一种用于雾霾路段的电动自行车自动限速装置的系统总体设计方案

王顺利　杜世勤　吴宏杰

摘 要 雾霾天气导致道路的能见度变差，高速行驶的汽车，容易造成诸如多车相撞等交通事故，给国家和人民群众生命财产造成重大损失，已引起各级政府、交通管理部门和全社会的关注。本模拟装置的设计旨在通过对雾霾天气中PM2.5细小颗粒物浓度的测量、感应进而控制电动自行车的速度以达到安全行驶的目的，并使驾驶人员尽可能少吸入大气中的细小颗粒物。

关键词 雾霾路段 电动自行车 车速控制 装置 系统总体设计

中图分类号：TP23 文献标识码：A

1系统设计概述

电机控制单元ECU是电动自行车自动限速装置的控制中心，其功能是是通过GP2Y1010AU夏普粉尘传感器对大气PM2.5浓度值进行实时检测，根据PM2.5的浓度值来判断电机是否要自动减速。5V直流电机控制单元由电机的驱动电路、测速电路、参数显示电路等组成。

设计中选择了GP2Y1010AU夏普粉尘传感器进行PM2.5浓度值的测量，通过模数转换器将粉尘传感器收到的信号转换成单片机可读的数字信号。另外用光电传感器检测5V直流电机的转速，将PM2.5的浓度值与5V直流电机的转速显示在1602液晶显示屏上。一旦PM2.5浓度值达到100%eg/m3以上，5V直流电机立即减速，以达到安全行驶的目的，并使驾驶人员尽可能少吸入大气中的细小颗粒物。

2系统主要器件选型及简介

2.1 GP2Y1010AUOF粉尘传感器

GP2Y1010AUOF粉尘传感器是日本夏普公司生产 的一款光学空气质量传感器。它被设计用来感应空气中的尘埃粒子，其内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管，使得其能够探测到空气中尘埃反射光，即使非常细小的如烟草烟雾颗粒也能够被检测到。由于它可测量0.8微米以上的微小粒子，感知烟草产生的烟气和花粉，房屋粉尘等，又具有体积小，重量轻，便于安装的优点，因此广泛应用于空气清新机，换气空调，换气扇等产品，尤其是在空气净化系统中应用。

（1）关于PM2.5传感器的检出方法

GP2Y1010AU插上电源后1秒内会稳定、正常地运作，可以进行检出。对GP2Y1010AU输出电压的绝对值，并不是判定检出的有无，我们推荐的使用方法是：无尘时，从输出电压的变化量来做判定。另外，更甚者可以根據输出电平时间上的变化来对检出对象物的种别进行判别。关于一般被采用的灰尘和烟的判别方法，作如下说明。

（2）关于PM2.5传感器的灰尘和烟的判别方法

从输出电平的大小的变化及输出电平时间的变化来看，可以知道检出对象物是什么。现在，对灰尘和烟检出时输出的区别，作如下说明。一般，香烟的烟是细微粒子，密度高，会扩散式的大范围漂移。与此相比，灰尘是一个一个大颗粒，密度低，断断续续式的进入灰尘传感器的检出领域。烟是连续的表现出较高的输出电压，灰尘是间隔的表现出较高的输出电压。因此，根据传感器的输出电压值（发光素子和已同期的脉冲输出电压值）在时间上的推移向微机软件的读取，是否无尘/是否有烟/是否有灰尘，不管是哪种状态，及空气污染的程度是多少，都可以进行检出。

另外，以前的旧机种GP2U05/06根据峰值保持电路，时定数较大，由于起落的应答时间较长，对于单个的灰尘，也有难以检出的情况发生。

2.2模数转换器——ADC0832

在单片机的实时测量和智能化仪表等系统中，常需要将检测的连续变化的模拟量如温度、压力、流量、速度等转换为数字量。单片机对这些数字量进行处理后再对控制对象进行控制。本模拟设计中需要对PM2.5传感器发出的信号进行采集，并转化为数字信号传送到单片机，由单片机进行下一步控制。本模拟设计使用ADC0832芯片来实现将模拟量信号转换为数字量信号。

ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电压输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0～5V 之间。芯片转换时间仅为32%eS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

2.3光电传感器

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制领域内得到广泛应用。

由于采用光电传感器，可以实现非接触测量。光电式转速测量仪表比较容易作为高频脉冲频率传感器。例如，可在每转中发出几万脉冲，因此分辨率高，可测极低的转速，测量范围几乎可从零转开始。光电传感器的结构简单、可靠、测量精度高等优点，因而本设计中选用了光电传感器。

本系统中主要使用光电传感器进行速度的检测。设计过程中主要考虑从脉冲式光电转速传感器的透射式和反射式两种中进行选择，因为脉冲式光电转速传感器多用于光电计数和光电式转速测量等场合。又由于透射式光电传感器比反射式光电传感器的测量精度高及使用场合，最终选择透射式光电传感器作为本系统检测速度的传感器。

参考文献

[1] 李东海，何彩霞.浅谈雾霾天气的识别及预警策略[J].安徽农学通报（下半月刊），2011，9（2）：2-3.

[2] 杨新兴，冯丽华，尉鹏.大气颗粒物PM2.5及其危害[J].前沿科学，2012，12（6）：2-3.