专利名称：激光测距防撞仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于防撞装置，特别是涉及一种激光防撞仪。
背景技术：
工业控制中，行车防撞装置是对行车的安全操作提供保护的重要设备。目前国内外投入 使用的行车防撞装置的主要特点是1)多数行车防撞仪采用光电开关或行程开关作为防撞保 护的信号产生单元，报警距离设定复杂而且有一定的误差。2)部分行车防撞仪使用红外传感 技术，是将距离量转换为某种模拟量并对其进行检测，这类行车防撞仪采用非接触方式实现 距离的检测，能避免因长期使用而带来的误差，但通常采用模拟的方式调整报警限制距离， 经常需要人工校零，技术维护工作量大，并且易受环境(如环境温度、空气质量等)的影响。 发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种激光测距防撞仪，该激光测距防撞仪使用 自行研制的激光信号调理单元，配合激光发射驱动单元和调理信号处理单元构成激光测距模 块，实现激光测距功能；激光测距模块与变送单元构成激光测距变送器和防撞控制盒相连； 整个系统实时性强，精度高，可靠性好，使用较方便。
本实用新型所采用的技术方案是还包括变送单元和激光测距模块，变送单元和激光测 距模块组成激光测距变送器，激光测距变送器和防撞控制盒相连。
本实用新型具有以下优点
1、 实时检测并显示行车与左右障碍物间的距离，特有的激光测距技术能保证检测结果具 有很高的精度和可靠性；
2、 可以启动声光报警或者触发控制继电器动作，以实现保护行车的功能，预警距离和制 动距离可以通过按键设置。当行车与左右障碍物的距离小于设置的制动距离时，控制继电器 直接动作，将行车制动，蜂鸣器发出连续响声，同时红色报警灯亮；当行车与左右障碍物的 距离大于设置的制动距离，且小于预警距离时，控制继电器不动作，蜂鸣器发出连续响声， 同时黄色报警灯亮；当行车与左右障碍物的距离大于设置的预警距离时，控制继电器不动作， 蜂鸣器不发出响声，同时指示灯绿灯亮；
3、 二次仪表(防撞控制盒)上LED显示模块能实时显示左右侧障碍物与行车距离以及两 者的最高相对速度，配合设置键盘能对各项参数进行设置；
图l为本实用新型的结构框图。
图2是图1中激光测距模块的结构框图。
图3是图2中激光测距模块中激光信号调理单元电路原理图。
图4是图2中激光测距模块中激光发射驱动单元电路原理图。
图5是图2中激光测距模块中调理信号处理单元电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，本激光测距防撞仪包括防撞控制盒、变送单元和激光测距模块，变送单元 和激光测距模块组成激光测距变送器，激光测距变送器和防撞控制盒相连。实际使用中，激 光测距变送器可包括结构相同的左侧激光测距变送器和右侧激光测距变送器，以方便行车两 侧的测距要求。
如图2所示，激光测距模块包括激光发射驱动单元、激光信号调理单元和调理信号处理 单元，激光发射驱动单元与激光信号调理单元相连，激光信号调理单元的输出端与调理信号 处理单元的输入端相连。
如图3所示，激光信号调理单元可包括前置放大器、带通滤波器和相敏检波器，前置放 大器的输出端接至带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端接至相敏检波器，相敏检波器 的输出端接至变送单元。
