CN101713971A

CN101713971A - 红外及超声波结合检测安全区域的控制系统

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Publication number: CN101713971A
Application number: CN200910095199A
Authority: CN
Inventors: 邹鹏幼
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2029-11-16
Also published as: CN101713971B

Abstract

红外及超声波结合检测安全区域的控制系统，涉及一种利用超声传感技术、红外传感技术，结合计算机软件和单片机编程控制的安全区域检测系统。发明的红外及超声波结合检测安全区域的控制系统，由PC微机、主控制器和传感器构成，传感器的控制电路包括超声波发射功率放大电路、超声波梯度分级采集电路、前置放大及A/D转化电路、跟随式分级采集电路、红外调制发射电路、红外接收解调电路、红外/超声波检测评判电路以及一个放大整形输出电路。红外测控与超声波检测互控双检测一体化集成的传感器，具有高可靠性，提高了超声波传感器的动态抗干扰能力，在实际应用中完全杜绝了工作环境干扰的误触发动作。

Description

红外及超声波结合检测安全区域的控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于安全区域检测控制的系统，尤其是一种利用超声传感技术、红外传感技术，结合计算机软件和单片机编程控制的安全区域检测系统。

背景技术

目前，在智能化自动控制机车、机器人、工业自动化生产线、运动设备或人体的安全区域检测系统中所应用的障碍物探测技术主要有三种，红外光型、激光型和超声波型。红外光型检测技术，由于其检测设定尺度为大概值，因此不能精确定位和实现分级控制，同时受环境光照度强弱的影响，不同吸光率反射物体的反映距离检测误差很大，在200％以上，因而不适应于在检测条件动态变化和测定要求较高的情况中使用。激光型检测技术，检测精度高，抗干扰性强，可方便地采用编程方式实现不同形态的区域设定或自学习式区域设定，但其检测面仅为1cm左右垂直厚度的薄片状扇形面，对该扇形面以外的相邻上下区域内的障碍物则不可检测，导致在检测距离范围内对扫描垂直方向以外可能出现的障碍物检测不到，不能起到全面保护的效果。超声波型检测技术由于其传感器发射是机械振动波，故不可跃变，而且存在近距横向次波的衍射干扰，因此现有超声波技术产品采用了近距中断处理方式，因而导致存在至少大于30cm的近距检测中断盲区；另外，超声波技术还存在横向相邻物体间的回波衍射干扰、控制输出的响应迟滞、对快速横向切入障碍不能有效响应、不具备其测控距离根据需要任意选调设定功能和编程化及分级输出控制的系统配置整合功能，并且超声传感器与超声控制主机间的传输线长度限制等诸多不足之处。

发明内容

本发明所要解决的就是利用上述三种现有技术的障碍物探测系统存在的不足，提供一种红外传感和超声波传感技术结合，梯度分级采集识别信号以探测障碍物，设定安全区域的控制系统。

本发明的红外及超声波结合检测安全区域的控制系统，由PC微机、主控制器和传感器构成，PC微机设定及反馈主控制器参数，主控制器与传感器相连接，根据传感器的检测数值由主控制器运算后发出指令，其特征在于传感器的控制电路包括：

一个超声波发射功率放大电路，源于系统主控制器编码发射脉冲；

一个超声波梯度分级采集电路，将接收检测到的超声源信号提供给系统主控制器的数据传输通路；

一个前置放大及A/D转化电路，将梯度分级采集的超声波非规则模拟源信号转变为可数字化处理的数字信号；

一个跟随式分级采集电路，跟随主控制器的发射调制设定，保持已设定的分级检测距离实现超声波信号的采集，超声波采集信号跟随超声波脉冲发射完毕始计时分段拾取采集；

一个红外调制发射电路，持续向前方障碍物发射红外光；

一个红外接收解调电路，采集检测前方障碍物反射的红外光；

一个红外/超声波检测评判电路，对所接收的外光波信号的有效性进行检测评判后对超声波信号的与门输出通路形成控制；

以及一个放大整形输出电路，将检测信号输出至主控制器。

所述超声波梯度分级采集电路采用红外专用前置运放集成CX20106电路将采集的非规则超声模拟源信号解调为数字信号。

所述的主控制器输出控制采用单列运算、总线式汇集优先分级识别的超声波测距检测，由四片单片机AT89C2051各自独立单列检测运算，以串行通讯方式汇集于主控CPU单片机AT89S8253进行信号优先级识别评判、传感器编号及检测距离数值显示与外联PC微机件的通讯总线控制。

