CN101762236A - 一种激光光幕式车辆高度检测仪 - Google Patents

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赵轩
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Abstract

本发明公开了一种激光光幕式车辆高度检测仪，包括发射传感器阵列和接收传感器阵列组成的光幕，发射传感器阵列由半导体激光管发射阵列和光调制电路连接而成，接收传感器阵列由红外管接收阵列和光解调电路连接而成，由第一电源模块提供电源；接收传感器阵列与单片机连接，第二电源模块为其提供电源；接收传感器阵列接收发射传感器阵列发出的光束信号并向单片机转换输出电信号；单片机与上位机相连，单片机处理接收到的电信号，并输出控制信号。本发明造价便宜、组装方便、测量准确，抗干扰能力强、采用光路对准装置可以迅速校准光路，能够适应动态高精度测量，并且可以测量镂空物体高度。可以广泛应用于高度检测和车辆高度检测。

Description

一种激光光幕式车辆高度检测仪
技术领域
本发明涉及高度检测领域，具体涉及一种检测仪，特别是一种激光光幕式车辆高度检测仪。
背景技术
车辆高度自动检测对于运动物体如大型运输车辆的行驶安全性具有重要意义，也可以作为货运车型收费的必备数据。目前，主要的高度测量方法有人工读取，摄像头法和红外光幕测高，但这几种方法均存在有缺陷或不足：人工读取的方法首先需要人工读数，非自动测量且精度差；摄像头法需要高清摄像机和图像识别算法，结构复杂成本高；红外光幕测高的方法虽然可以抗干扰、成本也较低，但在高精度测量时由于红外光的散射性，使得算法复杂，无法达到高的识别精度，并且无法测量镂空物体高度。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种激光光幕式车辆高度检测仪，该高度检测仪采用激光调制电路，组装方便、价格便宜、抗干扰能力强、采用光路对准装置可以迅速校准光路，能够适应动态高精度测量，并且可以测量镂空物体高度。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种激光光幕式车辆高度检测仪，包括发射传感器阵列和接收传感器阵列组成的光幕，所述的发射传感器阵列由半导体激光管发射阵列和光调制电路组合连接而成，所述的接收传感器阵列由红外管接收阵列和光解调电路组合连接而成，所述的发射传感器阵列由第一电源模块提供电源；所述的接收传感器阵列与单片机连接，第二电源模块为接收传感器阵列和单片机提供电源，接收传感器阵列接收发射传感器阵列发出的光束信号，并向单片机转换输出电信号；单片机与上位机相连，单片机处理接收到的电信号，并输出控制信号。
本发明还包括其他特征，
所述的接收传感器阵列与单片机的连接采用光耦隔离，实现12v到5v的电平转换。
所述的发射传感器阵列和接收传感器阵列组成的光幕采用垂直安装方式设置在检测站检测线两端。
所述的单片机选择C51单片机。
所述的光调制电路和光解调电路采用555定时器模块。
所述的第一电源模块、第二电源模块均选择70w开关电源。
所述的单片机通过串口通信模块与上位机连接，该串口通信模块采用R232电平转换电路。
所述的光调制电路采用多谐振荡器对光信号进行调制。
所述的光解调电路采用单稳态触发器对信号进行解调。
本发明的激光光幕式车辆高度检测仪，为了动态测量物体的实际高度，采用激光发射传感器阵列和红外接收传感器阵列组成光幕来提高测量精度，发射端的激光传感器采用调制信号对激光进行调制以克服日光、强光干扰，能够完成对物体高度的动态测量，以及对栅状物体的高度测量。
附图说明
图1为本发明的硬件连接结构图；
图2为本发明的校准装置旋转机械结构图；
图3为本发明的校准装置工作示意图；
图4为本发明的校准指示电路；
图5为本发明的发送、接收传感器安装示意图；
图6为本发明的光调制电路原理图；
图7为本发明的光解调电路原理图；
图8为本发明的调制信号波形图；
图9为本发明的解调信号波形图；
图10为本发明的单片机接收数据、数据处理流程图；
图11为本发明的单片机串口通信电路图；
图12为本发明的车辆高度检测线安装效果图；
下面结合附图和对发明的做进一步详细说明。
具体实施方式
参照图1，本发明的激光光幕式车辆高度检测仪，包括发射传感器阵列和接收传感器阵列组成的光幕，发射传感器阵列由半导体激光管发射阵列和光调制电路组合连接而成，接收传感器阵列由红外管接收阵列和光解调电路组合连接而成，发射传感器阵列由第一电源模块提供电源；接收传感器阵列与单片机连接，第二电源模块为接收传感器阵列和单片机提供电源；接收传感器阵列接收发射传感器阵列发出的激光信号，并向单片机输出电信号；单片机与上位机相连，单片机处理接收到的电信号，并输出控制信号。
第一电源模块和第二电源模块均选择70w开关电源，可以提供不共地的+12v与+5v的电源，分别给发射传感器、接收传感器、光调制电路、光解调电路及单片机供电。
