CN203190976U

CN203190976U - 一种激光接收器

Info

Publication number: CN203190976U
Application number: CN 201320178153
Authority: CN
Inventors: 刘刚; 李宏鹏; 王泷; 司永胜; 孟庆宽
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2023-04-10

Abstract

本实用新型公开了一种激光接收器，包括：滤光处理模块、信号调理模块、数据处理及传输模块和电源电压转换模块，所述电源电压转换模块分别与所述信号调理模块和所数据处理及传输模块连接。所述信号调理模块与所述滤光处理模块相连，用于将所述滤光处理模块提取出的激光信号调理成可被识别的脉冲信号；所述数据处理及传输模块与所述信号调理模块相连，用于将所述信号调理模块输出的脉冲信号进行模数转换，输出控制信号，同时通过差分输出编码信号。本实用新型提供的激光接收器的信号传输准确性高，抗干扰能力强，性能稳定，从而提高了土地平整的精度。

Description

一种激光接收器

技术领域

本实用新型涉及土地平整技术领域，特别涉及一种用于土地平整的激光接收器。

背景技术

农业是我国的用水大户，年用水总量为4000亿立方米，占全国总用水量的73%。地面灌水技术(如畦灌、沟灌、格田灌、漫灌等)仍是目前世界上，特别是发展中国家普遍采用的灌水方法。地面灌溉的面积约占全世界灌溉面积的90%以上，其中我国有98%以上的灌溉面积采用的是地面灌水。由于国情的制约，当前乃至今后很长一段时间内，地面灌溉在我国仍将是主要的灌溉方法。由于存在农田土地平整程度差、田间灌溉工程规格不合理等问题，致使我国地面灌溉条件下田间水的利用率较低，高低起伏的地势也会影响农作物长势，继而影响粮食产量。而精细平整的农田，不仅能大幅度节约农田灌溉用水、提高农用水的利用率；还能有效地提高肥料的利用率和抑制杂草的生长，进而提高作物产量、减少生产成本、提高农民收入。

农田的平整方法主要包括常规土地平整和精细土地平整。常规土地平整方法如推土机、耙、滚、轧等，都是仿形平整，具有成本低、操作简单，能够较好的改变宏观地形地貌。但是通常由于人工操纵和设备缺陷的原因，只能做到粗平，很难实现精细平整。而激光控制平地技术利用激光扫平仪和电子装置，自动控制液压系统调节平地铲的升降，实现农田精细平整。其完全采用高灵敏度、高精度且不受人为影响的自动化装置，平整精度超过常规平整技术。

目前已有技术用于土地平整的激光接收器在实际使用过程中存在着多种问题和不足：使用运算放大器实现微弱信号高倍放大，易产生高幅值噪声信号；使用模拟比较器进行有效信号和噪声信号筛选，无法有效识别、剔除噪声信号，易产生错误信号从而造成误动作；光电池与主电路板间通过金属支架和螺丝固定，安装不便，增加重量，易松动，造成接触不良；有效垂直接收范围小，对农田地势条件要求高。

实用新型内容

（一）要解决的技术问题

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种激光接收器，以克服现有技术的运算放大器因实现弱信号高倍放大产生的噪声信号，以及模拟比较器不能有效识别、剔除噪声信号易产生错误信号从而造成土地平整精度低的技术问题。

（二）技术方案

为了解决上述现有技术中的问题，本实用新型提供了一种用于土地精细平整的激光接收器，包括：滤光处理模块、信号调理模块、数据处理及传输模块和电源电压转换模块，所述电源电压转换模块分别与所述信号调理模块和所数据处理及传输模块连接；