本发明的系统，传感器结合了红外技术和超声波技术，主控制器为多级测距分级设定数值的对应输出控制，可根据需要实现对设备的控制。实现了超声测距无近距离盲区及距传感器直线距离在0.5米内对大于1cm²微小障碍物的有效检测，测距传感器与系统主控制器间的远距离连传应用，其传输线长可大于20m。

A/D数码式信号采集解调判别技术使系统主控CPU能根据整形后的矩形波数位或脉宽信号进行是否有效的运算判断，有效降低了误码信号及两同用设备间的信号互扰。

梯度分级信号采集识别技术保障了对远距离障碍物有效检测的前置高增益信号放大效应，但又有效解决了由于前置高增益放大效应而存在的近距离干扰衍波的误信号触发及相关连接介质带入的高频度干扰引起的误触发现象，实现了超声传感检测无盲区并在高增益灵敏度条件下有效降低误信号触发。

红外测控与超声波检测互控双检测一体化集成的传感器，具有高可靠性，提高了超声波传感器的动态抗干扰能力，在实际应用中完全杜绝了工作环境干扰的误触发动作。

附图说明

图1是本发明传感器控制电路结构示意图

图2是本发明具体实施例1的传感器电路原理图

图3是本发明具体实施例2的主控制器电路原理图

具体实施方式

实施例1：红外光及超声波结合检测安全区域的控制系统，由PC微机、主控制器和传感器构成。

PC微机：PC微机采用视窗对话界面操控方式实现对主控制器参数及状态设定。

主控制器：主控制器输出控制采用单列运算、总线式汇集优先分级识别的超声波测距检测，由四片单片机AT89C2051各自独立单列检测运算，以串行通讯方式汇集于主控CPU单片机AT89S8253进行信号优先级识别评判、传感器编号及检测距离数值显示与外联PC微机件的通讯总线控制。

外输电源(+V)并联滤波电容C1、C2接地，传感器联接插口A、B、C、D等(提供外接传感器功率源)、电子继电器VT1～VT8，+V联接稳压集成电路7809分压作为缓冲转换集成电路CD4010B的高位电源，C3、C4为稳压电路7809分压级的滤波电容接地，经稳压电路7809降压后再联接稳压集成电路7805分压，由7805输出级并联滤波电容C5、C6、反相器集成电路CD4069(1)、CD4069(2)、7404、单片机AT89S8253、集成电路HN232、单片机AT89C2051(A)、AT89C2051(B)、AT89C2051(C)、AT89C2051(D)、集成电路CD4010B，构成系统主控制器正源极通路。

主控CPU单片机AT89S8253脚位①、②、③、④等对应联接于反相器集成电路CD4069(B)脚位(13)、脚位①、CD4069(A)脚位(13)、脚位①等，经CD4069(A)脚位②作为一级输出端并联脚位③、脚位⑤，由脚位④、脚位⑥并联作为二级输出端至外挂传感器接口插脚位(D-OUT)。同理，CD4069(A)脚位(12)并联脚位(11)、脚位⑨，由脚位⑩、脚位⑧并联至外挂传感器接口插脚位(C-OUT)。CD4069(B)脚位②并联脚位③、脚位⑤，由脚位④、脚位⑥并联至外挂传感器接口插脚位(B-OUT)。CD4069(B)脚位(12)并联脚位(11)、脚位⑨，由脚位⑩、脚位⑧并联至外挂传感器接口插脚位(A-OUT)，构成可分别对发射输出脉冲编程调制和通过反相器集成电路CD4069增扩输出电流的电路，一是实现发射的可分别调调制性，二是为在长线距的使用中增益超声发射信号源输出功率，以补偿传感器在长线距应用中的阻抗损耗。

