专利名称：多功能公路冰雪传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气象传感器，尤其涉及一种多功能公路冰雪传感器。背景内容行驶车辆追尾是高速公路最严重的交通事故。造成追尾事故的气象因素不仅有霜 雾所带来的能见度原因，雨雪天气尤其是大雨暴雪亦能显著降低能见度。另外，道路润湿、 冻结使得路面附着系数减少，路面抗滑能力大幅度下降，也是造成追尾事故的重要气象因 素。在高速公路设立冰雪监测，实时发布监测路段的冰雪气象信息，以及由冰雪信息综合 生成的监测路段行车安全参数包括道路、安全车距及车速阈值信息，对预防车辆追尾、确 保行车安全有着重要意义。然而，冰雪监测尚无合适的传感器，基本上仍停留在人工观测阶 段。因此，加速研发冰雪传感器，用以监测高速公路的积雪及能见度的改变，是预防车辆追 尾不容忽视的交通气象监测项目及设施。另外，由于高速公路各路段气象分布的不均勻性，若在高速公路多路段布设气象 监测点，冰雪传感器的结构成本是一个能否付诸实施的瓶颈问题，当然也是冰雪传感器结 构设计的关键所在。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种多功能公路冰雪 传感器。本发明不仅能定量监测道路的降雪量、降雪强度和降雪历时等，而且还具有融雪、 雨、相对湿度和环境温度监测于一体的诸多功能，较好地解决了传感器结构成本的问题。本发明的目的是这样实现的采用全电子式结构，无运动件磨损，测量精度高、安装校正方便，并能根据冰雪参 数的变化，自动生成或调整高速公路不同路段的安全车距及车速的示警阈值，为预警追尾、 超速等事故的发生和提高道路通畅率，提供了科学依据及安全保证，该传感器还可方便地 应用于机场、铁路等交通运输场合。具体地说，本发明包括金属罐体，不锈钢支架，由冰雪感应板和冰雪感应信号调理 电路组成的冰雪感应模块，不锈钢承水器，第一、二 PTC发热元件，由水量测量敏感元件和 水量测量信号调理电路组成的水量测量模块，出水槽，环境温度测量模块，微处理器，系统 电路板，时间测量电路，RS.232通信接口模块和第一、二继电器电路；在金属罐体中，从上到下，通过不锈钢支架依次设置有倾斜放置的冰雪感应板、不 锈钢承水器、水量测量敏感元件和出水槽；在不锈钢承水器和冰雪感应板背面分别设置有第一 PTC发热元件和第二 PTC发热 元件，融化的冰雪或雨水流入水量测量敏感元件，并经出水槽流出；在金属罐体的外壁设置有环境温度测量模块，在金属罐体的内壁设置有系统电路 板；在系统电路板上设置有微处理器及分别和微处理器连接的冰雪感应信号调理电路，水 量测量信号调理电路，时间测量电路，RS_232通信接口模块和第一、二继电器电路NK、NJ ；第一继电器电路NK与第一 PTC发热元件PTC1连接，第二继电器电路NJ与第二PTC发热元件PTC2连接。本发明的工作原理为当环境温度测量模块测量的环境温度高于摄氏零度，冰雪感应板采样辩识有降水 时，承水器将收集的雨水引入水量测量敏感元件用以测量降水量、降水强度、降水历时等参 数，微处理器根据该路段、该时刻降水参数的变化自动生成车辆行驶速度、车间距限制阈 值，并通过RS_232通信接口模块传送至PC机显示降水等参数或者再经过GSM/GPRS模块将 该数据远程发送给控制终端。当环境温度测量模块测量的环境温度高于摄氏零度，冰雪感应板采样辩识有霜雾 时，冰雪感应板根据相对湿度的变化，定量测量霜雾的大小，并在单位时间内启动冰雪感 应板背面的PTC发热元件，迅速加热干燥冰雪感应板以重新测量相对湿度变化，且并通过 RS_232通信接口模块传送至PC机显示相对湿度或者再经过GSM/GPRS模块将该数据远程发 送给控制终端。当环境温度测量模块测量的环境温度小于、等于摄氏零度，冰雪感应板采样辩识 有冰雪时，微处理器在单位时间内启动冰雪感应板背面的PTC发热元件，迅速加热冰雪感 应板，融化的冰雪通过承水器引入水量测量敏感元件用以测量降雪量、降雪强度、降雪历时 等参数，微处理器根据该路段、该时刻冰雪参数的变化自动生成车辆行驶速度、车间距限制 阈值，并通过RS_232通信接口模块将运算后的数据传送至PC机或者再经过GSM/GPRS模块 将数据远程发送给控制终端。本发明具有下列优点和积极效果1、可用于多种场合下的雪、雨、雾综合测量，测量范围广、精度高；2、无运动件磨损，可靠性高、使用寿命长；3、价格低廉，性价比高。
