CN102540196A

CN102540196A - 基于激光测距的汽车防撞传感器

Info

Publication number: CN102540196A
Application number: CN2011104506451A
Authority: CN
Inventors: 朱金荣; 唐开远
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明涉及一种基于脉冲激光测距的汽车防撞报警，属于电子技术领域，本发明通过设置以单片机STC12C5A60S2为核心的控制电路以及激光发射电路、激光接收放大电路和相关电路，在相应程序的支持下，激光脉冲信号经分光镜分光后，一路经反光镜反光，直接被PIN接收电路接收，另一路脉冲激光被前方车辆反射，然后被APD激光接收电路接收，两路脉冲激光都分别经时刻鉴别电路精确校正其接收时刻后送给单片机主控电路处理，实时监控本车与前车的距离，本发明与各种车辆配套可以在一定程度上减少交通事故的发生率、避免交通事故的财产损失和人员伤亡，本发明量程大、方向性强、响应时间快、抗干扰强且精度较高，结构简单，实用性强，具有显著的经济效益和社会效益。

Description

基于激光测距的汽车防撞传感器

技术领域

本发明涉及一种基于激光测距的汽车防撞传感器，适用于安装在各种汽车上，属于电子技术领域。

背景技术

目前汽车防撞的手段还主要集中在能够吸收尽可能多的撞击能量的车架和车体、更合理受力的安全气囊和安全带等。这些被动防护手段可以在发生事故时保护车内人员的安全，从而降低交通事故的死亡人数。然而，最终要解决的是能够拯救更多生命、更多伤者和节省更多金钱的办法。

目前基于激光测距的汽车防撞传感器主要是超声波测距传感器（这句话是否有问题）。由于超声波能量与距离的平方成正比而衰减的，故距离越远，反射回的超声波越少，灵敏度下降，其作用距离只能达到几米到十几米，一般被用作倒车雷达。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光测距的汽车防撞传感器，克服现有超声波测距传感器存在的上述不足，将本发明配套在各种车辆上，可以精确测量出本车与目标车辆之间的距离，用户可以用它来扩展其他功能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种基于激光测距的汽车防撞传感器，其特征是，所述的传感器包括以单片机AT89S52为核心的主控电路，激光发射电路、APD激光接收放大电路、PIN激光接收放大电路以及为激光发射电路和APD激光接收放大电路提供偏置电压的高压发生电路，时间间隔测量模块，时刻鉴别电路、电源电路、分光镜和反光镜；单片机主控电路的I/O口接激光发射电路的激光发射启动端，激光脉冲信号经分光镜分光后，一路经反光镜反光，直接被PIN接收放大电路接收，另一路脉冲激光被前方车辆反射，然后被APD激光接收放大电路接收，两路脉冲激光都分别接时刻鉴别电路的输入端，时刻鉴别电路的输出端接时间间隔测量模块的输入端，时间间隔测量模块与单片机相连，高压发生电路的输出端分别接激光发射电路和激光接收电路的高压输入端。

本发明通过设置以单片机AT89S52为核心的控制电路以及激光发射电路、激光接收放大电路和相关电路，在相应程序的支持下，单片机给激光发射电路一个激光发射启动信号，控制激光发射电路发出脉冲激光，激光脉冲信号经分光镜分光后，一路经反光镜反光，直接被PIN接收放大电路接收，另一路脉冲激光被前方车辆反射，然后被APD激光接收放大电路接收，两路脉冲激光都分别经时刻鉴别电路精确校正其接收时刻后送给单片机主控电路处理，时间间隔测量模块计算脉冲激光发射和回波信号到达之间的时间间隔，然后传给单片机，单片机计算出前方车辆与激光测距仪之间的距离。本发明与各种车辆配套可以在一定程度上减少交通事故的发生率、避免交通事故的财产损失和人员伤亡，本发明量程大、方向性强、响应时间快、抗干扰强且精度较高，结构简单，实用性强，具有显著的经济效益和社会效益。