AT89S8253脚位⑧、脚位(12)、脚位(32)分别对应联接于TTL集成电路7404脚位②、脚位⑥、脚位④，经7404脚位①、脚位③、脚位⑤对应联接于数码显示器C、H、L共阳极，由数码管a、b、c、d、e、f、g分别串联电阻R1对应至AT89S8253脚位(39)、脚位(38)、脚位(37)、脚位(36)、脚位(35)、脚位(34)、脚位(33)，构成单片机行列扫描数码显示电路，以用于对应的传感器编号及检测距离数值的显示。

AT89S8253脚位⑨并联电阻R2接地、电容C7接电源，构成CPU上电复位电路。

AT89S8253脚位⑩(RXD)、脚位(11)(TXD)分别对应并联单片机AT89C2051(A)、(B)、(C)、(D)脚位③(TXD)、脚位②(RXD)、RS232集成电路HN232脚位⑨、脚位⑩。同时，AT89S8253脚位(14)对应并联AT89C2051(A)、(B)、(C)、(D)脚位⑧，构成各外接传感器检控分组CPU-AT89C2051以串行通讯方式汇集于AT89S8253形成主控CPU内系统数据通讯及通过集成电路HN232脚位⑦、脚位⑧以RS232串行输出方式形成的外联PC机间通讯设置总线控制电路。

AT89S8253脚位(13)联接[通讯开关]，作为系统主控器CPU外联PC微机的通讯联系控制。当[通讯开关]关断时，单片机AT89S8253处于程序设定运行状态。当[通讯开关]导通接地时，单片机AT89S8253处于与外联PC微机间的通讯方式。

AT89S8253脚位(15)、脚位(16)、脚位(17)分别对应联接[左]、[右]、[后]接地开关，为对应传感器(组)运行使能控制开关。当使能控制开关断开时，传感器为正常运行状态，若使能控制开关导通接地时，则对应的传感器(组)发射及接收运行处于中断状态。

AT89S8253脚位(18)、脚位(19)并联晶振CS1后分别串联30P电容接地，构成CPU本机振荡器电路。

AT89S8253脚位(31)接正电源为CPU(EA/VPP)端口高电平保持电路。

AT89S8253脚位(28)、脚位(27)、脚位(26)、脚位(25)、脚位(24)、脚位(23)、脚位(22)、脚位(21)分别对应串联电阻R3、晶体管VT1、VT2、VT3、…VT8基极，经晶体管VT1、VT2、VT3、…VT8对应联接电子继电器，构成传感器测距分级设定数值对应的继电器开关输出控制电路，用于自动机车的减速、转向、刹停及其它需安全区域测控设备的相关控制。

单片机AT89C2051(A、B、C、D)为各自独立检测运算CPU，其运用方式与功能和编程方式相同，举例AT89C2051(A)予以说明：脚位①并联电容C15联正电、电阻R7接地，构成上电复位电路。脚位②(RXD)、脚位③(TXD)对应联接AT89S8253脚位(11)(TXD)、脚位⑩(RXD)，构成与主控CPU的数据通讯电路。脚位④、脚位⑤并联晶振CS2后分别串联30P电容接地，构成本机振荡器电路。脚位⑥并联脚位⑨后与集成电路CD4010B脚位⑥联接，经缓冲转换集成电路CD4010B电压转换后，由脚位⑦并联接地电阻R11至外挂传感器接口插脚位(A-OUT)，构成为提高抗线路杂波干扰，减少因长线距传输损耗而提高的信号压值适用于CPU工作电压，实现各自对应传感器信号输入经电压转换至单片机的独立检测运算电路。

传感器控制电路：通过传感器电源(+V)、接地(GND)、输入(INPUT)、输出(OUT)构成四线输入出总线形式。电源(+V)源于系统主控器，通过并联电阻R1、稳压管VT2、电阻R16、R17后串联集成稳压电源78L09，再并联集成电路CD4011B、集成电路NE555、电阻R9后串联分级集成稳压电源78L05，并联集成电路NE556(2)、集成电路CD4066B、集成电路NE567，与接地(GND)共同构成传感器各部分级电位及总功率电源回路。