图1是本发明的结构示意图；图2是微处理器控制结构方框图；图3A是冰雪感应板结构示意图(主视)；图3B是冰雪感应板安装在不锈钢支架上结构示意图(侧视)；图4是冰雪感应信号调理电路原理图；图5是水量测量信号调理电路原理图；图6为微处理器控制电路原理图。其中00-金属罐体；10-不锈钢支架；20-冰雪感应模块，21-冰雪感应板，22-冰雪感应信号调理电路；30-不锈钢承水器；50-水量测量模块，
51-水量测量敏感元件，52-水量测量信号调理电路；60-出水槽；70-环境温度测量模块；80-微处理器；90-系统电路板；100-时间测量电路；110-RS_232 通信接 口 模块；PTC1-第一 PTC发热元件，PTC2-第二 PTC发热元件；NK-第一继电器电路，NJ-第二继电器电路。
具体实施例方式下面结合附图与实施例，对本发明详细说明一、总体结构本发明设置在高速公路相关路段的各个冰雪监测点上。如图1、2，本发明包括金属罐体00，不锈钢支架10，由冰雪感应板21和冰雪感应 信号调理电路22组成的冰雪感应模块20，不锈钢承水器30，第一、二 PTC发热元件PTC1、 PTC2，由水量测量敏感元件51和水量测量信号调理电路52组成的水量测量模块50，出水 槽60，环境温度测量模块70，微处理器80，系统电路板90，时间测量电路100，RS_232通信 接口模块110和第一、二继电器电路NK、NJ ；在金属罐体00中，从上到下，通过不锈钢支架10依次设置有倾斜放置的冰雪感应 板21、不锈钢承水器30、水量测量敏感元件51和出水槽60 ； 在不锈钢承水器30和冰雪感应板21背面分别设置有第一 PTC发热元件PTC1和第 二 PTC发热元件PTC2，融化的冰雪或雨水流入水量测量敏感元件51，并经出水槽60流出；在金属罐体00的外壁设置有环境温度测量模块70，在金属罐体00的内壁设置有 系统电路板90 ；在系统电路板90上设置有微处理器80及分别和微处理器80连接的冰雪 感应信号调理电路22，水量测量信号调理电路52，时间测量电路100，RS_232通信接口模块 110和第一、二继电器电路NK、NJ ；第一继电器电路NK与第一 PTC发热元件PTC1连接，第二继电器电路NJ与第二 PTC发热元件PTC2连接。二、功能块结构1、冰雪感应模块20如图2，冰雪感应模块20由前后连接的冰雪感应板21和冰雪感应信号调理电路 22组成。如图3A、图3B，冰雪感应板21由镶嵌于绝缘材质底版211上的呈圆环型交错结构 的两组金属箔条N1、N2和涂覆金属箔条N1、N2表面的绝缘、防水涂层构成；两组金属箔条 NUN2分别通过两根导线与冰雪感应信号调理电路22的输入端相连。如图4，冰雪感应信号调理电路22由正弦波发生器221、跟随器222、反相放大器 223、正弦波移相器224、正弦波/方波转换器225、冰雪感应板的测量电路226、模拟开关
6227、有源低通滤波器228和同相放大器229组成正弦波发生器221输出端接跟随器222输入端；跟随器222的输出端分为两路一 路经冰雪感应板21接入冰雪感应板的测量电路226，另一路经反相放大电路223接正弦波 移相器224输入端；正弦波移相器224输出至正弦波/方波转换器225完成波形转换后输 出至模拟开关227的开关控制端，模拟开关227的输入端与冰雪感应板测量电路226的输 出端相连，模拟开关227输出至有源低通滤波器228输入端，有源低通滤波器228的输出至 同相放大器229输入端；同相放大器229的输出端V1N与微处理器80的AIN0端相连。