附图说明

图1 为本发明整体框图；

图2为本发明中以单片机AT89S52为核心的控制电路、时间间隔测量模块、报警模块电路；

图3为本发明中的激光发射电路；

图4为本发明中的激光接收放大电路；

图5为本发明中的高压发生电路；

图6为本发明中的时刻鉴别电路。

具体实施方式

结合附图和实施例进一步说明本发明，如图1所示，本发明包括以单片机AT89S52为核心的控制电路，激光发射电路、激光接收放大电路以及为发射和接收电路提供偏置电压的高压发生电路，时刻鉴别电路，时间间隔测量模块和电源电路。单片机主控电路的I/O口接激光发射电路的激光发射启动端，激光接收放大电路的时间信号输出端接时刻鉴别电路的输入端，时刻鉴别电路的输出端接时间间隔测量模块的输入端，时间间隔测量模块的与单片机主控电路相连，高压发生电路的输出端分别接激光发射电路和激光接收放大电路的高压输入端。

如图2所示，单片机AT89S52为核心的主控电路的I/O给激光发射电路一个激光发射启动信号，控制激光发射电路发出脉冲激光，被前方车辆反射，时间间隔测量模块计算脉冲激光发射和回波信号到达之间的时间间隔然后传给单片机主控电路，单片机主控电路计算出前方车辆与本发明之间的距离。

如图2所示，电路由单片机AT89S52、电阻R38、R39、R40、R41、R42、R43、R44、R45、R46、R47、电容C23、C24、C25、C26、NPN型三极管Q8、Q9、PNP型三极管Q10、比较器A4、按键开关S1、晶振Y1组成。

时刻鉴别电路（PIN接收支路）的输出接单片机的2号脚、时刻鉴别电路（APD接收支路）的输出接单片机的3号脚，单片机的1号脚接激光发射电路的激光发射启动端、按键开关S1、电阻R38、R39、电容C24组成的复位电路接单片机AT89S52的9号脚复位端，晶振Y1、电容C25、C26组成的震荡电路接单片机的18和19号脚，单片机的20号脚接地、40号脚接电源Vcc、22号脚接时间测量电路中Q10的基极、21号脚接时间测量电路中Q9的基极，时间测量电路的输出（A4的输出端）接单片机的P0.0口。

单片机的P2.0口和P2.1平时是高电平的，三极管Q10截止、Q9饱和导通，电容C23的电压被钳位在Vx，当单片机的P1.0口向激光发射电路发送一个激光发射启动信号，控制激光发射电路发射激光脉冲的时候，同时P2.0口输出低电平控制Q9解钳、P2.1口也输出高电平、Q10导通、电源给电容C23充电。当单片机接收到回波信号（检测到P1.2口有高电平）的时候，P2.1口置高电平，三极管Q10截止，C23停止充电，通过三极管Q8、电阻R45缓慢放电，此时单片机启动定时器计数。当电容C23的电压放电到低于Vy的时候（Vy比Vx略高一点点），比较器输出翻转成低电平，单片机的P0.0口检测到低电平时，定时器停止计数。单片机通过计得的数值算出电容C23放电时间，从而反推出充电时间，即得到两车之间的距离。

如图3所示，激光发射电路由电阻R2、脉冲电流限流电阻R3、充电限流电阻R1、储能电容C1、MOSFET驱动芯片U3、MOSFET管Q1、钳位二极管D1、半导体激光器LD组成。

MOSFET驱动芯片U3的输入端接单片机的P1.0口，输出端接MOSFET管Q1的栅极，DE150的源极通过电阻R2接地，Q1的漏极接储能电容C2和钳位二极管D1、限流电阻R3、半导体激光器LD三者的并联电路到地，同时接充电限流电阻R1到高压发生电路的高压输出端HIGHV。

当单片机的P1.0口为低电平时，MOSFET管Q1截止，高压经限流电阻R1、储能电容C2及二极管D1和电阻R4的并联电路向电容C2充电，使C2两端充至160V左右的电压。当单片机的P1.0口为高电平时，MOSFET管Q1导通，电容C2经MOSFET管Q1、电阻R2、R3、激光器LD放电，此时，激光器LD在短时间内通过一个峰值电流大约为20A左右的电流脉冲，使其相应发出峰值功率大约为20W的光脉冲。D1、R3并联电路用于抑制激光器的反向脉冲，起保护激光器的作用。