前置放大器包括光电二极管PD、无源滤波网络和第一运算放大电路，光电二极管PD通过 无源滤波网络和第一运算放大电路相连，第一运算放大电路包括第一运算放大器U1，并接有 第一端子A1。前置放大器的功能是直接将光电二极管PD内部极微弱的电流信号调整成能够 被后级电路处理的电压信号。其中第一运算放大器U1可采用NE5534芯片。前置放大器的外 围电路包括1个光电二极管、14个电阻、7个电容、2个三极管(NPN型与PNP型各1个)、 +9V电源组成。
该前置放大器电路的各部件的连接关系为光电二极管PD与电阻RO并联，再与电阻R1、 R2、 R3、电容C1、 C2组成的无源滤波器网络连接，无源滤波器网络再与由电阻R4、 R5、 R6、 R7、 R8、 R9、电容C3、三极管Ql、 Q2组成的电路相连，然后再与由第一运算放大器Ul、电 阻RIO、 Rll、 R12、 R13、电容C4、 C5、 C6组成的同相放大电路相连(第一运算放大电路)， 第一运算放大器U1的第2脚与电阻R11、 R12相连，第一运算放大器U1的第3脚与电容C4、 电阻R10相连，第一运算放大器U1的第6脚与电阻R13、电容C7相连，第一运算放大器U1 的第7脚与第4脚分别和+9V电源、地相连，第一运算放大器U1的第5脚与电阻R13、电容 C6相连，信号通过第一端子Al输出到下-级。
该带通滤波器运算放大器包括第二运算放大电路，第二运算放大电路由第一端子Al接受 信号输入，包括第二运算放大器U2。带通滤波器的功能是将前级信号中含有的高频和低频的 干扰信号进行滤除。其中第二运算放大器U2可采用NE5534芯片。外围电路包括5个电阻与 4个电容。该带通滤波器电路的各部件的连接关系前一级的信号从第一端子A1输入，第一 端子A1与电阻R14、 R15相连，然后再与电容C8、 C9相连，电容C8的另一端与电阻R17和 第二运算放大器U2的第2脚相连，电容C9的另一端与第二运算放大器U2的第6脚相连，电 容Cll 一端与第二运算放大器U2的第6脚相连，另一端与下一级电路相连。
相敏检波器包括绝缘栅场效应管Tl和第三运算放大电路，第三运算放大电路包括第三运 算放大器U3，构成积分电路。绝缘栅场效应管T1的漏极和栅极与调制信号输入端A2相连， 绝缘栅场效应管T1的源极和带通滤波器的输出端、第三运算放大电路均相连，第三运算放大 电路接有信号输出端子A3。其功能是利用由调制信号输入端A2输入的调制信号对前一级的信号进行相敏检波的。其中第三运算放大器U3可采用NE5534芯片。其外围电路包括9个电 阻、4个电容和1个绝缘栅场效应管。该相敏检波器电路的各部件的连接关系调制信号通 过绝缘栅场效应管Tl接入电路，绝缘栅场效应管Tl的源级与电阻R19相连，绝缘栅场效应 管Tl的源极与栅极间以电阻R20连接，电阻R19的另一端与电容C12 —起和第三运算放大器 U3的第3脚相连，电阻R21、 R22、 R23、 R27、电容C15与第三运算放大器U3—起构成积分 电路(第二运算放大电路)。
如图4所示，激光发射驱动单元包括激光二极管LDI和激光二极管驱动电路。激光二极 管驱动电路包括第四运算放大器U4和第五运算放大器U5，激光二极管LDI和激光二极管驱 动电路相连。具体连接关系为第四运算放大器U4的第3脚与激光二极管LDI的第2脚相连， 第四运算放大器U4的第3脚与该运算放大器的第1脚相连，第四运算放大器U4的第1脚通 过电阻R45与第五运算放大器U5的第6脚相连，第五运算放大器U5的第5脚与由电阻R42、 R43、 R44、稳压二极管D4、电容C22组成的稳压网络相连，第五运算放大器U5的第7脚通 过电阻R48与三极管Q4的基极相连，三极管Q4的集电极通过电阻R50与激光二极管LDI的 第3脚相连，激光二极管LDI的第1脚与电源+VCC相连。