由于激光的聚光性好，测量精度取决于接收传感器与发射传感器之间的距离，精度越高在要求测量范围内的传感器数量就要求越多，出于降低成本、和测量速度的考虑，采用8位的C51单片机。为了进一步提高测量精度可以增加传感器的数量，这里采用口扩展的方法来增加传感器的数量。单片机通过串口通信模块与上位机连接。串口通信模块采用R232电平转换电路，可以实现与上位机的通信，在上位机上采用基于VC++开发环境的界面编程，可以实现将串口数据直接显示在屏幕上。
参见图2，图2为校准装置旋转机械结构图。由于激光的直线性、聚光性很好，在远距离的光传输中光的发散性不大，但这就对发射传感器的光路校准提出了较高的要求，本发明中采用了机械校准装置以方便光路校准，采用摇臂1转动带动齿轮2与传感器轴3旋转，以接受传感器轴3作为参照物，当光路对准以后，校准指示灯会发光，指示光路已经对齐。具体的校准装置工作示意图以及校准指示电路如图3、图4所示。发射传感器采用了半导体激光发射管加光调制电路，光调制电路采用多谐振荡器对光信号进行调制；接收传感器采用了红外接收二极管和光解调电路，以抵御日光干扰，光解调电路采用单稳态触发器对信号进行解调。
接收传感器的输出信号与单片机的连接采用光耦隔离，可以实现12v到5v的电平转换，在提高抗干扰的基础上起到不共地保护电路的作用。
参见图5、12，在实际应用中，发射传感器阵列和接收传感器阵列组成的光幕采用垂直安装方式设置在检测站检测线两端。图5中，传感器10和传感器11安装在传感器轴3上。为了保证光路准确而采用机械校准装置，因为采用的是可见激光，可通过旋转发射光幕的方式来完成光路的校准，校准装置旋转机械结构如图2所示。为了满足精度的要求，发射传感器与发射传感器、接收传感器与接收传感器之间的中心距离决定了最大误差的程度，通过增加传感器密度的方法可以提高具体的测量精度。
参照图6、图7，激光发射管阵列和红外接收管阵列，信号处理电路包光调制电路和光解调电路，光调制电路对发送的信号进行处理(图6)，光解调电路对接收的信号进行处理(图7)。
为了解决抗日光干扰的问题，对于发射管阵列采用了光调制电路。光调制电路采用NE555定时器模块构成多谐振荡器，来实现对光信号的调制，555定时器采用12V供电，3端为信号输出端通过限流电阻与激光发射管相连。
光信号解调电路选择NE555定时器模块构成单稳态触发器，来实现对光信号的解调，以完成对日光的抗干扰功能，光接收采用红外接收管实现，采用三极管实现反相器的作用，单稳态触发器的输出与单片机之间采用光耦来实现12v到5v的电平转换，并且可以起到不共地保护电路的作用。
参照图8、图9，激光光幕式传感器阵列的缺点是：虽然激光的光散性很小，可以实现很高精度的测量，但是日光、强光对接收端的信号接收，构成了很强的干扰，限制了接收端的灵敏度，所以在光信号的调制上采用了多谐振荡器对光信号进行调制，采用单稳态触发器对信号进行解调。为了满足解调信号的要求，在振荡器的输出波形上采用高低电平持续时间差异很大的方式来实现对光信号的调制，即T2＜＜T1。具体的时间计算公式如下：T1＝0.7(R1+R2)C1、T2＝0.7R2C1。对于光解调电路而言，只有当触发脉冲(T2)来临的时候才会输出高电平，所以对于连续的日光、强光不会产生反应起到了抗干扰的能力，其中单稳态触发器触发的条件T2＜＜tw，tw的计算公式如下所示：tw＝1.1R3C1，解调信号输出的依然为一个交流信号所以要通过一个低通滤波器将输出信号变为直流信号输出。
参考图10，单片机采用判断接收传感器阵列中的接收管是否被挡的原理来实现对高度的测量。在程序中考虑到了，是否有车通过、是否通过完毕等情况，可以实现对运动物体的测量。尤其是车辆、不规则运动体的动态测量。具体的流程图下：首先初始化变量、初始化串口，其次判断是否有车通过，(在单片机中用flag_car变量来表示是否有车通过，1为有车通过，0为无车通过)。假如在有车来的情况下，首先从接收端读入数据，如果接收端被阻挡的话，端口会为低电平，此时对a[i]置位。(a[i]用来指示对应管号i的传感器是否被挡，1为被挡，0为没挡，设计有40对传感器)，判断车是否通过完毕，如果没有就继续读取端口数据对数组a置位，直到车辆通过完毕为止。假设车辆已经通过完毕，此时应该判断车辆的最高高度是多少，判断方法采用从上向下的判断方法来实现，通过判断出最高被挡的管号number，使用计算公式算出具体的高度real_height并通过串口输出。其中height为最高传感器的高度，error为传感器之间的间距，该值决定了测量的最大误差。采用这种测量方法，可以动态测量运动物体的最高高度并输出测量结果，并且可以测量镂空物体的高度，测量误差由传感器之间的间距决定，可以通过缩小间距增加传感器密度来加强测量精度。
参考图11，单片机的数据通信采用MAX232串口芯片来完成TTL电平到串口电平的转换，在上位机中可以采用可视化界面对数据进行显示。
采用本发明的激光光幕式车辆高度检测仪，当车辆或物体通过检测线时，在检测站检测线两端的发射传感器阵列和接收传感器采集车辆或物体的高度信号，采集到的信号经过转换电路后传送到单片机，单片机进行数据处理，最后输出车辆高度信息，上位机显示车辆高度信息。