如图4所示，激光接收放大电路由滤波电阻R18、R19、发射极电阻R20、R24、R26、集电极电阻R21、R27、去耦电阻R22、R28、反馈电阻R23、耦合电阻R25、分压电阻R29、R30、滤波C13、C14、去耦电容C15、C17、旁路C16、C18、耦合电容C19、高速NPN型三极管Q4、Q5、高速PNP型三极管Q6、Q7、雪崩光电二极管APD组成。

雪崩光电二极管APD正常工作时需要在阴极加上一个160V左右的直流反向偏压，以使APD有足够的增益。电阻R18的上端连接高压发生电路的HIGHV（160V）端，160V高压HIGHV经过电阻R18、滤波电容C13、电阻R19、滤波电容C14两次滤波接到APD的阴极。电阻R28、去耦电容C17、电阻R22、去耦电容C15的作用是去除电源Vcc中的高频分量。当雪崩二极管APD接收到激光脉冲的时候会产生极微弱的电流，经过三极管Q4、Q5、电阻R20、R21、R23组成电流-电压前置放大电路，将这个电流信号转换成为一个量级相对较大的电压信号，再经过三极管Q6、Q7、电阻R24、R25、R26、R27、电容C16、C18构成的电压放大电路进行进一步放大，电源经电阻R29、R30分压后再叠加上放大电路输出的交流电压作为整个放大电路的输出，输出端（signal）接时刻鉴别电路的输入端（signal）。

PIN的接收放大电路同上图类似，只是不需要高压发生电路给其阴极提供偏压HIGHV，较低的电压就能驱动，这里就不多作说明了。

本发明还设有为激光发射电路和激光接收电路提供高压电源的高压发生电路，如图5所示，高压发生电路由电阻R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、反馈电阻R17、瓷片电容C4、去耦电容C3、C10、滤波电容C5、C6、C7、C9、C11、C12、NPN型三极管Q3、储能电感L1、钳位二极管D2、D3、输出滤波电容C8、时基电路NE555。

电阻R6、R7、电容C4、时基电路NE555组成多谐振荡器，接通电源时，电源Vcc经过电阻R6、R7给电容C4充电，当电容C4的电压达到2/3Vcc时候，时基电路NE555内部的三极管导通，电容C4通过电阻R7和时基电路NE555的7脚内部的三极管放电，当电容C4的电压降低到1/3Vcc的时候，U1内部的三极管截止，电源Vcc又给电容C4充电，直到电容C4两端的电压达到2/3Vcc，如此反复震荡，在时基电路NE555的输出端3脚输出方波。时基电路NE555的输出经过电阻R9、R10的分压接到三极管Q3的基极，此外电源Vcc经过电阻R8和滤波电容C5、C6、C7组成的低通滤波后再经过储能电感L1接到三极管Q3的集电极。当时基电路NE555的OUT端输出高电平时，三极管Q3导通，由于三极管Q3导通期间正向饱和压降很小，因此这时二极管D4反偏，能量从电源流入，并储存于电感L1中，负载由滤波电容C8供给能量，将电容中储存的能量(

Figure 2011104506451100002DEST_PATH_IMAGE001

)释放给负载。当时基电路NE555的OUT端输出低电平时，三极管Q3截止，电感L1中的电流不能突变，它上面产生的感应电势阻止电流的减小，感应电势的极性为上负下正，二极管D3导通，电感中储存的能量(

)流入电容(充电)，并供给负载。时基电路NE555集成电路的作用是产生一定频率的方波信号，使三极管周期性的导通、截止，从而在输出端得到较高的输出电压。电阻R13、R14、R15、R16、R17、电容C10、C11、C12、集成运放A1 LM358组成的是电压控制反馈电路，这个反馈回路利用输出电压来控制时基电路NE555集成电路的第5脚，使时基电路NE555的输出频率以及占空比发生变化，从而起到控制输出电压HIGHV的作用。我们需要一个160V的输出电压，而当输出为160V时，当高压生成电路工作于稳态时。在这种情况下，如果由于干扰等原因，使Vo小于160V，那么流过电阻R12、R14、可变电阻R13的电流将减少，所以放大器A1 LM358的反向输入端的电压降低，从而使放大器的输出增大，控制时基电路NE555的5脚，使时基电路NE555的输出频率以及占空比增大，则HIGHV也将增加，直到达到160V，即电路到达一种平衡状态。同理，当HIGHV大于160V，经过反馈也会拉低HIGHV，使其稳定在160V。高压发生电路的作用是给激光发射电路和激光接收放大电路提供高压。

