雷射測距防撞儀的製作方法

2023-05-29 07:04:21 1

專利名稱：雷射測距防撞儀的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於防撞裝置，特別是涉及一種雷射防撞儀。
背景技術：
工業控制中，行車防撞裝置是對行車的安全操作提供保護的重要設備。目前國內外投入 使用的行車防撞裝置的主要特點是1)多數行車防撞儀採用光電開關或行程開關作為防撞保 護的信號產生單元，報警距離設定複雜而且有一定的誤差。2)部分行車防撞儀使用紅外傳感 技術，是將距離量轉換為某種模擬量並對其進行檢測，這類行車防撞儀採用非接觸方式實現 距離的檢測，能避免因長期使用而帶來的誤差，但通常採用模擬的方式調整報警限制距離， 經常需要人工校零，技術維護工作量大，並且易受環境(如環境溫度、空氣品質等)的影響。 發明內容
本實用新型所要解決的技術問題是提供一種雷射測距防撞儀，該雷射測距防撞儀使用 自行研製的雷射信號調理單元，配合雷射發射驅動單元和調理信號處理單元構成雷射測距模 塊，實現雷射測距功能；雷射測距模塊與變送單元構成雷射測距變送器和防撞控制盒相連； 整個系統實時性強，精度高，可靠性好，使用較方便。
本實用新型所採用的技術方案是還包括變送單元和雷射測距模塊，變送單元和雷射測 距模塊組成雷射測距變送器，雷射測距變送器和防撞控制盒相連。
本實用新型具有以下優點
1、 實時檢測並顯示行車與左右障礙物間的距離，特有的雷射測距技術能保證檢測結果具 有很高的精度和可靠性；
2、 可以啟動聲光報警或者觸發控制繼電器動作，以實現保護行車的功能，預警距離和制 動距離可以通過按鍵設置。當行車與左右障礙物的距離小於設置的制動距離時，控制繼電器 直接動作，將行車制動，蜂鳴器發出連續響聲，同時紅色報警燈亮；當行車與左右障礙物的 距離大於設置的制動距離，且小於預警距離時，控制繼電器不動作，蜂鳴器發出連續響聲， 同時黃色報警燈亮；當行車與左右障礙物的距離大於設置的預警距離時，控制繼電器不動作， 蜂鳴器不發出響聲，同時指示燈綠燈亮；
3、 二次儀表(防撞控制盒)上LED顯示模塊能實時顯示左右側障礙物與行車距離以及兩 者的最高相對速度，配合設置鍵盤能對各項參數進行設置；


圖l為本實用新型的結構框圖。
圖2是圖1中雷射測距模塊的結構框圖。
圖3是圖2中雷射測距模塊中雷射信號調理單元電路原理圖。
圖4是圖2中雷射測距模塊中雷射發射驅動單元電路原理圖。
圖5是圖2中雷射測距模塊中調理信號處理單元電路原理圖。
具體實施方式

如圖1所示，本雷射測距防撞儀包括防撞控制盒、變送單元和雷射測距模塊，變送單元 和雷射測距模塊組成雷射測距變送器，雷射測距變送器和防撞控制盒相連。實際使用中，激 光測距變送器可包括結構相同的左側雷射測距變送器和右側雷射測距變送器，以方便行車兩 側的測距要求。
如圖2所示，雷射測距模塊包括雷射發射驅動單元、雷射信號調理單元和調理信號處理 單元，雷射發射驅動單元與雷射信號調理單元相連，雷射信號調理單元的輸出端與調理信號 處理單元的輸入端相連。
如圖3所示，雷射信號調理單元可包括前置放大器、帶通濾波器和相敏檢波器，前置放 大器的輸出端接至帶通濾波器的輸入端，帶通濾波器的輸出端接至相敏檢波器，相敏檢波器 的輸出端接至變送單元。
前置放大器包括光電二極體PD、無源濾波網絡和第一運算放大電路，光電二極體PD通過 無源濾波網絡和第一運算放大電路相連，第一運算放大電路包括第一運算放大器U1，並接有 第一端子A1。前置放大器的功能是直接將光電二極體PD內部極微弱的電流信號調整成能夠 被後級電路處理的電壓信號。其中第一運算放大器U1可採用NE5534晶片。前置放大器的外 圍電路包括1個光電二極體、14個電阻、7個電容、2個三極體(NPN型與PNP型各1個)、 +9V電源組成。
