一种带AGC双路检测电子篱笆传感器的制作方法

本发明涉及电气测量技术领域，尤其涉及一种带agc双路检测电子篱笆传感器。

背景技术：

自动割草机被广泛用于家庭草坪的维护和修剪，草坪用金属导线布置边界线来划定割草区域；电子篱笆传感器用于探测割草区域的边缘，是自动割草机最重要的传感器，它可以使割草机不走出工作的有效区域，电子篱笆传感器感应基站发出一定频率、间歇式脉冲信号，感应线圈在靠近通有脉冲电流的边界线时，会产生特定频率的感应电流，根据检测信号幅值的大小可以得到割草机是否接近边界的信息；同时，通过检测信号的脉冲时序，来判定割草机所处位置是界内或界外，如在界外，割草机及时做出调整，使其回归界内。

现有的电子篱笆传感器检测信号时灵敏度低、动态范围小、信号处理速度慢；

鉴于此，为克服上述缺陷，提供一种带agc双路检测电子篱笆传感器成为本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种带agc双路检测电子篱笆传感器，灵敏度高、动态范围大、信号处理速度快，能快速识别割草机所处边界内外位置。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种带agc双路检测电子篱笆传感器，在基站发送间歇式脉冲电流注入边界线产生交变电磁场后，电子篱笆传感器设于割草机上通过感应边界线来判定割草机所处位置是界内或界外，其特征在于：所述电子篱笆传感器包括：电感器单元、低噪声放大单元、信号切换电路、agc放大单元、边界内外识别电路、单片机单元和集成稳压器；所述电感器单元、低噪声放大单元、信号切换电路、agc放大单元、边界内外识别电路和单片机单元依次电连接，所述单片机单元与信号切换电路电连接且所述单片机单元输出端连接于割草机；所述集成稳压器的输入端外接电源，所述集成稳压器、agc放大单元和边界内外识别电路外接电源，所述集成稳压器的输出端连接低噪声放大单元、信号切换电路、agc放大单元、边界内外识别电路和单片机单元；所述电感器单元用于对边界线进行双路感应并产生脉冲信号，所述电感器单元包括两个分别位于割草机左右两侧车轮上的电感器；所述低噪声放大单元用于对脉冲信号进行放大，所述低噪声放大单元包括两个低噪声放大器，所述低噪声放大器与电感器分别对应连接；所述信号切换电路用于对放大后的双路脉冲信号进行自动切换和拾取；所述agc放大单元用于进行增益调整并对拾取的脉冲信号放大得到三电平脉冲信号，所述agc放大器为两级级联的agc放大器；所述边界内外识别电路用于将经过agc放大单元放大后的三电平脉冲信号转化为二电平脉冲信号并产生两路时序脉冲输入到单片机单元；所述单片机单元用于根据两路时序脉冲判定割草机所处边界内外位置并输出检测信号至割草机；所述单片机单元还产生切换控制信号并输出至信号切换电路。

按以上方案，所述电感器单元包括第一电感器l1和第二电感器l2，所述第一电感器l1设于割草机的左前轮，所述第二电感器l2设于割草机的右前轮；分别用于检测割草机左侧和右侧是否出界。

按以上方案，所述低噪声放大单元包括连接于第一电感器l1的第一低噪声放大器和连接于第二电感器l2的第二低噪声放大器；所述第一低噪声放大器包括低噪声三极管v1，电阻r1、r2、r3和r4，耦合电容c1和滤波电容c2；所述低噪声三极管v1的发射极连接于集成稳压器的输出端，集电极串联电阻r4后接地，基极串联电阻r3后连接于第一电感器l1一端，所述低噪声三极管v1的集电极依次串联耦合电容c1和滤波电容c2后连接于第一电感器l1另一端，所述耦合电容c1和滤波电容c2的中间节点连接于集成稳压器的输出端，所述耦合电容c1和滤波电容c2的中间节点和电阻r3之间串联电阻r1，所述低噪声三极管v1的集电极和基极之间串联电阻r2，所述低噪声三极管v1的集电极为第一低噪声放大器的输出端；所述第一低噪声放大器的增益为其中，参数β为低噪声三极管v1的放大倍数，参数rbe为低噪声三极管v1输入电阻；所述第二低噪声放大器和第一低噪声放大器的结构相同；第一低噪声放大器和第二低噪声放大器分别对第一电感器l1和第二电感器l2获取的信号进行低噪声放大，进一步提高检测的灵敏度。