如图6所示，时刻鉴别电路由电感L2、L3电阻R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、瓷片电容C20、C21、滤波电容C22，高速比较器A2、A3 LM319、D触发器74HC74组成。

激光接收电路的输出信号signal分为三路，第一路经过由电感L2、L3、电容C20、C21组成的延时器后输入到高速比较器A2 LM319的正相输入端，同时比较器A2 LM319正向输入端接电阻R32到地；第二路信号经过由电阻R31、R33分压衰减之后，输入到比较器A2 LM319的反相输入端，同时比较器A2 LM319反向输入端接电容C22到地；第三路信号直接输入到比较器A3 LM319的正相输入端，同时接电阻R4到地；比较器A3 LM319的反向输入端接可变电阻R36的可调端、R36的其他两端分别接电阻R35到Vcc和电阻R37到地。比较器A2 LM319的输出接D触发器74HC74的D端，比较器A3 LM319的输出接D触发器74HC74的CLK端，D触发器74HC74的输出端（PIN接收支路）连接到单片机的P1.1口，D触发器74HC74的输出端（APD接收支路）连接到单片机的P1.2口。

由于脉冲激光会在传输中衰减和畸变，因此接收到的脉冲与发射脉冲在形状和幅值上有很大差异，因此很难准确的确定光脉冲回波信号的到达时刻，因此需要专门的时刻鉴别电路对接收信号的时刻进行判定。输入信号分为三路，第一路信号经过由电感L2、L3、电容C20、C21组成的延时器后输入到比较器A2 LM319的正相输入端；第二路信号经过由电阻R31、电阻R33分压衰减之后，输入到高速比较器A2 LM319的反相输入端。当比较器A2 LM319两个输入端信号的相对大小发生改变时，比较器A2 LM319输出状态将发生，而且状态转换的时刻点不会受到原始输入信号幅值的改变的影响，始终保持于原始信号达到其某一固定高度比例时发生。这样就可以保证时刻鉴别的准确度。第三路信号直接输入到比较器A3 LM319的正相输入端。电阻R35、R36、R37分别为三路信号的阻抗匹配电阻。图示的恒定比值时刻鉴别电路中共使用了两个高速比较器，其中比较器A2 LM319作为恒定比值时刻鉴别比较器，比较器A3 LM319作为预鉴别比较器。调节R36即可改变预鉴别比较器的预鉴别阈值。

本发明中的电源电路、激光发射电路、激光接收放大电路、高压发生电路可采用现有技术中的相关成熟电路。

Claims

1. 一种基于激光测距的汽车防撞传感器，其特征是，所述的传感器包括以单片机AT89S52为核心的主控电路，激光发射电路、APD激光接收放大电路、PIN激光接收放大电路以及为激光发射电路和APD激光接收放大电路提供偏置电压的高压发生电路，时间间隔测量模块，时刻鉴别电路、电源电路、分光镜和反光镜；单片机主控电路的I/O口接激光发射电路的激光发射启动端，激光脉冲信号经分光镜分光后，一路经反光镜反光，直接被PIN接收放大电路接收，另一路脉冲激光被前方车辆反射，然后被APD激光接收放大电路接收，两路脉冲激光都分别接时刻鉴别电路的输入端，时刻鉴别电路的输出端接时间间隔测量模块的输入端，时间间隔测量模块与单片机相连，高压发生电路的输出端分别接激光发射电路和激光接收电路的高压输入端。

2. 根据权利要求1所述的基于激光测距的汽车防撞传感器，其特征是，所述的激光发射电路由电阻R2、脉冲电流限流电阻R3、充电限流电阻R1、储能电容C1、驱动芯片U3 IXDD415、MOSFET管Q1、钳位二极管D1、半导体激光器LD组成；驱动芯片U3 IXDD415的输入端接单片机的P1.0口，输出端接MOSFET管Q1的栅极，Q1的源极通过电阻R2接地，Q1的漏极接储能电容C1和钳位二极管D1、限流电阻R3、半导体激光器LD三者的并联电路到地，同时接充电限流电阻R1到高压发生电路的高压输出端HIGHV。

