基于相位法的礦用激光測(cè)距儀設(shè)計(jì)

趙慶川

摘? ?要：針對(duì)傳統(tǒng)煤礦頂?shù)装逡平繙y(cè)量無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、檢測(cè)精度低、實(shí)用性差的問題，設(shè)計(jì)了一種采用集成相位法測(cè)距原理的激光測(cè)距模塊作為距離測(cè)量核心模塊的激光測(cè)距儀，顯著提高了頂?shù)装逡平繙y(cè)量的檢測(cè)精度和實(shí)時(shí)性。從器件選型、邏輯控制機(jī)制兩方面詳細(xì)介紹了降壓轉(zhuǎn)換電路、接口EMC電路、五位數(shù)碼管顯示電路、遙控電路、激光測(cè)距模塊接口電路、通訊電路六部分電路原理圖設(shè)計(jì)方案，以及測(cè)距儀的軟件執(zhí)行邏輯流程。測(cè)距儀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)基本性能和功能試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)距儀具有檢測(cè)精度高、煤礦頂?shù)装鍦y(cè)距實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)需求。

關(guān)鍵詞：相位法;激光測(cè)距;總線通訊;接口EMC;遙控電路

中圖分類號(hào)：TD326? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design of Mining Laser Rangefinder Based on Phase Method

ZHAO Qing-chuan1，2?

（1. Chongqing Research Institute，China Coal Technology Engineering Group，Chongqing 400039，China;

2. State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology，Chongqing 400039，China）

Abstract：Aiming at the problems of the traditional mine measuring instruments and methods about roof to floor convergence that can not be monitored in real time，the detection accuracy is low and the practicability is poor，an innovative laser rangefinder is designed，which uses the integrated phase ranging principle as the core module of distance measurement，and the detection accuracy and real-time performance of roof to floor convergence are greatly improved. Six parts of the circuit schematic scheme are presented in details from two aspects of device selection and logic control mechanism，including the step-down circuit，interface EMC circuit，five digital tube display circuit，remote control circuit，interface circuit of laser ranging module，communication circuit，and the software execution logic flow of the rangefinder are presented in details too. The basic performance and function of the rangefinder are tested in laboratory and field，the experimental results show that the rangefinder has the characteristics of high detection accuracy and strong practicability of coal mine roof to floor convergence，which meets the design requirements.

Key words：phase method;laser range finder;bus communication;interface EMC;remote control circuit

隨著礦井開采深度的增加，特別進(jìn)入超千米開采階段[1-2]，巷道圍巖呈現(xiàn)出明顯的軟巖變形特征，已成為實(shí)際意義上的深井高應(yīng)力軟巖。隨著礦井采深的增加頂板壓力逐漸增大[3]，圍巖變形現(xiàn)象更加突出。因自重效應(yīng)的影響，圍巖以垂直變形為主[4]。目前大多礦井采用錨固支護(hù)，兩幫及頂板進(jìn)行了錨固，因此垂直變形又以底鼓為主[5-7]。為了掌握巷道頂?shù)装遄冃蔚那闆r，大多礦井采用人工測(cè)量的方式，費(fèi)工費(fèi)時(shí)且測(cè)量準(zhǔn)確性差[8]。近年來，機(jī)械式頂?shù)装鍦y(cè)距儀和超聲波測(cè)距傳感器逐漸被用于圍巖變形測(cè)量，但是機(jī)械式頂?shù)装鍦y(cè)距儀雖然超聲波測(cè)距不受電磁、煙霧和粉塵等因素的干擾，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到分米量級(jí)[9]，不滿足礦井巷道頂?shù)装逡平烤_測(cè)量的需要。激光測(cè)距作為一種測(cè)量技術(shù)，與其它測(cè)量手段相比，因具有非接觸式、測(cè)量速度快、精度高、距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域[10-11]，并且測(cè)量精度受煤礦環(huán)境影響小。鑒于此，設(shè)計(jì)了一種基于相位法的礦用激光測(cè)距儀[12]，具有毫米級(jí)的檢測(cè)精度和較低的整機(jī)功耗，測(cè)距儀采用數(shù)碼管顯示，具有精度調(diào)校、超限報(bào)警等功能，通過RS485總線與監(jiān)控分站通訊，實(shí)現(xiàn)頂?shù)装逡平康膶?shí)時(shí)監(jiān)控。