按以上方案，所述信号切换电路包括模拟电子开关u1，模拟电子开关u1包括电源端、第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，电源端连接于集成稳压器的输出端，第一输入端连接于第一低噪声放大器的输出端，第二输入端连接于第二低噪声放大器的输出端，第三输入端连接于单片机单元用于输入单片机单元提供的切换控制信号。

按以上方案，所述agc放大单元包括第一级agc放大器和连接于第一级agc放大器输出端的第二级agc放大器；所述第一级agc放大器包括第一运算放大器u2d、电阻r5、电阻r6、电阻r7和二极管d1，所述第一运算放大器u2d的同向输入端连接于集成稳压器的输出端，反向输入端串联电阻r5后连接于信号切换电路的输出端，所述第一运算放大器u2d的反向输入端和输出端之间串联电阻r6和r7，电阻r7两端并联二极管d1；所述第二级agc放大器包括第二运算放大器u2a、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、二极管d2和二极管d3，所述第二运算放大器u2a的同向输入端连接于集成稳压器的输出端，反向输入端串联电阻r8后连接于第一运算放大器u2d的输出端，所述第二运算放大器u2a的反向输入端和输出端之间串联电阻r9、r10和r11，电阻r10两端并联二极管d2，电阻r11两端并联二极管d3；所述第二运算放大器u2a的电源端外接电源；第一级agc放大器的增益为k2；二极管d1截止时，k2＝(r6+r7)/r5；二极管d1导通时，k2＝r6/r5，增益k2的调整范围：k2＝(r6+r7)/r5～r6/r5；第二级agc放大器的增益为k3；r11的阻值大于r10的阻值，二极管d3导通，d2后导通；当d2、d3截止时，k3＝(r9+r10+r11)/r8；当d3导通且d2截止时，k3＝(r9+r10)/r8；当d2、d3导通时，k3＝r9/r8，增益k3的调整范围为：k3＝(r9+r10+r11)/r8～(r9+r10)/r8～r9/r8；所述低噪声放大单元和agc放大单元的总增益k＝k1k2k3，可进行6级增益调节；具有高灵敏度和宽动态范围性能。

按以上方案，所述边界内外识别电路包括反相器、偏置电路、第一比较电路和第二比较电路；

所述偏置电路包括串联连接的电阻r17和电阻r18，电阻r18连接集成稳压器的输出端，电阻r17接地；

所述第一比较电路包括第一比较器u3b、电阻r14、r15和r16，第一比较器u3b的同向输入端串联电阻r14后连接第二级agc放大器的输出端，第一比较器u3b的反向输入端连接电阻r17和电阻r18的中间节点，所述第一比较器u3b的同向输入端串联电阻r15后连接第一比较器u3b的输出端，第一比较器u3b的输出端串联电阻r16后连接集成稳压器的输出端；

所述反相器包括第三运算放大器u2b、电阻r12和电阻r13，其中，r12和r13的阻值相同；所述第三运算放大器u2b的同向输入端连接于集成稳压器的输出端，第三运算放大器u2b的反向输入端串联电阻r12后连接于第二级agc放大器的输出端，第三运算放大器u2b的反向输入端串联电阻r13后连接第三运算放大器u2b的输出端；