該前置放大器電路的各部件的連接關係為光電二極體PD與電阻RO並聯，再與電阻R1、 R2、 R3、電容C1、 C2組成的無源濾波器網絡連接，無源濾波器網絡再與由電阻R4、 R5、 R6、 R7、 R8、 R9、電容C3、三極體Ql、 Q2組成的電路相連，然後再與由第一運算放大器Ul、電 阻RIO、 Rll、 R12、 R13、電容C4、 C5、 C6組成的同相放大電路相連(第一運算放大電路)， 第一運算放大器U1的第2腳與電阻R11、 R12相連，第一運算放大器U1的第3腳與電容C4、 電阻R10相連，第一運算放大器U1的第6腳與電阻R13、電容C7相連，第一運算放大器U1 的第7腳與第4腳分別和+9V電源、地相連，第一運算放大器U1的第5腳與電阻R13、電容 C6相連，信號通過第一端子Al輸出到下-級。
該帶通濾波器運算放大器包括第二運算放大電路，第二運算放大電路由第一端子Al接受 信號輸入，包括第二運算放大器U2。帶通濾波器的功能是將前級信號中含有的高頻和低頻的 幹擾信號進行濾除。其中第二運算放大器U2可採用NE5534晶片。外圍電路包括5個電阻與 4個電容。該帶通濾波器電路的各部件的連接關係前一級的信號從第一端子A1輸入，第一 端子A1與電阻R14、 R15相連，然後再與電容C8、 C9相連，電容C8的另一端與電阻R17和 第二運算放大器U2的第2腳相連，電容C9的另一端與第二運算放大器U2的第6腳相連，電 容Cll 一端與第二運算放大器U2的第6腳相連，另一端與下一級電路相連。
相敏檢波器包括絕緣柵場效應管Tl和第三運算放大電路，第三運算放大電路包括第三運 算放大器U3，構成積分電路。絕緣柵場效應管T1的漏極和柵極與調製信號輸入端A2相連， 絕緣柵場效應管T1的源極和帶通濾波器的輸出端、第三運算放大電路均相連，第三運算放大 電路接有信號輸出端子A3。其功能是利用由調製信號輸入端A2輸入的調製信號對前一級的信號進行相敏檢波的。其中第三運算放大器U3可採用NE5534晶片。其外圍電路包括9個電 阻、4個電容和1個絕緣柵場效應管。該相敏檢波器電路的各部件的連接關係調製信號通 過絕緣柵場效應管Tl接入電路，絕緣柵場效應管Tl的源級與電阻R19相連，絕緣柵場效應 管Tl的源極與柵極間以電阻R20連接，電阻R19的另一端與電容C12 —起和第三運算放大器 U3的第3腳相連，電阻R21、 R22、 R23、 R27、電容C15與第三運算放大器U3—起構成積分 電路(第二運算放大電路)。
如圖4所示，雷射發射驅動單元包括雷射二極體LDI和雷射二極體驅動電路。雷射二極 管驅動電路包括第四運算放大器U4和第五運算放大器U5，雷射二極體LDI和雷射二極體驅 動電路相連。具體連接關係為第四運算放大器U4的第3腳與雷射二極體LDI的第2腳相連， 第四運算放大器U4的第3腳與該運算放大器的第1腳相連，第四運算放大器U4的第1腳通 過電阻R45與第五運算放大器U5的第6腳相連，第五運算放大器U5的第5腳與由電阻R42、 R43、 R44、穩壓二極體D4、電容C22組成的穩壓網絡相連，第五運算放大器U5的第7腳通 過電阻R48與三極體Q4的基極相連，三極體Q4的集電極通過電阻R50與雷射二極體LDI的 第3腳相連，雷射二極體LDI的第1腳與電源+VCC相連。