1? ?測(cè)距儀工作原理及總體設(shè)計(jì)

1.1? ?相位法測(cè)量原理

相位法激光測(cè)距是對(duì)激光束按照無線電波段的角頻率ω和特定波長(zhǎng)λ進(jìn)行幅度調(diào)制[13-15]，通過測(cè)定調(diào)制后激光束在被測(cè)距離間往返一次所產(chǎn)生的相位延遲φ，換算此相位延遲所代表的距離D。其公式為

其中 U數(shù)值等于1/2λ，作為測(cè)距的1個(gè)單位長(zhǎng)度。n表示光束往返距離D所需波長(zhǎng)的整數(shù)值，Δn表示不足一個(gè)波長(zhǎng)的分量。

根據(jù)相位法激光測(cè)距原理及公式算法，我們?cè)O(shè)計(jì)了由激光調(diào)制發(fā)射電路、光電檢測(cè)電路、頻率綜合電路以及數(shù)字測(cè)向電路構(gòu)成的激光測(cè)距模塊，模塊與主板單片機(jī)采用UART串口通訊，將距離數(shù)據(jù)上傳給單片機(jī)。

1.2? ?傳感器總體設(shè)計(jì)

激光測(cè)距儀電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，測(cè)距儀硬件電路主要由電壓轉(zhuǎn)換電路、激光測(cè)距模塊、遙控處理、聲光報(bào)警、RS485通訊、數(shù)碼管顯示六部分電路組成。

測(cè)距儀采用低功耗的PIC24F32KA301單片機(jī)，單片機(jī)具有2路UART串口，一路用于激光測(cè)距模塊通訊，一路用于RS485通訊芯片交互數(shù)據(jù)。單片機(jī)內(nèi)置12位AD、片內(nèi)EEPROM等硬件資源，用于模擬信號(hào)采集和存儲(chǔ)報(bào)警點(diǎn)、通訊地址等參數(shù)，具有二十余個(gè)GPIO端口，可用于顯示驅(qū)動(dòng)和邏輯控制。

2? ?硬件電路設(shè)計(jì)

2.1? ?降壓電路設(shè)計(jì)

為測(cè)距儀供電的關(guān)聯(lián)本安電源輸出電壓為24 V，而測(cè)距儀的電路主板元器件主要供電電壓為5 V以內(nèi)，因此測(cè)距儀設(shè)計(jì)降壓轉(zhuǎn)換電路將9～24 V直流電壓轉(zhuǎn)換為適合單片機(jī)及元件工作的5 V電壓，降壓電路如圖2所示。

電壓轉(zhuǎn)換電壓核心芯片采用TI公司的DC-DC開關(guān)電源芯片LM25011，該芯片輸入電壓可達(dá)42 V，最大輸出電流2 A，完全滿足激光模塊激光器工作時(shí)瞬態(tài)電流要求。芯片在輸出電流200 mA時(shí)轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%以上，且芯片具有內(nèi)部集成延時(shí)緩啟動(dòng)功能，從而有效平滑電源電壓波動(dòng)。芯片第8引腳FB處的反饋電壓為2.5 V，精度為±2%，通過R2、R3電阻構(gòu)成分壓反饋電路，因此輸出電壓為4 V。LM25011芯片靜態(tài)電流11.5 uA，滿足測(cè)距儀電壓高效率轉(zhuǎn)換及低功耗設(shè)計(jì)的需求。

單片機(jī)工作電壓為2.0～3.6 V，兼顧效率和功耗，單片機(jī)采用3.3 V供電，采用型號(hào)為MCP1702的LDO芯片將4 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V。

