc時候，時基電路 NE555內部的三極體導通，電容C4通過電阻R7和時基電路NE555的7腳內部的三極體放電，當電容C4的電壓降低到l/3Vcc的時候，Ul內部的三極體截止，電源Vcc又給電容C4充電，直到電容C4兩端的電壓達到2/3Vcc，如此反覆震蕩，在時基電路NE555的輸出端3腳輸出方波。時基電路NE555的輸出經過電阻R9、RlO的分壓接到三極體Q3 的基極，此外電源Vcc經過電阻R8和濾波電容C5、C6、C7組成的低通濾波後再經過儲能電感Ll接到三極體Q3的集電極。當時基電路NE555的OUT端輸出高電平時，三極體Q3導通，由於三極體Q3導通期間正向飽和壓降很小，因此這時二極體D4反偏，能量從電源流入，並儲存於電感Ll中，負載由濾波電容C8供給能量，將電容中儲存的能量(
CF02/2 )釋放給負載。當時基電路NE555的OUT端輸出低電平時，三極體Q3截止，電感Ll 中的電流不能突變，它上面產生的感應電勢阻止電流的減小，感應電勢的極性為上負下正， 二極體D3導通，電感中儲存的能量(Ll212 )流入電容(充電)，並供給負載。時基電路 NE555集成電路的作用是產生一定頻率的方波信號，使三極體周期性的導通、截止，從而在輸出端得到較高的輸出電壓。電阻R13、R14、R15、R16、R17、電容CIO、ClU C12、集成運放 Al LM358組成的是電壓控制反饋電路，這個反饋迴路利用輸出電壓來控制時基電路NE555 集成電路的第5腳，使時基電路NE555的輸出頻率以及佔空比發生變化，從而起到控制輸出電壓HIGHV的作用。我們需要一個160V的輸出電壓，而當輸出為160V時，當高壓生成電路工作於穩態時。在這種情況下，如果由於幹擾等原因，使Vo小於160V，那麼流過電阻R12、 R14、可變電阻R13的電流將減少，所以放大器Al LM358的反向輸入端的電壓降低，從而使放大器的輸出增大，控制時基電路NE555的5腳，使時基電路NE555的輸出頻率以及佔空比增大，則HIGHV也將增加，直到達到160V，即電路到達一種平衡狀態。同理，當HIGHV大於 160V，經過反饋也會拉低HIGHV，使其穩定在160V。高壓發生電路的作用是給雷射發射電路和雷射接收放大電路提供高壓。如圖6所示，時刻鑑別電路由電感L2、L3電阻R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、 瓷片電容C20、C21、濾波電容C22，高速比較器A2、A3 LM319、D觸發器74HC74組成。雷射接收電路的輸出信號signal分為三路，第一路經過由電感L2、L3、電容C20、 C21組成的延時器後輸入到高速比較器A2 LM319的正相輸入端，同時比較器A2 LM319正向輸入端接電阻R32到地；第二路信號經過由電阻R31、R33分壓衰減之後，輸入到比較器A2 LM319的反相輸入端，同時比較器A2 LM319反向輸入端接電容C22到地；第三路信號直接輸入到比較器A3 LM319的正相輸入端，同時接電阻R4到地；比較器A3 LM319的反向輸入端接可變電阻R36的可調端、R36的其他兩端分別接電阻R35到Vcc和電阻R37到地。比較器A2 LM319的輸出接D觸發器74HC74的D端，比較器A3 LM319的輸出接D觸發器74HC74 的CLK端，D觸發器74HC74的輸出端(PIN接收支路)連接到單片機的Pl. 1 口，D觸發器 74HC74的輸出端(APD接收支路)連接到單片機的Pl. 2 口。由於脈衝雷射會在傳輸中衰減和畸變，因此接收到的脈衝與發射脈衝在形狀和幅值上有很大差異，因此很難準確的確定光脈衝回波信號的到達時刻，因此需要專門的時刻鑑別電路對接收信號的時刻進行判定。