如图5所示，调理信号处理单元包括时间数字转换芯片U6、晶振电路和接口电路，时间 数字转换芯片U6和品振电路、接口电路均相连。时间数字转换芯片U6可选用ACAM公司通用 TDC系列芯片的TDC-GP2芯片。晶振电路包括晶振Y4、电阻R52、 R53、电容C26、 C27。接口 电路包括连接端子START 、 ST0P、 En—Start、 En—Stop、 INTN、 SSN、 SCK、 SI、 S0、 RSTN和 Clkln。调理信号处理单元的具体连接关系为晶振电路的第1脚与数字转换芯片U6的第1 脚相连，晶振电路的第2脚通过电阻R53与数字转换芯片U6的第2脚相连，晶振电路的第1 脚与第2脚之间通过电阻R52相连，连接端子START 、 ST0P、 En—Start、 En一Stop、 INTN、 SSN、 SCK、 SI、 S0、 RSTN和Clkln的一端分别与时间数字转换芯片U6的第31、 30、 32、 26、 8、 9、 10、 11、 12、 16脚相连。另外，连接端子START 、 STOP的另一端分别与图3中的调 制信号输入端A2、图4中的信号输出端子A3相连，连接端子En—Start、 Er^St叩、INTN、 SSN、 SCK、 SI、 S0、 RSTN、 Clkln的另一端均与变送单元中的测距微控制器相连。时间数字转换芯 片U6的第3、 14、 22、 29脚都与电源+VCC相连，第4、 7、 17、 18、 19、 20、 21、 23、 24、 25、 27、 28脚都与电源GND相连。
变送单元包括电源模块、测距微处理器和变送通讯模块，测距微处理器和激光测距模块 的输出端相连，测距微处理器通过变送通讯模块和防撞控制盒相连。电源模块和测距微处理 器、激光测距模块均相连，为它们提供电力。
如图1所示，防撞控制盒包括防撞微处理器、设置键盘、LED显示器、声光报警器、控制 继电器、掉电检测模块和防撞通信模块(可使用MAX485芯片)，防撞微处理器和设置键盘、 LED显示器、声光报警器、控制继电器、掉电检测模块、防撞通信模块均相连，防撞通信模 块和激光测距变送器相连。防撞微处理器可采用AVR系列的单片机。所述防撞微处理器内还 可安有片内可在线电擦除和电写入的存储器(E2PR0M)。
该激光测距防撞仪的工作原理是首先左右两侧激光发射驱动单元分别驱动其激光二极管LDI发射脉冲激光信号，该信号被障碍物反射后被激光信号调理单元中的光电二极管PD接 收，激光信号调理单元将该信号调理成调理信号处理单元能处理的电脉冲信号，调理信号处 理单元将该信号处理后得到距离值传输给与之相连的变送单元中的测距微控制器，再通过变 送通讯模块(可使用MAX485芯片)传送到防撞控制盒(二次仪表)，检测数据经过相应的计 算处理，再显示于防撞控制盒上。若检测距离达到事先由用户设置的预警或制动距离，系统 将作出相应的动作。防撞控制盒通过接收来自变送器的输出信号，并通过防撞控制盒(二次 仪表)内的微处理器进行智能数据处理后，分别输出控制信号给LED显示器和继电器动作单 元。
木实例采用激光测距技术，通过左侧激光测距变送器和右侧激光测距变送器检测行车与 左右障碍物的距离，再经过LED显示器显示实时车距，与传统的行车防撞系统相比，本实例 能通过大大改善检测距离的精度和可靠性来提高行车工作的稳定性。因此，激光测距防撞系 统必将逐步取代传统行车防撞系统。
实施例
如图1所示，本激光测距防撞仪包括防撞控制盒、变送单元和激光测距模块，变送单元 和激光测距模块组成激光测距变送器，激光测距变送器和防撞控制盒相连。激光测距变送器 包括两个完全一杼的左侧激光测距变送器和右侧激光测距变送器。