信号调理模块，所述信号调理模块与所述滤光处理模块相连，用于将所述滤光处理模块提取出的激光信号调理成可被识别的脉冲信号；

数据处理及传输模块，所述数据处理及传输模块与所述信号调理模块相连，用于将所述信号调理模块输出的脉冲信号进行模数转换，输出控制信号，同时通过差分输出编码信号。

优选地，所述信号调理模块包括：

光电转换电路，用于将光信号转换为电流信号；

直流滤波电路，所述直流滤波电路与所述光电转换电路相连，用于滤除直流信号的干扰；

电流电压转换电路，所述电流电压转换电路与所述直流滤波电路相连，用于将电流信号转换为电压信号；

三级放大电路，所述三级放大电路与所述电流电压转换器相连，用于放大所述电压信号。

优选地，所述三级放大电路为一级增益固定放大电路、二级增益固定放大电路和三级增益可调放大电路。

优选地，所述一级增益固定放大电路包括由电阻、电容构成的二阶有源低通滤波电路。

优选地，所述三级放大电路均由运算放大器构成电压串联负反馈放大电路；

每一级反馈电阻两端并联电容；

每一级放大电路输出端串联电阻。

优选地，所述的电容为小电容，所述的电阻为小电阻。

优选地，所述光电转换电路包括：硅光电池电路板和主电路板；

所述硅光电池电路板包括60片硅光电池，分为4列，每列15片分为7层，4列相同层并联；每列从上到下分别为A、B、C、D、E、F、G层，每列中A层纵向并列3片，B层纵向并列2片，C层纵向并列2片，D层1片，E层纵向并列2片，F层纵向并列2片，G层纵向并列3片，相邻两片纵向间隔2mm；

所述硅光电池电路板位于所述主电路板两侧，与所述主电路板成60°夹角；

所述硅光电池电路板与所述主电路板间通过焊接固定，其焊接点为光电池输出端与所述主电路板的电气连接通道。

优选地，所述数据处理及传输模块包括微处理器、信号指示灯和RS485总线。

优选地，所述微处理器内置看门狗电路。

优选地，所述处理器选用MSP430F149。

（三）有益效果

本实用新型一种用于土地精细平整的激光接收器有如下效果：一、使用三级电压串联负反馈放大电路，采用多种相位补偿方法，实现恒压，提高了闭环增益稳定性，减小了非线性失真，抑制了反馈环内噪声，提高了信噪比；二、放大后的电压信号经微处理器AD采集进行模数转换，可以在较低放大倍数的前提下，减小运放因放大倍数过大产生的噪声信号，从而利于高效提取有效信号，同时方便记录噪音和信号的数字值，便于选择合理的阈值；三、7路信号接收和调理电路使垂直接收范围达328mm，平整精度达2cm，水平接收距离达300m；四、光电池与主电路板间的固定方式改为焊接，牢固性更强，焊点同时是电气通道，去除了电线；五、设备信号传输准确性高，抗干扰能力强，性能稳定。

附图说明

图1本实用新型的一种用于土地精细平整的激光接收器电路组成示意图；

图2电路板空间结构与硅光电池布局示意图；

图3电信号整理电路图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例一

本实施例记载了一种用于土地精细平整的新型激光接收器，滤光处理模块、信号调理模块、数据处理及传输模块和电源电压转换模块，所述电源电压转换模块与所述信号调理模块和所数据处理及传输模块连接；

信号调理模块，所述信号处理模块与所述滤光处理模块相连，用于将所述滤光处理模块提取出的激光信号调理成可被识别的脉冲信号；

数据处理及传输模块，所述数据处理及传输模块与所述信号处理模块相连，用于将所述信号调理模块输出的脉冲信号进行AD模数转换，输出控制信号，同时通过差分输出编码信号。

实施例二

如图1所示，本实施例记载的一种用于土地精细平整的新型激光接收器，包括滤光处理模块、信号调理模块、数据处理及传输模块和电源电压转换模块。

所述滤光处理模块包括一级高通吸收型滤光玻璃纸和二级带通干涉型滤光玻璃薄膜；所述信号调理模块包括光电转换电路、直流滤波电路、电流电压转换电路、二阶有源低通滤波电路、一级增益固定放大电路、二级增益固定放大电路和三级增益可调放大电路；所述数据处理及传输模块包括微处理器、信号指示灯和RS485总线。

本实施例的激光接收器各部分接口连接如下：

接收器采用两级组合滤光，一级滤光使用高通吸收型有机滤光纸，截止波长λ_c为600nm，厚度0.1mm，透射率90%以上；二级滤光使用带通干涉型玻璃薄膜，其峰值透过率不小于75%，带宽为100nm。

如图2所示，光电转换电路4包括硅光电池电路板和主电路板。激光接收器光电感应采用的硅光电池为国产2CR93，共包括60片硅光电池，分为4列，每列15片分为7层，4列相同层并联。每列从上到下分别为A、B、C、D、E、F、G层，分别代表地势超高、偏高、高、适中、低、偏低、超低，其中每列中A层纵向并列3片，B层纵向并列2片，C层纵向并列2片，D层1片，E层纵向并列2片，F层纵向并列2片，G层纵向并列3片，每片长20mm，宽5mm，相邻两片间隔2mm，有效感应范围可达328mm，平整精度达2cm。4列光电池电路板分别排布在主电路板两侧，并与主电路板成60°夹角，可实现360°信号接收。二者间通过焊接固定在一起，焊接点同时是光电池输出端与主电路板的电气连接通道。

