基于光敏阵列的位移传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及位移传感器技术领域，特别是基于阵列贴片光敏的位移传感器。
【背景技术】
[0002]传感器是利用某种转换原理，将物理的、化学的、生物的等外界信号变成可以直接测量的电信号的装置。在实现生产自动化的过程中，采用适当的传感器是十分重要的。近年来，在传感器测量技术中，越来越广泛地运用了超声、微波、激光灯声、光、电技术来解决不同工业领域中遇到的特殊测量问题和提高性能的要求。
[0003]常见的激光光斑中心测量方法多基于CCD采集激光光斑图像，用数字图像处理的方式进行识别。受限于CCD尺寸，激光光斑发散，因此无法进行较远目标的测量，激光光斑发散严重时，其识别准确性快速降低。因采用成本高昂的CCD和复杂的图像处理软件，导致整体成本较高，且测量数据不方便导出。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的问题，本发明改变了采用CCD采集激光光斑图像再分析的做法，而是采用阵列的光敏传感器例如P880贴片光敏阵列的位移传感器，其通过电路直接测读光敏电阻上的阻值，通过激光照射前后其上的电压值变化识别激光光斑中心。因此其能大幅度降低环境光强影响，采集点数为60个，量程为60mm，智能识别激光光斑中心，提高测量准确度，并且通过433MHz波段无线局域网络，将测量数据上传至汇总节点。
[0005]本发明的技术方案是这样的:
本发明的基于P880贴片光敏阵列的激光位移传感器，有以下功能:a)测量激光照射的位置和位移；b)与汇总节点通信；c) 3.7V锂电池供电并可以循环充电。为实现以上功能，电路板共有以下几个功能区:a)光敏阵列电路；2)充电稳压电路；c)通信电路。
[0006]因此，该传感器包括:(1)实现测量激光照射的位置和位移的光敏阵列电路；(2)实现对锂电池供电并可以循环充电的充电稳压电路；(3)实现与汇总节点通信的通信电路。汇总节点指的是在局域网内存在多个通讯节点，为保数据传输的稳定性，其会先汇集到汇总节点，然后通过汇总节点往外传输。
[0007]其中，光敏阵列电路采用感应红外激光的贴片光敏三极管P880，感光范围400~1100nm，封装为0603，光敏电阻并排排列，间距为1mm，共60个，量程60mm，用来感应水平移动的激光光斑。当感应到不同光强时，光敏电阻的基极感应的电流也不同，CE极之间电流就会发生变化，串联电阻R1，其两端的电压就会发生改变，测量IN_1处的电压，即可得到光强。
[0008]60个光敏电阻的60路电压采集需要60路模数转换器(ADC)，选用STM32F103芯片作为主控芯片。该芯片是意法半导体(ST)公司推出的新型ARM处理器，内核基于先进的Cortex-M3架构，最高主频支持72MHz，集成强大的单周期硬件乘法和硬件除法能力，使该芯片具有很强的处理能力。其内部拥有16通道的ADC (CHANNEL1~CHANNEL16)，最快转换速度可达IM SPSo设计将60路电压分为4组，每组用NPN三极管控制其通电或关闭，则可以分时复用内部的16通道ADC，从而节省成本。
[0009]进一步的，充电稳压电路采用TP4056锂电池充电管理芯片，充电电压固定于4.2V，充电电流利用外部电阻调节；当电池电压达到预设值后，电流自动降至预设值的1/10，芯片将自动停止充电；当充电器被拿掉，TP4056自动进入低电流状态，漏电流降至2uA以下；电池采用3.7V比克电芯的聚合物锂电池，容量为5000mAh，带保护板。
[0010]通信电路采用USB转串口的芯片CH340G，连接STM32F103的串口和电脑的USB接口，将数据通过串口发送到上位机，即发出操控命令的计算机或数据中心。通信电路使用433MHz无线数据传输模块，将数据通过无线局域网上传至汇总节点。
[0011]本发明的有益效果:
I)采用更小封装的光敏元件，减少检测点的间距，提高分辨率，位移量测更精准；阵列更多的光敏元件，可有效提高设备量程。
[0012]2)采用分时复用ADC的设计，有效降低传感器成本，增强传感器的可扩展性。
[0013]3)传感器的数据采集方式为先测环境光强，后测激光照射下的光强，从而可有效排除环境干扰，增强传感器的抗干扰能力和灵敏度。
[0014]4)通过433MHz波段的无线局域数据网络传输采样数据和结果，便于传感器组网，集群工作。
[0015]5)采用大容量带保护板的聚合物锂电池，增强传感器续航能力和安全可靠性，更加适合在野外工作时使用。
【附图说明】
[0016]图1是光敏阵列示意图；
图2是光敏电阻电压测量原理图；
图3是60路光敏电压采集示意图；
图4是充电电路示意图；
图5是通信电路的USB转串口电路示意图；
图6是无线数据传输模块示意图；
图7是传感器的程序流程图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0018]本发明的这种基于P880贴片光敏阵列的激光位移传感器，有以下功能:a)识别激光光斑和换算光斑中心及位移；b)与汇总节点通信；c) 3.7V锂电池供电并可以循环充电。为实现以上功能，电路板共有以下几个功能区:a)光敏阵列电路；2)充电稳压电路；c)通信电路。
[0019]I)光敏阵列电路
采用感应红外激光的贴片光敏三极管P880，感光范围400~1100nm，封装为0603，光敏电阻并排排列，间距为1mm，共60个，量程60mm，用来感应水平移动的激光光斑，如图1所不O