如图2所示，激光测距模块包括激光发射驱动单元、激光信号调理单元和调理信号处理 单元，激光发射驱动单元与激光信号调理单元相连，激光信号调理单元的输出端与调理信号 处理单元的输入端相连。
如图3所示，激光信号调理单元包括前置放大器、带通滤波器和相敏检波器，前置放大 器的输出端接至带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端接至相敏检波器，相敏检波器的 输出端接至变送单元。
前置放大器包括光电二极管ra、无源滤波网络和第一运算放大电路，光电二极管PD通过 无源滤波网络和第一运算放大电路相连，第一运算放大电路包括第一运算放大器U1，并接有 第一端子A1。其中第一运算放大器U1采用NE5534芯片。该前置放大器电路的各部件的连接 关系为光电二极管PD与电阻RO并联，再与R1、 R2、 R3、 Cl、 C2组成的无源滤波器网络连 接，无源滤波器网络再与由R4、 R5、 R6、 R7、 R8、 R9、 C3、 Ql、 Q2组成的电路相连，然后再 与由第一运算放大器U1、 RIO、 Rll、 R12、 R13、 C4、 C5、 C6组成的同相放大电路相连(第一 运算放大电路)，第一运算放大器Ul的第2脚与Rll、 R12相连，第一运算放大器Ul的第3 脚与C4、 R10相连，第一运算放大器Ul的第6脚与R13、 C7相连，第一运算放大器Ul的第 7脚与第4脚分别和+9V电源、地相连，第一运算放大器Ul的第5脚与R13、 C6相连，信号 通过第一端子Al输出到下一级。
该带通滤波器运算放大器包括第二运算放大电路，第二运算放大电路由第一端子Al接受 信号输入。第二运算放大电路包括第二运算放大器U2，可采用NE5534芯片。该带通滤波器 电路的各部件的连接关系前一级的信号从第一端子Al输入，第一端子Al与R14、 R15相连， 然后再与C8、 C9相连，C8的另一端与R17和第二运算放大器U2的第2脚相连，C9的另一端与第二运算放大器U2的第6脚相连，Cll 一端与第二运算放大器U2的第6脚相连，另一端 与下一级电路相连。
相敏检波器包括绝缘栅场效应管Tl和第三运算放大电路，第三运算放大电路包括第三运 算放大器U3，构成积分电路。绝缘栅场效应管T1的漏极和栅极与调制信号输入端A2相连， 绝缘栅场效应管T1的源极和带通滤波器的输出端、第三运算放大电路均相连，第三运算放大 电路接有信号输出端子A3。其中第三运算放大器U3可采用NE5534芯片。该相敏检波器电路 的各部件的连接关系调制信号通过绝缘栅场效应管T1接入电路，绝缘栅场效应管T1的源 级与R19相连，绝缘栅场效应管Tl的源极与栅极间以电阻R20连接，R19的另一端与C12 — 起和第三运算放大器U3的第3脚相连，R21、 R22、 R23、 R27、 C15与第三运算放大器U3 — 起构成积分电路(第三运算放大电路)。
如图4所不，激光发射驱动单元包括激光二极管LDI和激光二极管驱动电路。激光二极 管驱动电路包括第四运算放大器U4和第五运算放大器U5，激光二极管LDI和激光二极管驱 动电路相连。连接关系为第四运算放大器U4的第3脚与激光二极管LDI的第2脚相连，第 W运算放大器U4的第3脚与该运算放大器的第1脚相连，第四运算放大器U4的第1脚通过 电阻R45与第五运算放大器U5的第6脚相连，第五运算放大器U5的第5脚与由电阻R42、 R43、 R44、稳压二极管D4、电容C22组成的稳压网络相连，第五运算放大器U5的第7脚通 过电阻R48与三极管Q4的基极相连，三极管Q4的集电极通过第电阻R50与激光二极管LDI 的第3脚相连，激光二极管LDI的第1脚与电源+VCC相连。