所述第二比较电路包括第二比较器u3a、电阻r19、电阻r20和电阻r21，第二比较器u3a的同向输入端串联电阻r19后连接于第三运算放大器u2b的输出端，第二比较器u3a的反向输入端连接电阻r17和电阻r18的中间节点，所述第二比较器u3a的同向输入端串联电阻r20后连接第二比较器u3a的输出端，第二比较器u3a的输出端串联电阻r21后连接集成稳压器的输出端，第二比较器u3a的电源端外接电源。

按以上方案，所述单片机单元包括单片机u4和连接于单片机u4用于将传感器连接至割草机的通信接头，所述单片机u4的电源端连接集成稳压器的输出端，单片机u4的信号输入端连接第一比较器u3b和第二比较器u3a的输出端，单片机u4的信号输出端连接通信接头，单片机u4还连接至模拟电子开关u1的第三输入端输入切换控制信号，所述切换控制信号为用于对低噪声放大单元放大后的双路脉冲信号进行交替拾取的交替检测信号。

按以上方案，所述单片机u4采用的是stc12c5410芯片；该芯片在8051单片机标准的内核结构上进行了较大改进推出的增强型单片机，从内核到指令完全兼容8051单片机，具有高速、低功耗的特点，从单片机u4选型上来提高传感器的检测灵敏度和信号处理速度。

按以上方案，所述集成稳压器采用的是78m05芯片，具有在过流过热时关断的保护功能，不易损坏器件。

本发明具有如下有益效果：自动割草机在左前轮和右前轮两侧配置本发明中的第一电感器和第二电感器，用来检测车轮处于边界线内或外状态，双路感应可简化传感器电路和机械安装结构；电感器获取感应信号由低噪声三极管放大器放大，相比运算放大器放大电路，具有更低噪声；两级带自动增益控制(agc)放大器，通过控制3个二极管导通，具有6级增益调节能力，使传感器具有高灵敏度和宽动态范围性能；边界内外识别电路采用硬件逻辑处理方式把三电平脉冲信号转化为二电平脉冲信号，得到两路时序脉冲输入到单片机，可快速判定割草机所处边界内外位置，信号处理速度快，提高电子篱笆传感器探测范围，从而提高自动割草机整机性能；在不增加产品成本前提下，给企业带来良好经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例整体结构框图；

图2为本发明实施例中电感器单元、低噪声放大单元和信号切换电路的电路原理图；

图3为本发明实施例中agc放大单元的电路原理图；

图4为本发明实施例中边界内外识别电路的电路原理图；

图5为本发明实施例中单片机单元的电路原理图；

图6为本发明实施例中集成稳压器的电路原理图；

图7为本发明实施例中边界内外识别信号时序图。

附图标记：

1、电感器单元；

2、低噪声放大单元；201、第一低噪声放大器；202、第二低噪声放大器；

3、信号切换电路；

4、agc放大单元；401、第一级agc放大器；402、第二级agc放大器；

5、边界内外识别电路；501、反相器；502、偏置电路；503、第一比较电路；504、第二比较电路；

6、单片机单元；

7、集成稳压器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参考图1至图7，本发明为一种带agc双路检测电子篱笆传感器，电子篱笆传感器设于割草机上；参阅图1，基站连接边界线，边界线是由金属构成的，基站和边界线不是电子篱笆传感器的组成部分，只是用于说明电子篱笆传感器工作过程完整性；基站发送间歇式脉冲电流注入边界线产生交变电磁场，电子篱笆传感器感应边界线上的电磁信号来判定割草机所处位置是界内或界外；电子篱笆传感器包括：电感器单元1、低噪声放大单元2、信号切换电路3、agc放大单元4、边界内外识别电路5、单片机单元6和集成稳压器7；电感器单元1、低噪声放大单元2、信号切换电路3、agc放大单元4、边界内外识别电路5和单片机单元6依次电连接，单片机单元6与信号切换电路3电连接且所述单片机单元6输出端连接于割草机；集成稳压器7的输入端外接电源v+，集成稳压器7的输出端连接低噪声放大单元2、信号切换电路3、agc放大单元4、边界内外识别电路5和单片机单元6；