[0020]如图2所示，当感应到不同光强时，光敏电阻的基极感应的电流也不同，CE极之间电流就会发生变化，串联电阻R1，其两端的电压就会发生改变，测量IN_1处的电压，即可得到光强。
[0021]60路电压采集需要60路模数转换器(ADC)，选用STM32F103芯片作为主控芯片。该芯片是意法半导体(ST)公司推出的新型ARM处理器，内核基于先进的Cortex-M3架构，最高主频支持72MHz，集成强大的单周期硬件乘法和硬件除法能力，使该芯片具有很强的处理能力。其内部拥有16通道的ADC (CHANNEL1~CHANNEL16)，最快转换速度可达IM SPS。
[0022]设计将60路电压分为4组，每组用NPN三极管控制其通电或关闭，则可以分时复用内部的16通道ADC，从而节省成本，如图3所示。
[0023]2)充电稳压
充电采用TP4056锂电池充电管理芯片，充电电压固定于4.2V，充电电流利用外部电阻调节。当电池电压达到预设值后，电流自动降至预设值的1/10，芯片将自动停止充电。当充电器被拿掉，TP4056自动进入低电流状态，漏电流降至2uA以下。适合便携式设备充电稳压应用。电池采用3.7V比克电芯的聚合物锂电池，容量为5000mAh，带保护板，充电电路，如图4所示。
[0024]3)通信电路
采用USB转串口的芯片CH340G，连接STM32F103的串口和电脑的USB接口，将数据通过串口发送到上位机。该芯片支持全速USB2.0，仿真标准串口，硬件全双工，内置收发缓冲区，支持波特率高达2M bps，并支持常用的MODEM联络信号RTS、DTR、DCD、R1、DSR、CTS。其与STM32F103连接电路如图5所示。
[0025]同时，使用433MHz无线数据传输模块，将数据通过无线局域网上传至汇总节点。如图6所示。
[0026]如图7所示，程序控制光敏阵列分时进行数据采集、数据处理及传输。依次控制S1-S4端口打开，等待光敏电阻完全打开，再依次进行ADC采样转换，得到电压值，完成一次光强采集。系统上电后初始化，首先，进行一次光强采集，确定环境光强阈值；随后，系统进入等待命令的状态。通过433MHz无线数据网络接收到采集命令后，传感器在2秒钟内完成10次光强采集。根据初始环境光强阈值和采集到的10次光强，判断每一检测点的照射情况。同时，根据光强增量，确定激光光斑影响区间，确定光斑中心及换算位移量。
[0027]本发明的这种传感器是这样实施的:当激光照射传感器的光敏阵列时，通过上位机或者无线数据网络发送采集指令，传感器开始采集。数据处理后，通过串口或者无线数据网络将采集数据和结果发送到上位机或汇总节点。
[0028]当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于光敏阵列的激光位移传感器，其特征在于它包括:(I)实现测量激光光斑，换算激光光斑中心和位移的光敏阵列电路；(2)实现对锂电池供电并可以循环充电的充电稳压电路；(3)实现与汇总节点通信的通信电路。2.根据权利要求1所述的基于光敏阵列的激光位移传感器，其特征在于:所述光敏阵列电路采用感应红外激光的贴片光敏三极管P880，感光范围400~1100nm，封装为0603，光敏电阻并排排列，间距为1mm，共60个，量程60mmo3.根据权利要求2所述的基于光敏阵列的激光位移传感器，其特征在于:60个光敏电阻的60路电压采集采用60路模数转换器ADC，选用STM32F103芯片作为主控芯片；将60路电压分为4组，每组用NPN三极管控制其通电或关闭，则可以分时复用内部的16通道ADC。4.根据权利要求1所述的基于光敏阵列的激光位移传感器，其特征在于:所述充电稳压电路采用TP4056锂电池充电管理芯片，充电电压固定于4.2V，充电电流利用外部电阻调节；当电池电压达到预设值后，电流自动降至预设值的1/10，芯片将自动停止充电；当充电器被拿掉，TP4056自动进入低电流状态，漏电流降至2uA以下；电池采用3.7V比克电芯的聚合物锂电池，容量为5000mAh，带保护板。5.根据权利要求1所述的基于光敏阵列的激光位移传感器，其特征在于:所述通信电路采用USB转串口的芯片CH340G，连接STM32F103的串口和电脑的USB接口，将数据通过串口发送到上位机。6.根据权利要求5所述的基于光敏阵列的激光位移传感器，其特征在于:所述通信电路使用433MHz无线数据传输模块，将数据通过无线局域网上传至汇总节点。
【专利摘要】本发明公开了一种基于光敏阵列的激光位移传感器，它包括：（1）实现测量激光光斑，换算激光光斑中心及位移变化的光敏阵列电路；（2）实现对锂电池供电并可以循环充电的充电稳压电路；（3）实现与汇总节点通信的通信电路。本发明采用0805或其它封装的光敏元件，有效减少检测点的间距，分辨率得到提高，检测位移更将精密。采用分时复用ADC的设计，有效降低传感器成本，增强传感器的可扩展性。传感器通过每次先测环境光强，后测激光光斑，增强传感器的抗干扰能力和灵敏度。通过433MHz波段的无线局域数据网络传输采样数据和结果，便于传感器组网，集群工作。采用大容量带保护板的聚合物锂电池，增强传感器续航能力和安全可靠性。
【IPC分类】G01B11/02
【公开号】CN104976956
【申请号】CN201510168047
【发明人】李跃伟, 曹亚萍
【申请人】李跃伟, 贵州宏信达交通建设技术咨询有限公司
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年4月10日