如图5所示，调理信号处理单元包括时间数字转换芯片U6、晶振电路和接口电路，时间 数字转换芯片U6和晶振电路、接口电路均相连。时间数字转换芯片U6可选用AC旭公司通用 TDC系列芯片的TDC-GP2芯片。晶振电路包括晶振Y4、电阻R52、 R53、电容C26、 C27。接口 电路包括连接端子START 、 ST0P、 En—Start、 En—Stop、 INTN、 SSN、 SCK、 SI、 S0、 RSTN和 Clkln。调理信号处理单元的具体连接关系为晶振电路的第1脚与数字转换芯片U6的第1 脚相连，晶振电路的第2脚通过电阻R53与数字转换芯片U6的第2脚相连，晶振电路的第l 脚与第2脚之间通过电阻R52相连，连接端子START 、 ST0P、 En—Start、 En一Stop、 I翻、 SSN、 SCK、 SI、 S0、 RSTN和Clkln的一端分别与时间数字转换芯片U6的第31、 30、 32、 26、 8、 9、 10、 11、 12、 16脚相连。另外，连接端子START 、 STOP的另一端分别与图3中的调 制信号输入端A2、图4中的信号输出端子A3相连，连接端子En—Start、 En—Stop、 INTN、 SSN、 SCK、 SI、 S0、 RSTN、 Clkln的另一端均与变送单元中的测距微控制器相连。时间数字转换芯 片U6的第3、 14、 22、 29脚都与电源+VCC相连，第4、 7、 17、 18、 19、 20、 21、 23、 24、 25、 27、 28脚都与电源GND相连。
变送单元包括电源模块、测距微处理器和变送通讯模块，变送通讯模块可使用MAX485芯 片。测距微处理器和激光测距模块的输出端相连，测距微处理器通过变送通讯模块和防撞控 制盒相连。电源模块和测距微处理器、激光测距模块均相连，为它们提供电力。
防撞控制盒包括防撞微处理器、设置键盘、LED显示器、声光报警器、控制继电器、掉电 检测模块和防撞通信模块，防撞通信模块使用MAX485芯片。防撞微处理器和设置键盘、LED显示器、声光报警器、控制继电器、掉电检测模块、防撞通信模块均相连，防撞通信模块和 激光测距变送器相连。防撞微处理器采用AVR系列的单片机。
本实施例通过左侧激光测距变送器和右侧激光测距变送器将激光测距模块的检测数据送 入防撞控制盒的防撞微控制器中，经高性能微处理器处理后实现行车车距、车速等参数的显 示和控制继电器动作信号的输出。它自带控制按键与LED显示器，可手动设定防撞仪的预警 距离和制动距离，当检测到的实时距离小于预警距离和制动距离时，声光报警器报警或控制 继电器产生动作，通过控制继电器的动作控制行车的开断电。防撞控制盒的防撞微控制器的 输入信号来自设置键盘，输出信号为LED显示器、声光报警器和控制继电器，输入输出信号 为变送单元的串行通讯信号。当左右两侧的激光测距变送器中的激光测距模块将行车与其两 侧障碍物间的距离检测到后，将反映距离量的数值交由激光测距变送器中相应的变送单元， 通过变送通信模块传送到防撞控制盒，检测数据经过相应的计算处理，再显示于防撞控制盒 上。若检测距离达到事先由用户设置的预警或制动距离，系统将作出相应的动作。