超声波发射功率放大电路，输入(INPUT)源于系统主控制器的CPU编码发射脉冲，串接电阻R18，并联电阻R19、晶体管VT2基极，通过晶体管VT2集电极与电阻R16的相接，组成前级信号放大单元电路。晶体管VT2集电极与电阻R28连接至脉冲跟随式控制电路，与电容C16串接、并接二极管VD5、晶体管VT3组成编码发射脉冲功率放大电路。由电源(+V)并联电阻R17后，并接电容C15作为超声发射电源滤波，再串联发射增压电感L1初极、晶体管VT3集电极，由增压电感L1次极与超声器(SV1)构成独立回路的超声波发射电路。

超声波梯度分级采集电路及放大整形输出电路，输出(OUT)系该传感器将所接收检测到的超声源信号提供给系统主控制器CPU的数据传输通路。由超声器(SV2)串联电阻R23、电阻R22至前置运算放大集成电路CX20106输入端①，经集成电路CX20106的信号运算放大整形，由集成电路CX20106输出端⑦并接与非门集成电路CD4011B门电路输入端(12)、(13)，经门电路反相后输出至下一级门电路输入端⑨，与受红外集成接收电路IRM3238输出端串接电容C13、并联滤波电容C10、串接电阻R12连接集成电路LM567信号输入端③，通过音频解码集成电路LM567输出端⑦连接时基集成电路NE555输入控制端②、经NE555输出端③连接与非门集成电路CD4011B门输入端⑧共同组成与非逻辑单元，与非逻辑单元输出端⑩并联门电路输入端①、②、⑤、⑥，经两门电路反相放大整形后由输出端③、④、负反馈电阻R20并接后作为超声波采集检测信号输出(OUT)电路。

前置放大及A/D转化电路，利用红外专用前置运放集成电路CX20106所集成的内部电平自动控制电路ABLC、前置放大、限幅放大、带通滤波、检波、积分电路、整形输出功能，将非规则的模拟源信号转变为可数字化处理的A/D数码信号。通过集成电路CX20106脚位①并联电阻R24、串接电阻R22、R23、超声器(SV2)，脚位②串接电阻R21、电容C19，脚位③接电容C20，脚位⑤串接电阻R25至脚位⑧并联滤波电容C22、经缓冲电阻R27至正电位，脚位⑥联接电容C21构成脉宽积分解调，CX20106脚位⑦并联数码集成电路CD4011B脚位(12)、(13)、电阻R26，且电阻R26接至稳压集成电路78L09，构成超声信号A/D输出电路。使之系统主控制器CPU能根据集成电路CX20106接收并整形后的矩形波数位或脉宽信号进行是否有效的运算判断，有效降低了误码信号及两同用设备间的信号互扰。

跟随式分级采集电路，在超声波采集电路中，采用超声波采集信号跟随式梯度分级采集识别技术方案。取自晶体管VT2集电极源于系统主控制器CPU输入(INPUT)的超声发射源，由晶体管VT2集电极串接电阻R28、电容C24、晶体管VT4基极、并接电阻R29对地，组成源信号直流阻容隔离放大电路。经晶体管VT4集电极并联时基集成电路NE556(2)双信号触发端⑥、⑧、电阻R31接电源为电位拉升。由于时基集成电路NE556(2)在持续受控触发期间跟随保持高电平，无定时效应。而随触发信号的中止，时基电路立刻进入设定输出状态，构成随系统主控CPU不同发射数值但保持固定时差周期值的跟随控制电路。

由集成电路NE556(2)脚位(12)、(13)并接后接电阻R32至电源、电容C26至地，构成对电子开关集成电路CD4066B开关导通设控时间的初级梯度时基设定电路。脚位③、(11)并联后接电容C25至地。脚位⑩接电源。脚位⑨串接电阻R30、晶体管VT5基极，由晶体管集电极并联集成电路CD4066B脚位(12)、电阻R36接电源，作为集成电路CD4066B的初级梯度开关导通控制电路。集成电路CD4066B的初级开关导通端⑩并联次级开关导通端⑧、超声器(SV2)，同组初级开关导通端(11)以T形联接电阻R22、R23，构成以超声器(SV2)、电阻R22串联形成的具有相应阻抗效应的梯度式初级超声源信号拾取通路。