2.2? ?接口EMC電路

為提高測(cè)距儀的可靠性，必須對(duì)供電輸入端口及RS485輸出接口設(shè)計(jì)保護(hù)電路，提高電路防護(hù)靜電、浪涌電流、群脈沖干擾的能力。接口保護(hù)電路如圖3所示，在供電輸入端口設(shè)計(jì)了型號(hào)為5KP33CA的TVS保護(hù)器件，標(biāo)稱保護(hù)電壓為33 V，可承受7000 V瞬變電壓。在RS485通信口設(shè)計(jì)了型號(hào)為SMCJ12CA 的TVS1保護(hù)器件，標(biāo)稱保護(hù)電壓為12 V，可承受3000 V瞬變電壓。在供電輸入正極串聯(lián)了型號(hào)為SS14的二極管，避免了電源正負(fù)極錯(cuò)接對(duì)電路板器件的損壞。

2.3? ?數(shù)碼管顯示電路

設(shè)計(jì)的激光測(cè)距儀檢測(cè)量程為0～10 m，最小分辨率為1 mm。數(shù)碼管顯示電路具有5位段碼式數(shù)碼管，第一位為狀態(tài)顯示位，后四位為顯示數(shù)值。1 mm顯示樣式為0.001，單位為米。顯示電路采用動(dòng)態(tài)掃描設(shè)計(jì)，每位數(shù)碼管8段全亮?xí)r工作電流為2 mA左右。電路共需要“DB0、DB1、DB2、DB3、DB4、DB5、DB6、DB7”8根控制顯示段位LED燈的引線，以及“LED4、LED3、LED2、LED1、LED0”5根數(shù)碼管陽極供電控制引腳線，由單片機(jī)GPIO端口串聯(lián)阻值為1K電阻直接驅(qū)動(dòng)。

采用圖4所示的動(dòng)態(tài)顯示電路，任意時(shí)刻只有一位數(shù)碼管在上電點(diǎn)亮顯示，同時(shí)DB0～ DB7輸出對(duì)應(yīng)字符的邏輯電平。每位數(shù)碼管的刷新頻率為30 Hz，而人眼能夠識(shí)別的閃爍為25 Hz以下，因此動(dòng)態(tài)顯示電路在實(shí)現(xiàn)高亮度顯示監(jiān)測(cè)數(shù)值功能同時(shí)顯著降低工作電流。

2.4? ?遙控電路設(shè)計(jì)

遙控電路采用型號(hào)為IRM-3638的紅外線接收頭接受操作信息指令，包括精度、報(bào)警點(diǎn)、通訊地址等參數(shù)都需要設(shè)置。具體電路如如圖5所示。

電路主要包括紅外線接收頭IR1和三極管Q5及R9、R10、C5阻容器件組成。紅外線接收頭IR1接收到經(jīng)調(diào)制的一定頻率的紅外光后，會(huì)在1管腳輸出高低電平信號(hào)。當(dāng)IR1輸出高電平時(shí)，Q5導(dǎo)通，Infra-red信息為“0”;當(dāng)IR1輸出低電平時(shí)，Q5為高阻抗?fàn)顟B(tài)，Infra-red信息為“1”。單片機(jī)采集到Infra-red信息及持續(xù)時(shí)間信息后，經(jīng)過信息編碼邏輯算法處理即可識(shí)別出遙控信息的指令，從而實(shí)現(xiàn)傳感器設(shè)置信息的輸入識(shí)別。

2.5? ?激光測(cè)距模塊接口電路設(shè)計(jì)

激光測(cè)距模塊工作電壓為3.3 V，設(shè)計(jì)采用LDO芯片將4 V供電電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V。LDO芯片型號(hào)為TPS77633，輸出最大電流500 mA，滿足激光測(cè)距模塊瞬態(tài)工作電流設(shè)計(jì)要求。

激光測(cè)距模塊接口電路如圖6所示。為了降低激光測(cè)距儀的整機(jī)功耗，測(cè)距模塊采用由單片機(jī)控制的間歇式供電方式。當(dāng)MKGD為高電平時(shí)，TPS77633芯片輸出使能引腳EN為低電平，芯片輸出精度為2%的3.3 V，測(cè)距模塊上電工作;當(dāng)MKGD為高電平時(shí)，TPS77633芯片輸出使能引腳EN為高電平，芯片無輸出。

單片機(jī)與測(cè)距模塊采用UART串口交互命令和數(shù)據(jù)，波特率為19.2 kbps，單片機(jī)每隔10 s讀取一次測(cè)距模塊的距離測(cè)量數(shù)據(jù)。