輸入信號分為三路，第一路信號經過由電感L2、L3、 電容C20、C21組成的延時器後輸入到比較器A2 LM319的正相輸入端；第二路信號經過由電阻R31、電阻R33分壓衰減之後，輸入到高速比較器A2 LM319的反相輸入端。當比較器A2 LM319兩個輸入端信號的相對大小發生改變時，比較器A2 LM319輸出狀態將發生，而且狀態轉換的時刻點不會受到原始輸入信號幅值的改變的影響，始終保持於原始信號達到其某一固定高度比例時發生。這樣就可以保證時刻鑑別的準確度。第三路信號直接輸入到比較器A3 LM319的正相輸入端。電阻R35、R36、R37分別為三路信號的阻抗匹配電阻。圖示的恆定比值時刻鑑別電路中共使用了兩個高速比較器，其中比較器A2 LM319作為恆定比值時刻鑑別比較器，比較器A3 LM319作為預鑑別比較器。調節R36即可改變預鑑別比較器的預鑑別閾值。 本發明中的電源電路、雷射發射電路、雷射接收放大電路、高壓發生電路可採用現有技術中的相關成熟電路。
權利要求
1.一種基於雷射測距的汽車防撞傳感器，其特徵是，所述的傳感器包括以單片機 AT89S52為核心的主控電路，雷射發射電路、APD雷射接收放大電路、PIN雷射接收放大電路以及為雷射發射電路和APD雷射接收放大電路提供偏置電壓的高壓發生電路，時間間隔測量模塊，時刻鑑別電路、電源電路、分光鏡和反光鏡；單片機主控電路的I/O 口接雷射發射電路的雷射發射啟動端，雷射脈衝信號經分光鏡分光後，一路經反光鏡反光，直接被PIN接收放大電路接收，另一路脈衝雷射被前方車輛反射，然後被APD雷射接收放大電路接收，兩路脈衝雷射都分別接時刻鑑別電路的輸入端，時刻鑑別電路的輸出端接時間間隔測量模塊的輸入端，時間間隔測量模塊與單片機相連，高壓發生電路的輸出端分別接雷射發射電路和雷射接收電路的高壓輸入端。
2.根據權利要求1所述的基於雷射測距的汽車防撞傳感器，其特徵是，所述的雷射發射電路由電阻R2、脈衝電流限流電阻R3、充電限流電阻R1、儲能電容Cl、驅動晶片U3 IXDD415, MOSFET管Q1、鉗位二極體D1、半導體雷射器LD組成；驅動晶片U3 IXDD415的輸入端接單片機的Pl. 0 口，輸出端接MOSFET管Ql的柵極，Ql的源極通過電阻R2接地，Ql的漏極接儲能電容Cl和鉗位二極體D1、限流電阻R3、半導體雷射器LD三者的並聯電路到地， 同時接充電限流電阻Rl到高壓發生電路的高壓輸出端HIGHV。
3.根據權利要求1所述的基於雷射測距的汽車防撞傳感器，其特徵是，所述的雷射接收放大電路由濾波電阻R18-19、發射極電阻R20、R24、R26、集電極電阻R21、R27、去耦電阻 R22、R28、反饋電阻R23、耦合電阻R25、分壓電阻似9_30、濾波C13-14、去耦電容C15、C17、 旁路電容C16、C18、耦合電容C19、高速NPN型三極體Q4-5、高速PNP型三極體Q6-7、雪崩光電二極體APD組成；電阻R18的一端連接高壓發生電路的HIGHV端，電阻R18、濾波電容 C13、電阻R19、濾波電容C14兩次濾波接到雪崩光電二極體APD的陰極，電阻R28、去耦電容C17、電阻R22、去耦電容C15去除電源Vcc中的高頻分量；雪崩光電二極體APD接收到雷射脈衝的時候會產生極微弱的電流，經過三極體Q4-5、電阻R20-23組成電流-電壓前置放大電路，將這個電流信號轉換成為一個量級相對較大的電壓信號，再經過三極體Q6-7、電阻 R24-27,電容C16、C18構成的電壓放大電路進行進一步放大，電源經電阻R29-30分壓後再疊加上放大電路輸出的交流電壓作為整個放大電路的輸出，輸出端signal接時刻鑑別電路的輸入端signal。