经过防水及高绝缘处理后的冰雪感应板21能方便地将霜、雾、雨、雪变化转换为 区别明显的电信号，被调理的模拟信号经过微处理器80内部的16位A/D电路转换成数字 信号提供给微处理器80进行辩识运算及线性修正，微处理器80根据霜雾和冰雪的检测值 变化，分别采用不同的定时加热时间，自动启动不锈钢承水器30背面的第一 PTC发热元件 PTC1或冰雪感应板21背面的第二 PTC发热元件PTC2，迅速干燥冰雪感应板21以重新测量 相对湿度及降雪变化，并通过RS_232通信接口模块110将运算后的数据传送至PC机或者 再经过GSM/GPRS模块将数据远程发送给控制终端。2、水量测量模块50如图2，水量测量模块50由前后连接的水量测量敏感元件51和水量测量信号调理 电路52组成。所述的水量测量敏感元件51由多片经绝缘处理后的金属极板组成。如图5，水量测量信号调理电路52由正弦波发生器521、跟随器522、反相放大器 523、正弦波移相器524、水量测量电路525、消噪放大器526和同相放大器527组成正弦波发生器521的输出端与跟随器522的输入端相连；跟随器522的输出端分 为两路一路与消噪放大器526的参考输入端10脚相连；另一路接入反相放大器523的输 入端；反相放大器523的输出端经水量测量敏感元件51后与水量测量电路225的输入端相 连；水量测量电路225的输出端与消噪放大器526的同相输入端1脚相连；消噪放大器526 输出端接同相同相放大器527 ；同相放大器527的输出端与微处理器80的Aim端相连。雨水及融化后的冰雪经水量测量敏感元件51和水量测量信号调理电路52转换为 模拟电信号后，通过微处理器80内部的16位A/D电路转换成数字信号提供给微处理器80 进行雨(雪)型、雨(雪)量辩识运算及线性修正。3、第一、二 PTC 发热元件 PTC1、PTC2第一、二 PTC发热元件PTC1、PTC2为常用元件。4、环境温度测量模块70环境温度测量模块70选用DS1820数字温度传感器。5、时间测量电路100时间测量电路100选用DS1302芯片。6、RS_232 通信接 口模块 110RS_232通信接口模块110为常用电路。7、第一、二继电器电路NK、NJ第一、二继电器电路NK、NJ为常用电路。8、微处理器80
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微处理器80选用C8051F060型高速混合信号ISP FLASH微控制器。如图2、6，微处理器80的工作过程如下微处理器80通过P10、P11 口与DS1820数字温度传感器连接，用以直接测量和实 时监测环境温度变化。微处理器80通过P12、P13、P14 口与由DS1302构成的时间测量电路相连，以确保
采集数据的时间戳信息记录。微处理器80通过POO、P01引脚与RS_232通信接口模块110相连。微处理器80通过P15、P16再分别通过晶体管3DG4的集电极与第一、二继电器电 路NK、NJ的线圈端相连，两继电器的常开触点分别控制第一、二 PTC发热元件PTC1、PTC2的开启。微处理器80通过AIMKAim两脚分别连至冰雪感应信号调理电路22和水量测量 信号调理电路52的模拟信号输出端，并通过微处理器80内部的两路16位A/D转换器完成 模数转换，微处理器80根据雨(雪)型、雨(雪)量的辩识运算及线性修正值，经查表及运 行插值公式后，自动生成车辆行驶速度、车间距限制阈值，并通过RS_232接口电路将相关 数据传送至PC机或者再经过GSM/GPRS模块将数据远程发送给控制终端。9、金属罐体00金属罐体00是一种金属容器。10、不锈钢支架10不锈钢支架10供固定和连接其内的各功能块用。11、不锈钢承水器30不锈钢承水器30是一种盆状体。12、出水槽 60出水槽60呈漏斗状。三、工作过程描述系统初始化后微处理器以固定周期监测温度传感器DS1820采集的温度值。(1)当该值大于零摄氏度时，经过防水及高绝缘处理后的冰雪感应板能可靠地将 霜雾、雨变化转换为区别明显的电信号，被调理的模拟信号由A/D转换成数字信号后提供 给微处理器进行辩识运算及线性修正，冰雪感应板若检测到霜雾时；微处理器根据霜雾的 检测值变化，自动启动冰雪感应板背面的PTC发热元件，迅速干燥冰雪感应板以重新测量 相对湿度变化。并通过RS_232接口电路将运算后的霜雾数据传送至PC机或再经过GSM/ GPRS模块远程发送给控制终端。