如圖5所示，調理信號處理單元包括時間數字轉換晶片U6、晶振電路和接口電路，時間 數字轉換晶片U6和品振電路、接口電路均相連。時間數字轉換晶片U6可選用ACAM公司通用 TDC系列晶片的TDC-GP2晶片。晶振電路包括晶振Y4、電阻R52、 R53、電容C26、 C27。接口 電路包括連接端子START 、 ST0P、 En—Start、 En—Stop、 INTN、 SSN、 SCK、 SI、 S0、 RSTN和 Clkln。調理信號處理單元的具體連接關係為晶振電路的第1腳與數字轉換晶片U6的第1 腳相連，晶振電路的第2腳通過電阻R53與數字轉換晶片U6的第2腳相連，晶振電路的第1 腳與第2腳之間通過電阻R52相連，連接端子START 、 ST0P、 En—Start、 En一Stop、 INTN、 SSN、 SCK、 SI、 S0、 RSTN和Clkln的一端分別與時間數字轉換晶片U6的第31、 30、 32、 26、 8、 9、 10、 11、 12、 16腳相連。另外，連接端子START 、 STOP的另一端分別與圖3中的調 制信號輸入端A2、圖4中的信號輸出端子A3相連，連接端子En—Start、 Er^St叩、INTN、 SSN、 SCK、 SI、 S0、 RSTN、 Clkln的另一端均與變送單元中的測距微控制器相連。時間數字轉換芯 片U6的第3、 14、 22、 29腳都與電源+VCC相連，第4、 7、 17、 18、 19、 20、 21、 23、 24、 25、 27、 28腳都與電源GND相連。
變送單元包括電源模塊、測距微處理器和變送通訊模塊，測距微處理器和雷射測距模塊 的輸出端相連，測距微處理器通過變送通訊模塊和防撞控制盒相連。電源模塊和測距微處理 器、雷射測距模塊均相連，為它們提供電力。
如圖1所示，防撞控制盒包括防撞微處理器、設置鍵盤、LED顯示器、聲光報警器、控制 繼電器、掉電檢測模塊和防撞通信模塊(可使用MAX485晶片)，防撞微處理器和設置鍵盤、 LED顯示器、聲光報警器、控制繼電器、掉電檢測模塊、防撞通信模塊均相連，防撞通信模 塊和雷射測距變送器相連。防撞微處理器可採用AVR系列的單片機。所述防撞微處理器內還 可安有片內可在線電擦除和電寫入的存儲器(E2PR0M)。
該雷射測距防撞儀的工作原理是首先左右兩側雷射發射驅動單元分別驅動其雷射二極體LDI發射脈衝雷射信號，該信號被障礙物反射後被雷射信號調理單元中的光電二極體PD接 收，雷射信號調理單元將該信號調理成調理信號處理單元能處理的電脈衝信號，調理信號處 理單元將該信號處理後得到距離值傳輸給與之相連的變送單元中的測距微控制器，再通過變 送通訊模塊(可使用MAX485晶片)傳送到防撞控制盒(二次儀表)，檢測數據經過相應的計 算處理，再顯示於防撞控制盒上。若檢測距離達到事先由用戶設置的預警或制動距離，系統 將作出相應的動作。防撞控制盒通過接收來自變送器的輸出信號，並通過防撞控制盒(二次 儀表)內的微處理器進行智能數據處理後，分別輸出控制信號給LED顯示器和繼電器動作單 元。
木實例採用雷射測距技術，通過左側雷射測距變送器和右側雷射測距變送器檢測行車與 左右障礙物的距離，再經過LED顯示器顯示實時車距，與傳統的行車防撞系統相比，本實例 能通過大大改善檢測距離的精度和可靠性來提高行車工作的穩定性。因此，雷射測距防撞系 統必將逐步取代傳統行車防撞系統。
實施例
如圖1所示，本雷射測距防撞儀包括防撞控制盒、變送單元和雷射測距模塊，變送單元 和雷射測距模塊組成雷射測距變送器，雷射測距變送器和防撞控制盒相連。雷射測距變送器 包括兩個完全一杼的左側雷射測距變送器和右側雷射測距變送器。