参阅图2，电感器单元1用于对边界线进行双路感应并产生脉冲信号，电感器单元1包括第一电感器l1和第二电感器l2，第一电感器l1设于割草机的左前轮，第二电感器l2设于割草机的右前轮；

低噪声放大单元2用于对电感器单元1产生的脉冲信号进行放大，其包括连接于第一电感器l1的第一低噪声放大器201和连接于第二电感器l2的第二低噪声放大器202；本实施例中，第一电感器l1和第二电感器l2均为100mh电感器，在铁氧体工字型磁芯上绕制而成。

第一低噪声放大器201包括低噪声三极管v1，电阻r1、r2、r3和r4，耦合电容c1和滤波电容c2；低噪声三极管v1的发射极连接于集成稳压器7的输出端获取工作电压vcc，集电极串联电阻r4后接地，基极串联电阻r3后连接于第一电感器l1一端，低噪声三极管v1的集电极依次串联耦合电容c1和滤波电容c2后连接于第一电感器l1另一端，耦合电容c1和滤波电容c2的中间节点连接于集成稳压器7的输出端获取工作电压vcc，耦合电容c1和滤波电容c2的中间节点和电阻r3之间串联电阻r1，低噪声三极管v1的集电极和基极之间串联电阻r2，低噪声三极管v1的集电极为第一低噪声放大器201的输出端s1；第一低噪声放大器201为电路组态模式共发放大器，第一电感器l1获取感应信号经r3输入到v1基极，信号由v1集电极输出，电阻r1、r2、r3和r4直流偏置电路502，提供放大器静态工作点；其次，r2、r3和r4调整放大器增益k1，r4是输出负载电阻，r2是反馈电阻稳定直流工作点和交流增益，c1为耦合电容，c2是滤波电容；第一低噪声放大器201的增益为其中，参数β为低噪声三极管v1的放大倍数，参数rbe为低噪声三极管v1输入电阻；本实施例中，低噪声三极管v1采用bc560三极管，其噪声系数nf＝2.0db，r1＝1k、r2＝47k、r3＝2.2k、r4＝20k，增益k1＝12.5，k1＝12.5放大倍数由multisim仿真软件仿真所得；第二低噪声放大器202和第一低噪声放大器201的结构相同，第二低噪声放大器202的输出端为s2，在此不做赘述，第二低噪声放大器202的增益也为k1。

信号切换电路3用于对低噪声放大单元2放大后的双路脉冲信号进行自动切换和拾取，信号切换电路3包括模拟电子开关u1，本实施例中，模拟电子开关u1采用74hc4053芯片，模拟电子开关u1包括电源端、第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，电源端为16脚连接于集成稳压器7的输出端获取工作电压vcc，第一输入端为2脚连接于第一低噪声放大器201的输出端s1，第二输入端为1脚连接于第二低噪声放大器202的输出端s2，第三输入端为10脚连接于单片机单元6用于输入单片机单元6提供的切换控制信号ctl，输出端为74hc4053芯片的15脚，模拟电子开关u1的电源端16脚和输出端15脚之间还串联有隔直电容c3。

参阅图3，agc放大单元4用于进行增益调整并对信号切换电路3拾取的脉冲信号放大得到三电平脉冲信号(v+、vcc、gnd)，所述agc放大器为两级级联的agc放大器，包括第一级agc放大器401和连接于第一级agc放大器401输出端的第二级agc放大器402；第一级agc放大器401包括第一运算放大器u2d、滤波电容c4、电阻r5、电阻r6、电阻r7和二极管d1，第一运算放大器u2d的同向输入端连接于集成稳压器7的输出端获取vcc，反向输入端串联滤波电容c4和电阻r5后连接于信号切换电路3的输出端，所述第一运算放大器u2d的反向输入端和输出端之间串联电阻r6和r7，电阻r7两端并联二极管d1；第二级agc放大器402包括第二运算放大器u2a、滤波电容c5、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、二极管d2和二极管d3，第二运算放大器u2a的同向输入端连接于集成稳压器7的输出端获取vcc，反向输入端串联滤波电容c5和电阻r8后连接于第一运算放大器u2d的输出端，所述第二运算放大器u2a的反向输入端和输出端之间串联电阻r9、r10和r11，电阻r10两端并联二极管d2，电阻r11两端并联二极管d3；第二运算放大器u2a的正电源端外接电源v+，负电源端接地；