如图3所示，图中为一路信号整理电路，其余六路原理与之相同，因此未在图中画出。硅光电池与线圈电感L并联，再与电容C1串联，线圈电感L通直流隔交流，电容C1通交流隔直流，二者起到直流滤波作用，滤除太阳光中红光波段直流信号的干扰，进一步提高输入信号的信噪比。电阻R1实现电流电压转换。运放U1和电阻R2、R3（R2=R3=R）以及C2、C3(C2=C3=C)组成二阶有源低通滤波电路，其中R2、C2构成第一阶低通滤波电路，R3、C3构成第二阶低通滤波电路，其截止频率为1/2πRC。运放U1和电阻R4、R5组成一级电压串联负反馈放大电路，闭环电压放大增益为1+R5/R4；反馈电阻R5两端并联电容C5，进行环路内补偿；U1输出端串联电阻R6进行环路外补偿。二级放大电路中运放U2正相输入端串联C6起隔直流的作用；运放U2和电阻R7、R8组成二级电压串联负反馈放大电路，闭环电压放大增益为1+R8/R7；反馈电阻R8两端并联电容C7，进行环路内补偿；U2输出端串联电阻R9进行环路外补偿。三级放大电路中运放U3正相输入端串联C9起隔直流的作用；运放U3和电阻R10、R11组成三级电压串联负反馈放大电路，闭环电压放大增益为1+R11/R10，调节R11大小可改变增益；反馈电阻R11两端并联电容C11，进行环路内补偿；U3输出端串联电阻R12进行环路外补偿。三个放大电路均为电压串联负反馈放大电路，实现了恒压输出，提高了闭环增益稳定性，减小了非线性失真，抑制了反馈环内噪声，提高了信噪比。在反馈电阻两端并联电容，电容为小电容，实现环路内补偿，抵消前端散杂电容引起的相位滞后。小电容的取值一般为0点几皮法到几十皮法几百皮法，可防止运放自激；在每一级放大电路输出端串联电阻，电阻为小电阻，实现环路外补偿，抵消因后端电路容性产生的相位滞后。小电阻的取值一般为十几欧到几十欧不等。两种补偿均可抑制运放震荡自激。运放U1、U2、U3均为单电源供电，引脚2都接地，引脚5都与VCC相连，并分别连接通地电容C4、C8、C10，起到电源去耦合滤波的作用。

微处理器选用MSP430F149（MSP430是美国TI公司推出的一款CPU，MSP代表混合信号处理器（Mixed Signal Processor），F代表FlashMemory，149是型号），其引脚59、60、61、2、3、4、5分别为AD转换器模拟输入通道A0-A6，分别与7路三级增益可调放大电路中的运放OPA237的引脚1（OUT）相连。引脚64为模拟电源正输入端AVCC，与+5V相连，提供模数转换最大参考电压VR+；引脚62为模拟电源负输入端AVSS，使用电阻R101和R102产生偏置电压，提供模数转换最小参考电压VR-；当输入模拟电压等于或高于VR+时，ADC12输出满量程值0FFFFH，当输入电压等于或小于VR-时，ADC12输出0；输入模拟电压的最终转换结果满足公式：N_ADC=4095×(V_in-V_R-)/(V_R+-V_R-)。模数转换后的数值与阈值比较，高于阈值视为有效信号，否则视为无效信号。引脚1为数字电源的正输入端DVCC，接+3.3V和去电源扰动电容C104；引脚63为数字电源的负输入端，接地。引脚53和52分别为晶振震荡器XT2的输入口和输出口，与8MHz晶振和两个30pF电容组成高速晶振电路。引脚12-18设置为通用I/O接口，分别通过电阻（R103、R105、R107、R109、R111、R113、R115）后与三极管NPN8050(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7)的基极相连，三极管发射极接地，集电极与发光二极管负极相连，正极经电阻（R104、R106、R108、R110、R112、R114、R116）后接+5V。微处理器引脚32为发送数据输出口UTXD0，接ADM2587E引脚7发送器输入口TXD；微处理器引脚33为接收数据输入口URXD0，接ADM2587E引脚4接收器输出口RXD；微处理器引脚36和37设置为通用I/O接口，分别接ADM2587E引脚6接收器输出使能端DE和引脚5发送器使能端