如圖2所示，雷射測距模塊包括雷射發射驅動單元、雷射信號調理單元和調理信號處理 單元，雷射發射驅動單元與雷射信號調理單元相連，雷射信號調理單元的輸出端與調理信號 處理單元的輸入端相連。
如圖3所示，雷射信號調理單元包括前置放大器、帶通濾波器和相敏檢波器，前置放大 器的輸出端接至帶通濾波器的輸入端，帶通濾波器的輸出端接至相敏檢波器，相敏檢波器的 輸出端接至變送單元。
前置放大器包括光電二極體ra、無源濾波網絡和第一運算放大電路，光電二極體PD通過 無源濾波網絡和第一運算放大電路相連，第一運算放大電路包括第一運算放大器U1，並接有 第一端子A1。其中第一運算放大器U1採用NE5534晶片。該前置放大器電路的各部件的連接 關係為光電二極體PD與電阻RO並聯，再與R1、 R2、 R3、 Cl、 C2組成的無源濾波器網絡連 接，無源濾波器網絡再與由R4、 R5、 R6、 R7、 R8、 R9、 C3、 Ql、 Q2組成的電路相連，然後再 與由第一運算放大器U1、 RIO、 Rll、 R12、 R13、 C4、 C5、 C6組成的同相放大電路相連(第一 運算放大電路)，第一運算放大器Ul的第2腳與Rll、 R12相連，第一運算放大器Ul的第3 腳與C4、 R10相連，第一運算放大器Ul的第6腳與R13、 C7相連，第一運算放大器Ul的第 7腳與第4腳分別和+9V電源、地相連，第一運算放大器Ul的第5腳與R13、 C6相連，信號 通過第一端子Al輸出到下一級。
該帶通濾波器運算放大器包括第二運算放大電路，第二運算放大電路由第一端子Al接受 信號輸入。第二運算放大電路包括第二運算放大器U2，可採用NE5534晶片。該帶通濾波器 電路的各部件的連接關係前一級的信號從第一端子Al輸入，第一端子Al與R14、 R15相連， 然後再與C8、 C9相連，C8的另一端與R17和第二運算放大器U2的第2腳相連，C9的另一端與第二運算放大器U2的第6腳相連，Cll 一端與第二運算放大器U2的第6腳相連，另一端 與下一級電路相連。
相敏檢波器包括絕緣柵場效應管Tl和第三運算放大電路，第三運算放大電路包括第三運 算放大器U3，構成積分電路。絕緣柵場效應管T1的漏極和柵極與調製信號輸入端A2相連， 絕緣柵場效應管T1的源極和帶通濾波器的輸出端、第三運算放大電路均相連，第三運算放大 電路接有信號輸出端子A3。其中第三運算放大器U3可採用NE5534晶片。該相敏檢波器電路 的各部件的連接關係調製信號通過絕緣柵場效應管T1接入電路，絕緣柵場效應管T1的源 級與R19相連，絕緣柵場效應管Tl的源極與柵極間以電阻R20連接，R19的另一端與C12 — 起和第三運算放大器U3的第3腳相連，R21、 R22、 R23、 R27、 C15與第三運算放大器U3 — 起構成積分電路(第三運算放大電路)。
如圖4所不，雷射發射驅動單元包括雷射二極體LDI和雷射二極體驅動電路。雷射二極 管驅動電路包括第四運算放大器U4和第五運算放大器U5，雷射二極體LDI和雷射二極體驅 動電路相連。連接關係為第四運算放大器U4的第3腳與雷射二極體LDI的第2腳相連，第 W運算放大器U4的第3腳與該運算放大器的第1腳相連，第四運算放大器U4的第1腳通過 電阻R45與第五運算放大器U5的第6腳相連，第五運算放大器U5的第5腳與由電阻R42、 R43、 R44、穩壓二極體D4、電容C22組成的穩壓網絡相連，第五運算放大器U5的第7腳通 過電阻R48與三極體Q4的基極相連，三極體Q4的集電極通過第電阻R50與雷射二極體LDI 的第3腳相連，雷射二極體LDI的第1腳與電源+VCC相連。