4.根據權利要求1所述的基於雷射測距的汽車防撞傳感器，其特徵是，高壓發生電路由電阻R6-16、反饋電阻R17、瓷片電容C4、去耦電容C3、C10、濾波電容C5-7、C9、C11-12、 NPN型三極體Q3、儲能電感Li、鉗位二極體D2-3、輸出濾波電容C8、時基電路NE555、集成運放Al LM358組成；電阻R6-7、電容C4、時基電路NE555組成多諧振蕩器，時基電路NE555的輸出經過電阻R9-10的分壓接到三極體Q3的基極，電源Vcc經過電阻R8和濾波電容C5-7 組成的低通濾波後再經過儲能電感Ll接到三極體Q3的集電極，電阻R13-17、電容C10-12、 集成運放Al LM358組成電壓控制反饋電路。
5.根據權利要求1所述的基於雷射測距的汽車防撞傳感器，其特徵是，時刻鑑別電路由電感L2-3，電阻R31-37，瓷片電容C20-21，濾波電容C22，高速比較器A2、A3 LM319、D觸發器74HC74組成；輸入信號分為三路，第一路經過由電感L2-3、電容C20-21組成的延時器後輸入到高速比較器A2 LM319的正相輸入端，同時高速比較器A2 LM319正向輸入端接電阻R32到地；第二路信號經過由電阻R31、R33分壓衰減後輸入到高速比較器A2 LM319的反相輸入端，同時高速比較器A2 LM319反向輸入端接電容C22到地；第三路信號直接輸入到高速比較器A3 LM319的正相輸入端，同時接電阻R34到地；高速比較器A3 LM319的反向輸入端接可變電阻R36的可調端、R36的其他兩端分別接電阻R35到Vcc和電阻R37到地；高速比較器A2 LM319的輸出接D觸發器74HC74的D端，比較器A3 LM319的輸出接D觸發器 74HC74的CLK端，D觸發器74HC74的輸出Q端連接到單片機的Pl. 1 口，D觸發器74HC74 的輸出端連接到單片機的Pl. 2 口。
6.根據權利要求1所述的基於雷射測距的汽車防撞傳感器，其特徵是，所述的時間間隔測量模塊中的三極體Q10、Q9的基極分別接單片機AT89S52的22、21號腳，低功耗電壓比較器A4 LM339的輸出端接單片機的P0. 0 口。
7.根據權利要求1所述的基於雷射測距的汽車防撞傳感器，其特徵是，單片機控制電路中的單片機AT89S52的1號腳接雷射發射電路的雷射發射啟動端，按鍵開關Si、電阻 R38-39、電容CM組成的復位電路接單片機AT89S52的9號腳復位端，晶振Y1、電容C2546 組成的震蕩電路接單片機的18和19號腳，20號腳接地、40號腳接電源Vcc，2號腳接時刻鑑別電路PIN接收支路，3號腳接時刻鑑別電路APD接收支路。
全文摘要
本發明涉及一種基於脈衝雷射測距的汽車防撞報警，屬於電子技術領域，本發明通過設置以單片機STC12C5A60S2為核心的控制電路以及雷射發射電路、雷射接收放大電路和相關電路，在相應程序的支持下，雷射脈衝信號經分光鏡分光後，一路經反光鏡反光，直接被PIN接收電路接收，另一路脈衝雷射被前方車輛反射，然後被APD雷射接收電路接收，兩路脈衝雷射都分別經時刻鑑別電路精確校正其接收時刻後送給單片機主控電路處理，實時監控本車與前車的距離，本發明與各種車輛配套可以在一定程度上減少交通事故的發生率、避免交通事故的財產損失和人員傷亡，本發明量程大、方向性強、響應時間快、抗幹擾強且精度較高，結構簡單，實用性強，具有顯著的經濟效益和社會效益。
文檔編號G01S17/93GK102540196SQ20111045064
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月29日 優先權日2011年12月29日
發明者唐開遠, 朱金榮 申請人:揚州大學