由集成电路NE556(2)脚位①、②并接后接电阻R34至电源、接电容C27至地，构成对集成电路CD4066B开关导通设控时间的次级梯度时基设定电路。脚位④接电源。脚位⑤串接电阻R23、晶体管VT6基极，晶体管集电极并联电子开关集成电路CD4066B脚位⑥、电阻R35接电源，作为集成电路CD4066B开关次级导通控制电路。经集成电路CD4066B开关导通端⑧连接超声器(SV2)，CD4066B次级同一组开关导通端⑨连接运放集成电路CX20106信号输入端①，构成低阻抗直通式梯度次级超声源信号拾取通路。

以上梯度式初级、次级分级采集超声源信号检测技术方案，在超声波发射时及相应的分级设定时基内，由于受跟随式分级采集电路的控制，处于非工作状态，且在发射超声波时系统主控CPU也同时中断信号的接收。当超声波发射毕的初期瞬间(约2ms)，由于初级和次级梯度分级开关电路处于导通关断状态，超声检测信号只能通过超声器(SV2)、电阻R23、R22至前置运放集成电路CX20106输入端①构成的高阻抗基级超声源信号通路拾取，从而克制了超声波发射产生的近距离强衍射波对接收干扰造成的误触发，因为在超声波发射端的近距离内，超声波是无指向性的。但对于近距的障碍物体，由于其近距离的反射波具有很强的声波信号能量，足以通过高阻抗的基级超声源拾取通路被采集检测。

当超声波发射毕≥2ms时，此时受初级梯度时基设定电路控制的开关集成电路CD4066B初级导通端(12)、(11)开启，超声器(SV2)经开关集成电路CD4066B导通端⑩、(11)、电阻R22至前置运放集成电路CX20106输入端①串联形成具有电阻R22阻抗效应的梯度式初级超声源信号拾取通路。由于初级信号通路增加了阻抗，形成前置运放拾取的源信号减弱，从而有效降低了来自相邻侧旁干涉信号导致的误触发影响。但对于在中近距离(约0.7米)的障碍物体检测，由于其通路阻抗值是经测算附加的，对于此时在中近距离范围内仍具有较强反射波强度效应的超声源信号仍可有效拾取。

当超声波发射毕≥4.5ms时，此时受次级梯度时基设定电路控制的开关集成电路CD4066B初级导通端⑧、⑨开启，超声器(SV2)经开关集成电路CD4066B导通端⑧、⑨、直接于前置运放集成电路CX20106输入端①，形成直通式低阻抗次级超声源信号拾取通路。使之对远距离较弱的反射波信号得以有效采集。

采用随系统主控CPU不同发射数值但保持固定时差周期值的跟随控制电路，使之初级、次级开启时间能不受因系统主控CPU调制形成发射脉冲数位的不同而减少或重迭，保障了设定梯度距的相对准确性，因当超声发射时，系统主控CPU中断信号采集，在发射中止时开始计测。

上述技术原理构成跟随式基级、初级、次级梯度分级超声源信号采集识别技术方案。从而保障了为实现对远距离障碍物有效检测而设定的前置高增益信号放大效应，但又有效抑制了由于前置的高增益放大效应而引起的近距离干涉衍波误信号触发及相关连接介质带入的高频度干扰引起的误触发现象。实现了超声传感检测无盲区和在高增益灵敏度条件下有效降低误信号触发的专项性技术方案

红外调制发射电路，红外发射输出电路由时基集成电路NE556(1)与正电源+V并联的稳压管VD2串接于脚位(14)、并联滤波电容C2作为集成电路NE556(1)的分压式功耗降减电源，并由此电源串接电阻R6至NE556(1)脚位(13)，经该集成电路脚位(13)并联二极管VD3负极、VD4正极，二极管VD3正极，由二极管VD3正极串联电阻R7后并联二极管VD4负极、集成电路NE556(1)脚位(12)、脚位⑧、C4接地电容，构成调制振荡器。由集成电路NE556(1)脚位(14)的分压电源串联电阻R4至NE556脚位①、电阻R5，经电阻R5并联NE556(1)脚位②、脚位⑥、C3接地电容，构成载波频率振荡器。NE556(1)脚位③与脚位(11)、C5接地电容并联，为阈值滤波电路。NE556(1)脚位④与脚位⑨相连为调制信号通路，形成调制发射振荡电路。NE556(1)脚位⑤输出发射信号至串联电阻R3、晶体管VT1基极，通过与正电源+V并联的电阻R1并联滤波电容C1，串联限流电阻R2、红外发射管VD1至晶体管VT1集电极，构成发射输出电路。