如圖5所示，調理信號處理單元包括時間數字轉換晶片U6、晶振電路和接口電路，時間 數字轉換晶片U6和晶振電路、接口電路均相連。時間數字轉換晶片U6可選用AC旭公司通用 TDC系列晶片的TDC-GP2晶片。晶振電路包括晶振Y4、電阻R52、 R53、電容C26、 C27。接口 電路包括連接端子START 、 ST0P、 En—Start、 En—Stop、 INTN、 SSN、 SCK、 SI、 S0、 RSTN和 Clkln。調理信號處理單元的具體連接關係為晶振電路的第1腳與數字轉換晶片U6的第1 腳相連，晶振電路的第2腳通過電阻R53與數字轉換晶片U6的第2腳相連，晶振電路的第l 腳與第2腳之間通過電阻R52相連，連接端子START 、 ST0P、 En—Start、 En一Stop、 I翻、 SSN、 SCK、 SI、 S0、 RSTN和Clkln的一端分別與時間數字轉換晶片U6的第31、 30、 32、 26、 8、 9、 10、 11、 12、 16腳相連。另外，連接端子START 、 STOP的另一端分別與圖3中的調 制信號輸入端A2、圖4中的信號輸出端子A3相連，連接端子En—Start、 En—Stop、 INTN、 SSN、 SCK、 SI、 S0、 RSTN、 Clkln的另一端均與變送單元中的測距微控制器相連。時間數字轉換芯 片U6的第3、 14、 22、 29腳都與電源+VCC相連，第4、 7、 17、 18、 19、 20、 21、 23、 24、 25、 27、 28腳都與電源GND相連。
變送單元包括電源模塊、測距微處理器和變送通訊模塊，變送通訊模塊可使用MAX485芯 片。測距微處理器和雷射測距模塊的輸出端相連，測距微處理器通過變送通訊模塊和防撞控 制盒相連。電源模塊和測距微處理器、雷射測距模塊均相連，為它們提供電力。
防撞控制盒包括防撞微處理器、設置鍵盤、LED顯示器、聲光報警器、控制繼電器、掉電 檢測模塊和防撞通信模塊，防撞通信模塊使用MAX485晶片。防撞微處理器和設置鍵盤、LED顯示器、聲光報警器、控制繼電器、掉電檢測模塊、防撞通信模塊均相連，防撞通信模塊和 雷射測距變送器相連。防撞微處理器採用AVR系列的單片機。
本實施例通過左側雷射測距變送器和右側雷射測距變送器將雷射測距模塊的檢測數據送 入防撞控制盒的防撞微控制器中，經高性能微處理器處理後實現行車車距、車速等參數的顯 示和控制繼電器動作信號的輸出。它自帶控制按鍵與LED顯示器，可手動設定防撞儀的預警 距離和制動距離，當檢測到的實時距離小於預警距離和制動距離時，聲光報警器報警或控制 繼電器產生動作，通過控制繼電器的動作控制行車的開斷電。防撞控制盒的防撞微控制器的 輸入信號來自設置鍵盤，輸出信號為LED顯示器、聲光報警器和控制繼電器，輸入輸出信號 為變送單元的串行通訊信號。當左右兩側的雷射測距變送器中的雷射測距模塊將行車與其兩 側障礙物間的距離檢測到後，將反映距離量的數值交由雷射測距變送器中相應的變送單元， 通過變送通信模塊傳送到防撞控制盒，檢測數據經過相應的計算處理，再顯示於防撞控制盒 上。若檢測距離達到事先由用戶設置的預警或制動距離，系統將作出相應的動作。