ADM2587E引脚2、8接+5V，并与通地电容C108、C109、C110相连，去除电源扰动；引脚1、3、9、10接地；引脚12、19接+5V，并与通地电容C111、C112相连，滤除电源扰动；引脚11、14、16、20接地；引脚13、18相连后串联电阻R117，作为输出端A；引脚15、17相连后串联电阻R118作为输入端B；A和B之间串联匹配电阻R119；A端和B端分别接P6KE系列瞬变二极管D1和D2，吸收浪涌电压，同时电阻R117、R118限制浪涌电流，起到了保护收发器的作用。微处理器复位电路使用内置的看门狗电路，以防程序跑飞。

电源电压转换电路使用LM1117，引脚1接+5V，同时并联去扰动电容C101；引脚2接地；引脚3并联通地电容C102、C103，输出+3.3V电压，并接入指示灯LED0和限流电阻R100。

接收器通过四芯航空插头和四芯屏蔽线与控制器相连，其中分别为一根+5V，一根地线，一根数据输出线，一根数据输入线。

本实用新型记载的激光接收器工作原理介绍如下：

激光发射器发出的激光信号和自然光穿过接收器两侧的接收窗口，经过一级高通吸收型滤光玻璃纸滤波后，滤除600nm波长以下的光，然后经过二级带通干涉型滤光玻璃薄膜滤波后，提取出600nm-700nm波长段的信号，而所使用的激光发射器激光信号波长为635nm或650nm，正好处于该波段；经两级滤波后的信号通过硅光电池转成微弱电流信号，然后通过直流滤波电路滤除太阳光中红光波段直流信号的干扰，电流信号再转换成电压信号；微弱电压信号经三级放大和低通有源滤波后，电压幅值达到采样要求，同时信噪比进一步提高；微处理器对放大后的信号进行高速模数转换，并进行信号编码，然后通过RS485总线经屏蔽电缆以串口信号传输给高程控制器，进行下一步运算处理，同时微处理器根据采样信号输出相应控制信号，驱动7路发光二极管指示接收器感应位置。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种激光接收器，包括：滤光处理模块、信号调理模块、数据处理及传输模块和电源电压转换模块，所述电源电压转换模块分别与所述信号调理模块和所数据处理及传输模块连接，其特征在于，

2.根据权利要求书1所述的激光接收器，其特征在于，所述信号调理模块包括：

光电转换电路，用于将光信号转换为电流信号；

直流滤波电路，所述直流滤波电路与所述光电转换电路相连，用于滤除红光波段直流信号的干扰；

三级放大电路，所述三级放大电路与所述电流电压转换电路相连，用于放大所述电压信号。

3.根据权利要求2所述的激光接收器，其特征在于，所述三级放大电路为一级增益固定放大电路、二级增益固定放大电路和三级增益可调放大电路。

4.根据权利要求3所述的激光接收器，其特征在于，所述一级增益固定放大电路包括由电阻、电容构成的二阶有源低通滤波电路。

5.根据权利要求2所述的激光接收器，其特征在于，所述三级放大电路均由运算放大器构成电压串联负反馈放大电路；

每一级反馈电阻两端并联电容；

每一级放大电路输出端串联电阻。

6.根据权利要求5所述的激光接收器，其特征在于：所述的电容为小电容，所述的电阻为小电阻。

7.根据权利要求2所述的激光接收器，其特征在于：所述光电转换电路包括：硅光电池电路板和主电路板；

所述光电池电路板包括60片硅光电池，分为4列，每列15片分为7层，4列相同层并联；每列从上到下分别为A、B、C、D、E、F、G层，其中每列中A层纵向并列3片，B层纵向并列2片，C层纵向并列2片，D层1片，E层纵向并列2片，F层纵向并列2片，G层纵向并列3片，相邻两片纵向间隔2mm；

8.根据权利要求1所述的激光接收器，其特征在于：所述数据处理及传输模块包括微处理器、信号指示灯和RS485总线。

9.根据权利要求8所述的激光接收器，其特征在于：所述微处理器内置看门狗电路。

10.根据权利要求8或9所述的激光接收器，其特征在于：所述处理器选用MSP430F149。