Claims (9)

1.一种激光光幕式车辆高度检测仪，其特征在于，包括发射传感器阵列和接收传感器阵列组成的光幕，所述的发射传感器阵列由半导体激光管发射阵列和光调制电路组合连接而成，所述的接收传感器阵列由红外管接收阵列和光解调电路组合连接而成，所述的发射传感器阵列由第一电源模块提供电源；所述的接收传感器阵列与单片机连接，第二电源模块为接收传感器阵列和单片机提供电源；接收传感器阵列接收发射传感器阵列发出的光束信号，并向单片机转换输出电信号；单片机与上位机相连，单片机处理接收到的电信号，并输出控制信号。
2.如权利要求1所述的激光光幕式车辆高度检测仪，其特征在于，所述的接收传感器阵列与单片机的连接采用光耦隔离，实现12v到5v的电平转换。
3.如权利要求1所述的激光光幕式车辆高度检测仪，其特征在于，所述的发射传感器阵列和接收传感器阵列组成的光幕采用垂直安装方式设置在检测站检测线两端。
4.如权利要求1所述的激光光幕式车辆高度检测仪，其特征在于，所述的单片机选择C51单片机。
5.如权利要求1所述的激光光幕式车辆高度检测仪，其特征在于，所述的光调制电路和光解调电路采用555定时器模块。
6.如权利要求1所述的激光光幕式车辆高度检测仪，其特征在于，所述的第一电源模块、第二电源模块均选择70w开关电源。
7.如权利要求1所述的激光光幕式车辆高度检测仪，其特征在于，所述的单片机通过串口通信模块与上位机连接，该串口通信模块采用R232电平转换电路。
8.如权利要求1所述的激光光幕式车辆高度检测仪，其特征在于，所述的光调制电路采用多谐振荡器对光信号进行调制。
9.如权利要求1所述的激光光幕式车辆高度检测仪，其特征在于，所述的光解调电路采用单稳态触发器对信号进行解调。
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