3. 根据权利要求1所述的基于激光测距的汽车防撞传感器，其特征是，所述的激光接收放大电路由滤波电阻R18-19、发射极电阻R20、R24、R26、集电极电阻R21、R27、去耦电阻R22、R28、反馈电阻R23、耦合电阻R25、分压电阻R29-30、滤波C13-14、去耦电容C15、C17、旁路电容C16、C18、耦合电容C19、高速NPN型三极管Q4-5、高速PNP型三极管Q6-7、雪崩光电二极管APD组成；电阻R18的一端连接高压发生电路的HIGHV端，电阻R18、滤波电容C13、电阻R19、滤波电容C14两次滤波接到雪崩光电二极管APD的阴极，电阻R28、去耦电容C17、电阻R22、去耦电容C15去除电源Vcc中的高频分量；雪崩光电二极管APD接收到激光脉冲的时候会产生极微弱的电流，经过三极管Q4-5、电阻R20-23组成电流-电压前置放大电路，将这个电流信号转换成为一个量级相对较大的电压信号，再经过三极管Q6-7、电阻R24-27、电容C16、C18构成的电压放大电路进行进一步放大，电源经电阻R29-30分压后再叠加上放大电路输出的交流电压作为整个放大电路的输出，输出端signal接时刻鉴别电路的输入端signal。

4. 根据权利要求1所述的基于激光测距的汽车防撞传感器，其特征是，高压发生电路由电阻R6-16、反馈电阻R17、瓷片电容C4、去耦电容C3、C10、滤波电容C5-7、C9、C11-12、NPN型三极管Q3、储能电感L1、钳位二极管D2-3、输出滤波电容C8、时基电路NE555、集成运放A1 LM358组成；电阻R6-7、电容C4、时基电路NE555组成多谐振荡器，时基电路NE555的输出经过电阻R9-10的分压接到三极管Q3的基极，电源Vcc经过电阻R8和滤波电容C5-7组成的低通滤波后再经过储能电感L1接到三极管Q3的集电极，电阻R13-17、电容C10-12、集成运放A1 LM358组成电压控制反馈电路。

5. 根据权利要求1所述的基于激光测距的汽车防撞传感器，其特征是，时刻鉴别电路由电感L2-3，电阻R31-37，瓷片电容C20-21，滤波电容C22，高速比较器A2、A3 LM319、D触发器74HC74组成；输入信号分为三路，第一路经过由电感L2-3、电容C20-21组成的延时器后输入到高速比较器A2 LM319的正相输入端，同时高速比较器A2 LM319正向输入端接电阻R32到地；第二路信号经过由电阻R31、R33分压衰减后输入到高速比较器A2 LM319的反相输入端，同时高速比较器A2 LM319反向输入端接电容C22到地；第三路信号直接输入到高速比较器A3 LM319的正相输入端，同时接电阻R34到地；高速比较器A3 LM319的反向输入端接可变电阻R36的可调端、R36的其他两端分别接电阻R35到Vcc和电阻R37到地；高速比较器A2 LM319的输出接D触发器74HC74的D端，比较器A3 LM319的输出接D触发器74HC74的CLK端，D触发器74HC74的输出Q端连接到单片机的P1.1口，D触发器74HC74的输出端连接到单片机的P1.2口。

6. 根据权利要求1所述的基于激光测距的汽车防撞传感器，其特征是，所述的时间间隔测量模块中的三极管Q10、Q9的基极分别接单片机AT89S52的22、21号脚，低功耗电压比较器A4 LM339的输出端接单片机的P0.0口。

7. 根据权利要求1所述的基于激光测距的汽车防撞传感器，其特征是，单片机控制电路中的单片机AT89S52的1号脚接激光发射电路的激光发射启动端，按键开关S1、电阻R38-39、电容C24组成的复位电路接单片机AT89S52的9号脚复位端，晶振Y1、电容C25-26组成的震荡电路接单片机的18和19号脚，20号脚接地、40号脚接电源Vcc，2号脚接时刻鉴别电路PIN接收支路，3号脚接时刻鉴别电路APD接收支路。