一種用于霧霾路段的電動自行車自動限速裝置的系統總體設計方案

王順利　杜世勤　吳宏杰

摘 要 霧霾天氣導致道路的能見度變差，高速行駛的汽車，容易造成諸如多車相撞等交通事故，給國家和人民群眾生命財產造成重大損失，已引起各級政府、交通管理部門和全社會的關注。本模擬裝置的設計旨在通過對霧霾天氣中PM2.5細小顆粒物濃度的測量、感應進而控制電動自行車的速度以達到安全行駛的目的，并使駕駛人員盡可能少吸入大氣中的細小顆粒物。

關鍵詞 霧霾路段 電動自行車 車速控制 裝置 系統總體設計

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A

1系統設計概述

電機控制單元ECU是電動自行車自動限速裝置的控制中心，其功能是是通過GP2Y1010AU夏普粉塵傳感器對大氣PM2.5濃度值進行實時檢測，根據PM2.5的濃度值來判斷電機是否要自動減速。5V直流電機控制單元由電機的驅動電路、測速電路、參數顯示電路等組成。

設計中選擇了GP2Y1010AU夏普粉塵傳感器進行PM2.5濃度值的測量，通過模數轉換器將粉塵傳感器收到的信號轉換成單片機可讀的數字信號。另外用光電傳感器檢測5V直流電機的轉速，將PM2.5的濃度值與5V直流電機的轉速顯示在1602液晶顯示屏上。一旦PM2.5濃度值達到100%eg/m3以上，5V直流電機立即減速，以達到安全行駛的目的，并使駕駛人員盡可能少吸入大氣中的細小顆粒物。

2系統主要器件選型及簡介

2.1 GP2Y1010AUOF粉塵傳感器

GP2Y1010AUOF粉塵傳感器是日本夏普公司生產 的一款光學空氣質量傳感器。它被設計用來感應空氣中的塵埃粒子，其內部對角安放著紅外線發光二極管和光電晶體管，使得其能夠探測到空氣中塵埃反射光，即使非常細小的如煙草煙霧顆粒也能夠被檢測到。由于它可測量0.8微米以上的微小粒子，感知煙草產生的煙氣和花粉，房屋粉塵等，又具有體積小，重量輕，便于安裝的優點，因此廣泛應用于空氣清新機，換氣空調，換氣扇等產品，尤其是在空氣凈化系統中應用。

（1）關于PM2.5傳感器的檢出方法

GP2Y1010AU插上電源后1秒內會穩定、正常地運作，可以進行檢出。對GP2Y1010AU輸出電壓的絕對值，并不是判定檢出的有無，我們推薦的使用方法是：無塵時，從輸出電壓的變化量來做判定。另外，更甚者可以根據輸出電平時間上的變化來對檢出對象物的種別進行判別。關于一般被采用的灰塵和煙的判別方法，作如下說明。

（2）關于PM2.5傳感器的灰塵和煙的判別方法

從輸出電平的大小的變化及輸出電平時間的變化來看，可以知道檢出對象物是什么。現在，對灰塵和煙檢出時輸出的區別，作如下說明。一般，香煙的煙是細微粒子，密度高，會擴散式的大范圍漂移。與此相比，灰塵是一個一個大顆粒，密度低，斷斷續續式的進入灰塵傳感器的檢出領域。煙是連續的表現出較高的輸出電壓，灰塵是間隔的表現出較高的輸出電壓。因此，根據傳感器的輸出電壓值（發光素子和已同期的脈沖輸出電壓值）在時間上的推移向微機軟件的讀取，是否無塵/是否有煙/是否有灰塵，不管是哪種狀態，及空氣污染的程度是多少，都可以進行檢出。

另外，以前的舊機種GP2U05/06根據峰值保持電路，時定數較大，由于起落的應答時間較長，對于單個的灰塵，也有難以檢出的情況發生。

2.2模數轉換器——ADC0832

在單片機的實時測量和智能化儀表等系統中，常需要將檢測的連續變化的模擬量如溫度、壓力、流量、速度等轉換為數字量。單片機對這些數字量進行處理后再對控制對象進行控制。本模擬設計中需要對PM2.5傳感器發出的信號進行采集，并轉化為數字信號傳送到單片機，由單片機進行下一步控制。本模擬設計使用ADC0832芯片來實現將模擬量信號轉換為數字量信號。

ADC0832為8位分辨率A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電壓輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0～5V 之間。芯片轉換時間僅為32%eS，據有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數據輸入端，可以輕易的實現通道功能的選擇。

2.3光電傳感器

光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此在檢測和控制領域內得到廣泛應用。

由于采用光電傳感器，可以實現非接觸測量。光電式轉速測量儀表比較容易作為高頻脈沖頻率傳感器。例如，可在每轉中發出幾萬脈沖，因此分辨率高，可測極低的轉速，測量范圍幾乎可從零轉開始。光電傳感器的結構簡單、可靠、測量精度高等優點，因而本設計中選用了光電傳感器。

本系統中主要使用光電傳感器進行速度的檢測。設計過程中主要考慮從脈沖式光電轉速傳感器的透射式和反射式兩種中進行選擇，因為脈沖式光電轉速傳感器多用于光電計數和光電式轉速測量等場合。又由于透射式光電傳感器比反射式光電傳感器的測量精度高及使用場合，最終選擇透射式光電傳感器作為本系統檢測速度的傳感器。

參考文獻

[1] 李東海，何彩霞.淺談霧霾天氣的識別及預警策略[J].安徽農學通報（下半月刊），2011，9（2）：2-3.

[2] 楊新興，馮麗華，尉鵬.大氣顆粒物PM2.5及其危害[J].前沿科學，2012，12（6）：2-3.