第一级agc放大器401的增益为k2，通过控制二极管d1截止或导通从而调整增益k2；二极管d1截止时，k2＝(r6+r7)/r5；二极管d1导通时，k2＝r6/r5，增益k2的调整范围：k2＝(r6+r7)/r5～r6/r5；

第二级agc放大器402的增益为k3，通过控制二极管d2和d3截止或导通从而调整增益k3；r11的阻值大于r10的阻值，二极管d3导通，d2后导通；当d2、d3截止时，k3＝(r9+r10+r11)/r8；当d3导通且d2截止时，k3＝(r9+r10)/r8；当d2、d3导通时，k3＝r9/r8，增益k3的调整范围为：k3＝(r9+r10+r11)/r8～(r9+r10)/r8～r9/r8；结合低噪声放大单元2的增益k1，本发明传感器的总增益k＝k1k2k3，通过控制3个二极管d1、d2和d3的导通，可进行6级增益调节，实现放大电路高增益、高灵敏度和宽动态范围；

本实施例中，第一运算放大器u2d和第二运算放大器u2a均为u2芯片lm324中的运算放大器，第一级agc放大器401中，r5＝5.6k、r6＝20k、r7＝100k、二极管d1型号为bas70-04，d1选用肖特基二极管，导通电压0.4v，增益更容易起控调整，增益k2的调整范围为：3.6～21.4；第二级agc放大器402中，r8＝2.7k、r9＝10k、r10＝360k、r11＝2.7k、二极管d2和d3的型号均为bas70-04，增益k3的调整范围为：1～4.7～18.0；结合增益k1＝12.5，根据电压增益(db)＝20lg电压放大倍数，本发明传感器信号放大的总增益k具有6级调节：第一级，k1＝12.5、k2＝3.6、k3＝1，k＝k1k2k3＝45即33.1db；第二级，k1＝12.5、k2＝3.6、k3＝4.7，k＝k1k2k3＝211.3即45.5db；第三级，k1＝12.5、k2＝21.4、k3＝1，k＝k1k2k3＝267.5即48.5db；第四级，k1＝12.5、k2＝3.6、k3＝18，k＝k1k2k3＝810即58.2db；第五级，k1＝12.5、k2＝21.4、k3＝4.7，k＝k1k2k3＝1256即62db；第六级，k1＝12.5、k2＝21.4、k3＝18，k＝k1k2k3＝4812即73.6db。

参阅图4，边界内外识别电路5用于将经过agc放大单元4放大后的三电平脉冲信号(v+、vcc、gnd)转化为二电平脉冲信号(vcc、gnd)并产生两路时序脉冲输入到单片机单元6，边界内外识别电路5包括反相器501、偏置电路502、第一比较电路503和第二比较电路504；

偏置电路502包括串联连接的电阻r17和电阻r18，电阻r18连接集成稳压器7的输出端获取vcc，电阻r17接地；r17与r18分压得偏置电压va且满足va＜vcc；

第一比较电路503包括第一比较器u3b、电阻r14、r15和r16，第一比较器u3b的同向输入端串联电阻r14后连接第二级agc放大器402的输出端uo，第一比较器u3b的反向输入端连接电阻r17和电阻r18的中间节点，第一比较器u3b的同向输入端串联电阻r15后连接第一比较器u3b的输出端，第一比较器u3b的输出端串联电阻r16后连接集成稳压器7的输出端获取vcc；