在本實例，防撞微控制器中的軟體流程主要包含了三個方面第一個方面就是接收從變 送器傳來的距離值，並將該值實時顯示在防撞控制盒上，同時對該值做出分析，判斷是否達 到預警距離或制動距離，如達到報警值則聲光報警器的報警燈亮，並且聲光報警器發出聲音， 如達到限制動作值則控制繼電器產生動作，另外通過相應的方法得到本車與左右側障礙物間 的最高相對速度並顯示。第二個方面就是參數設置，用戶通過防撞控制盒面板上的按鍵對預 警距離與制動距離等參數進行設置。第三個方面就是處理存儲在防撞微處理器內部E2PR0M的 數據,在每次設置完參數後，將本次設置值儲存進片內可在線電擦除和電寫入的存儲器E2PR0M 以備掉電後重新提取。經過實際測試，本實例能很好的實現對行車兩側與障礙物間距離的檢 測和顯示，穩定性好，操作方便，互換性強，不受工頻及其它幹擾影響。
權利要求1. 雷射測距防撞儀，包括防撞控制盒，其特徵在於還包括變送單元和雷射測距模塊，變送單元和雷射測距模塊組成雷射測距變送器，雷射測距變送器和防撞控制盒相連。
2. 如權利要求1所述的雷射測距防撞儀，其特徵在於所述雷射測距變送器包括結構一 樣的左側雷射測距變送器和右側雷射測距變送器。
3. 如權利要求1或2所述的雷射測距防撞儀，其特徵在於所述雷射測距模塊包括雷射 發射驅動單元、雷射信號調理單元和調理信號處理單元，雷射發射驅動單元與雷射信號調理 單元相連，雷射信號調理單元的輸出端與調理信號處理單元的輸入端相連。
4. 如權利要求3所述的雷射測距防撞儀，其特徵在於所述雷射信號調理單元包括前置 放大器、帶通濾波器和相敏檢波器，前置放大器的輸出端接至帶通濾波器的輸入端，帶通濾 波器的輸出端接至相敏檢波器，相敏檢波器的輸出端接至變送單元。
5. 如權利要求4所述的雷射測距防撞儀，其特徵在於所述前置放大器包括光電二極體(PD)，光電二極體(PD)通過無源濾波網絡和第一運算放大電路相連，第一運算放大電路包 括第一運算放大器(Ul)，並接有第一端子(Al)。
6. 如權利要求4所述的雷射測距防撞儀，其特徵在於所述帶通濾波器包括第二運算放大電路，第二運算放大電路由第一端子(Al)接受信號輸入，包括第二運算放大器(U2)。
7. 如權利要求4所述的雷射測距防撞儀，其特徵在於所述相敏檢波器包括絕緣柵場效 應管(Tl)和第三運算放大電路，第三運算放大電路包括第三運算放大器(U3),構成積分電 路，絕緣柵場效應管(Tl)的柵極與調製信號輸入端(A2)相連，絕緣柵場效應管(Tl)的 源極和帶通濾波器的輸出端、第三運算放大電路均相連，絕緣柵場效應管(Tl)的源極與柵 極間以電阻R20連接，第三運算放大電路接有信號輸出端子(A3)。
8. 如權利要求3所述的雷射測距防撞儀，其特徵在於所述雷射發射驅動單元包括雷射 二極體(LDI)和雷射二極體驅動電路，雷射二極體驅動電路包括第四運算放大器(U4)和第 五運算放大器(U5)，雷射二極體(LDI)和雷射二極體驅動電路相連。
9. 如權利要求3所述的雷射測距防撞儀，其特徵在於所述調理信號處理單元包括所述 調理信號處理單元包括時間數字轉換晶片(U6)、晶振電路和接口電路，時間數字轉換晶片(U6) 和晶振電路、接口電路均相連。
10. 如權利要求1或2所述的雷射測距防撞儀，其特徵在於所述變送單元包括電源單 元、測距微處理器和變送通訊模塊，測距微處理器和雷射測距模塊的輸出端相連，測距微處 理器通過變送通訊模塊和防撞控制盒相連，電源模塊和測距微處理器、雷射測距模塊均相連。
專利摘要本實用新型提供了一種雷射測距防撞儀，其包括防撞控制盒、變送單元和雷射測距模塊，變送單元和雷射測距模塊組成雷射測距變送器，雷射測距變送器和防撞控制盒相連。該防撞儀實時性強，精度高，可靠性好，使用較方便。
文檔編號G01S17/00GK201226026SQ200820066179
公開日2009年4月22日 申請日期2008年3月25日 優先權日2008年3月25日
發明者劉教瑜, 周克貴, 閆東磊, 堃 陳, 黃少軍 申請人:武漢理工大學