在本实例，防撞微控制器中的软件流程主要包含了三个方面第一个方面就是接收从变 送器传来的距离值，并将该值实时显示在防撞控制盒上，同时对该值做出分析，判断是否达 到预警距离或制动距离，如达到报警值则声光报警器的报警灯亮，并且声光报警器发出声音， 如达到限制动作值则控制继电器产生动作，另外通过相应的方法得到本车与左右侧障碍物间 的最高相对速度并显示。第二个方面就是参数设置，用户通过防撞控制盒面板上的按键对预 警距离与制动距离等参数进行设置。第三个方面就是处理存储在防撞微处理器内部E2PR0M的 数据,在每次设置完参数后，将本次设置值储存进片内可在线电擦除和电写入的存储器E2PR0M 以备掉电后重新提取。经过实际测试，本实例能很好的实现对行车两侧与障碍物间距离的检 测和显示，稳定性好，操作方便，互换性强，不受工频及其它干扰影响。
权利要求1. 激光测距防撞仪，包括防撞控制盒，其特征在于还包括变送单元和激光测距模块，变送单元和激光测距模块组成激光测距变送器，激光测距变送器和防撞控制盒相连。
2. 如权利要求1所述的激光测距防撞仪，其特征在于所述激光测距变送器包括结构一 样的左侧激光测距变送器和右侧激光测距变送器。
3. 如权利要求1或2所述的激光测距防撞仪，其特征在于所述激光测距模块包括激光 发射驱动单元、激光信号调理单元和调理信号处理单元，激光发射驱动单元与激光信号调理 单元相连，激光信号调理单元的输出端与调理信号处理单元的输入端相连。
4. 如权利要求3所述的激光测距防撞仪，其特征在于所述激光信号调理单元包括前置 放大器、带通滤波器和相敏检波器，前置放大器的输出端接至带通滤波器的输入端，带通滤 波器的输出端接至相敏检波器，相敏检波器的输出端接至变送单元。
5. 如权利要求4所述的激光测距防撞仪，其特征在于所述前置放大器包括光电二极管(PD)，光电二极管(PD)通过无源滤波网络和第一运算放大电路相连，第一运算放大电路包 括第一运算放大器(Ul)，并接有第一端子(Al)。
6. 如权利要求4所述的激光测距防撞仪，其特征在于所述带通滤波器包括第二运算放大电路，第二运算放大电路由第一端子(Al)接受信号输入，包括第二运算放大器(U2)。
7. 如权利要求4所述的激光测距防撞仪，其特征在于所述相敏检波器包括绝缘栅场效 应管(Tl)和第三运算放大电路，第三运算放大电路包括第三运算放大器(U3),构成积分电 路，绝缘栅场效应管(Tl)的栅极与调制信号输入端(A2)相连，绝缘栅场效应管(Tl)的 源极和带通滤波器的输出端、第三运算放大电路均相连，绝缘栅场效应管(Tl)的源极与栅 极间以电阻R20连接，第三运算放大电路接有信号输出端子(A3)。
8. 如权利要求3所述的激光测距防撞仪，其特征在于所述激光发射驱动单元包括激光 二极管(LDI)和激光二极管驱动电路，激光二极管驱动电路包括第四运算放大器(U4)和第 五运算放大器(U5)，激光二极管(LDI)和激光二极管驱动电路相连。
9. 如权利要求3所述的激光测距防撞仪，其特征在于所述调理信号处理单元包括所述 调理信号处理单元包括时间数字转换芯片(U6)、晶振电路和接口电路，时间数字转换芯片(U6) 和晶振电路、接口电路均相连。
10. 如权利要求1或2所述的激光测距防撞仪，其特征在于所述变送单元包括电源单 元、测距微处理器和变送通讯模块，测距微处理器和激光测距模块的输出端相连，测距微处 理器通过变送通讯模块和防撞控制盒相连，电源模块和测距微处理器、激光测距模块均相连。
专利摘要本实用新型提供了一种激光测距防撞仪，其包括防撞控制盒、变送单元和激光测距模块，变送单元和激光测距模块组成激光测距变送器，激光测距变送器和防撞控制盒相连。该防撞仪实时性强，精度高，可靠性好，使用较方便。
文档编号G01S17/00GK201226026SQ200820066179
公开日2009年4月22日 申请日期2008年3月25日 优先权日2008年3月25日
发明者刘教瑜, 周克贵, 闫东磊, 堃 陈, 黄少军 申请人:武汉理工大学