红外接收解调电路，由红外集成接收器IRM3238脚位③并联电阻R14、电容C14接地、电阻R15，由阻抗电阻R14与集成稳压78L05正电位连接，组成IRM3238红外集成接收器外接电源电路。经电阻R15并联IRM3238脚位①、电容C13，再经电容C13并联电容C10接地、串联电阻R12至音频解码集成电路LM567信号输入脚位③，作为红外接收器信号检测输出电路。由LM567脚位④连接78L05正电位并联滤波电容C12接地，作为音频解码集成电路LM567电源电路。LM567脚位①连电容C8接地，组成音频解码输出滤波。LM567脚位②连电容C9接地，作为集成内电路低通滤波电路。LM567脚位⑥并联电阻R11、电容C11接地，经电阻R11接至脚位⑤，组成中心频率振荡器，由LM567解码输出脚位⑧并联电阻R10至集成稳压78L05正电位作为解码输出端，组合构成集成化红外信号锁相环检测接收解调电路。

红外/超声波检测评判电路，经LM567解码输出脚位⑧连接时基集成电路NE555触发输入脚位②，由NE555脚位⑧连接集成稳压78L09正电位、并联电阻R8至NE555脚位⑦、脚位⑥、电容C6接地，构成单稳态定时9V高电位输出电路。NE555输出脚位③连接与非门集成电路CD4011B门输入脚位⑧，通过红外发射电路、红外接收电路、锁相环检测解码电路、超声信号A/D输出电路、与非门集成电路CD4011B构成红外光测控与超声检测互控一体化的集成技术方案。该技术方案以模拟电子技术方式对红外发射的功率进行限流调整或接收增益调整设定障碍物的红外反射光检测距离，通过以80°夹角持续发射的红外光对前方障碍物反射红外光进行采集检测，由LM567锁相环解码识别是否为本机所发射的有效红外光波信号。当在红外检测采集的设定距离范围内出现障碍物时，红外集成接收器IRM3238将检测的反射信号经LM567解码输出至时基电路NE555，经NE555以设定的毫秒级定时方波输出对超声检测信号的与门输出通路形成控制。当红外测控电路未检测到标志前方障碍物的红外反射波时，NE555输出低电平，检测输出通路与门处于低电平锁定状态，此时无论超声检测电路是否有输出信号均被阻断。当检测到标志前方障碍物的红外反射波时，NE555输出高电平，检测输出通路与门处于导通状态，超声检测信号得以输出。从而构成了以红外测控与超声检测互控双检测一体化的高可靠性超声检测电路，进一步提高了超声传感器的动态抗干扰能力。

本发明的红外及超声波结合检测安全区域的控制系统，红外光和超声检测互控一体化，有效避免了单一红外测控和超声测控的弊端，能够实现安全区域的准确检测。

Claims

1.红外及超声波结合检测安全区域的控制系统，由PC微机、主控制器和传感器构成，PC微机设定及反馈主控制器参数，主控制器与传感器相连接，根据传感器的检测数值由主控制器运算后发出指令，其特征在于传感器的控制电路包括：

一个红外调制发射电路，持续向前方障碍物发射红外光；

以及一个放大整形输出电路，将检测信号输出至主控制器。

2.如权利要求1所述的红外及超声波结合检测安全区域的控制系统，其特征在于超声波梯度分级采集电路采用红外专用前置运放集成CX20106电路将采集的非规则超声模拟源信号解调为数字信号。

3.如权利要求1所述的红外及超声波结合检测安全区域的控制系统，其特征在于所述的主控制器输出控制采用单列运算、总线式汇集优先分级识别的超声波测距检测，由四片单片机AT89C2051各自独立单列检测运算，以串行通讯方式汇集于主控CPU单片机AT89S8253进行信号优先级识别评判、传感器编号及检测距离数值显示与外联PC微机件的通讯总线控制。