反相器501包括第三运算放大器u2b、电阻r12和电阻r13，其中，r12和r13的阻值相同；第三运算放大器u2b的同向输入端连接于集成稳压器7的输出端获取vcc，第三运算放大器u2b的反向输入端串联电阻r12后连接于第二级agc放大器402的输出端，第三运算放大器u2b的反向输入端串联电阻r13后连接第三运算放大器u2b的输出端获取输入信号uo，实现输入输出信号反相功能；

第二比较电路504包括第二比较器u3a、电阻r19、电阻r20和电阻r21，第二比较器u3a的同向输入端串联电阻r19后连接于第三运算放大器u2b的输出端获取反向的输出信号-uo，第二比较器u3a的反向输入端连接电阻r17和电阻r18的中间节点，所述第二比较器u3a的同向输入端串联电阻r20后连接第二比较器u3a的输出端，第二比较器u3a的输出端串联电阻r21后连接集成稳压器7的输出端，第二比较器u3a的正电源端外接电源v+，负电源端接地；边界内外识别电路5实现了三电平(v+、vcc、gnd)脉冲信号转化为二电平(vcc、gnd)脉冲信号，直接与单片机单元6相连用于进行信号处理；

本实施例中，反相器501中的第三运算放大器u2b为芯片lm324中的运算放大器、电阻r12和r13的阻值相等；偏置电路502中，r17＝150k、r18＝9.1k，分压后va＝4.71v，小于u3的偏置电压vcc；第一比较器u3b和第二比较器u3a为芯片lm393，第一比较电路503中，r14＝3.9k、r15＝100k、r16＝10k，第一比较器u3b、r14、r15和r16构成正反馈产生一个回差电压，其值为0.18v，防止第一比较器u3b在va点振荡，第一比较器u3b输出out1时序脉冲；第二比较电路504中，r19＝3.9k、r20＝100k、r21＝10k，第二比较器u3a、r19、r20和r21构成正反馈产生一个回差电压，其值为0.18v，防止第二比较器u3a在va点振荡，第二比较器u3a输出out2时序脉冲。

参阅图5，单片机单元6用于根据边界内外识别电路5产生的两路时序脉冲判定割草机所处边界内外位置并输出检测信号至割草机；单片机单元6还产生切换控制信号并输出至信号切换电路3；单片机单元6包括单片机u4和连接于单片机u4用于将传感器连接至割草机的串行通信接头p1，本实施例中，单片机u4采用的是stc12c5410芯片；单片机u4的电源端20脚连接集成稳压器7的输出端获取工作电压vcc，单片机u4的信号输入端6脚和7脚连接第一比较器u3b和第二比较器u3a的输出端获取out1和out2时序脉冲，单片机u4的信号输出端2脚和3脚连接通信接头p1，单片机u4的12脚还连接至模拟电子开关u1的第三输入端10脚输入切换控制信号，所述切换控制信号为用于对低噪声放大单元2放大后的双路脉冲信号进行交替拾取的交替检测信号，位于割草机左前轮的第一电感器l1检测2s后，位于割草机右前轮的第二电感器l2再检测2s，交替进行，交替检测信号由单片机设置。

参阅图6，本实施例中，集成稳压器7采用78m05芯片，集成稳压器7的输入端1脚外接电源v+，输出端3脚输出电压vcc，接地端2脚接地；输入端1脚串联电容c6后接地，电容c6两端并联有电容c7，输出端3脚串联电容c9后接地，电容c8两端并联有电容c9，电容c6、c7、c8和c9用作滤波，增强电路抗干扰性；本实施例中，外接电源v+为9v，集成稳压器7的输出电压vcc为5v。

参阅图7，本实施例中，基站间歇式发送2个50us、间隔15ms脉冲信号，电感器感应信号经多级放大器放大后得三电平(v+、vcc、gnd)脉冲信号uo或-uo，信号注入到第一比较器u3b和第二比较器u3a，得到二电平(vcc、gnd)out1、out2时序脉冲，输入单片机解析并判定割草机所处于界内或界外位置。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。