冰雪感应板若检测到降雨时；通过承水器、将雨水引导至 水量测量电路模块转换为模拟电信号后，通过微处理器内部的16位A/D电路转换成数字 信号提供给微处理器CPU进行雨型、雨量辩识运算及线性修正，微处理器根据运算及线性 修正值、经查表及运行插值公式、自动生成车辆行驶速度、车间距阈值，并通过RS_232通信 接口电路将降雨量、降雨强度、降雨起止时间及车辆速度、车间距阈值等相关数据传送至PC 机或者再通过GSM/GPRS模块无线远程发送给控制终端。(2)当该值等于或者小于零摄氏度，冰雪感应板若检测到冰雪时；微处理器根据 冰雪的检测值变化，分别采用不同的定时加热时间，自动启动冰雪感应板和承水器背面的 PTC发热元件，加热融化后的冰雪经水量测量敏感元件及信号调理电路转换为模拟电信号，并通过微处理器内部的16位A/D转换电路供给CPU进行雪型、雪量辩识运算及线性修正。 微处理器根据运算及线性修正值、经查表及运行插值公式后、自动生成车辆行驶速度、车间 距阈值，且通过RS_232通信接口电路将降雪量、降雪强度、降雪起止时间及车辆速度、车间 距阈值等相关数据传送至PC机或者再通过GSM/GPRS模块无线远程发送给控制终端，从而 为高速公路的冰雪天气的安全车速阈值及车间距阈值提供各路段实时的气象信息。
权利要求
一种多功能公路冰雪传感器，其特征在于包括金属罐体(00)，不锈钢支架(10)，由冰雪感应板(21)和冰雪感应信号调理电路(22)组成的冰雪感应模块(20)，不锈钢承水器(30)，第一、二PTC发热元件(PTC1、PTC2)，由水量测量敏感元件(51)和水量测量信号调理电路(52)组成的水量测量模块(50)，出水槽(60)，环境温度测量模块(70)，微处理器(80)，系统电路板(90)，时间测量电路(100)，RS_232通信接口模块(110)和第一、二继电器电路(NK、NJ)；在金属罐体(00)中，从上到下，通过不锈钢支架(10)依次设置有倾斜放置的冰雪感应板(21)、不锈钢承水器(30)、水量测量敏感元件(51)和出水槽(60)；在不锈钢承水器(30)和冰雪感应板(21)背面分别设置有第一PTC发热元件(PTC1)和第二PTC发热元件(PTC2)，融化的冰雪或雨水流入水量测量敏感元件(51)，并经出水槽(60)流出；在金属罐体(00)的外壁设置有环境温度测量模块(70)，在金属罐体(00)的内壁设置有系统电路板(90)；在系统电路板(90)上设置有微处理器(80)及分别和微处理器(80)连接的冰雪感应信号调理电路(22)，水量测量信号调理电路(52)，时间测量电路(100)，RS 232通信接口模块(110)和第一、二继电器电路(NK、NJ)；第一继电器电路(NK)与第一PTC发热元件(PTC1)连接，第二继电器电路(NJ)与第二PTC发热元件(PTC2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种多功能公路冰雪传感器，其特征在于冰雪感应模块(20)由前后连接的冰雪感应板(21)和冰雪感应信号调理电路(22)组成；所述的冰雪感应板(21)由镶嵌于绝缘材质底版(211)上的呈圆环型交错结构的两组 金属箔条(Ni、N2)和涂覆两组金属箔条(Ni、N2)表面的绝缘、防水涂层构成；两组金属箔 条(N1、N2)分别通过两根导线与冰雪感应信号调理电路(22)的输入端相连；所述的冰雪感应信号调理电路(22)由正弦波发生器(221)、跟随器(222)、反相放大器 (223)、正弦波移相器(224)、正弦波/方波转换器(225)、冰雪感应板的测量电路(226)、模 拟开关(227)、有源低通滤波器(228)和同相放大器(229)组成正弦波发生器(221)输出端接跟随器(222)输入端；跟随器(222)的输出端分为两路 一路经冰雪感应板(21)接入冰雪感应板的测量电路(226)，另一路经反相放大电路(223) 接正弦波移相器(224)输入端；正弦波移相器(224)输出至正弦波/方波转换器(225)完 成波形转换后输出至模拟开关(227)的开关控制端，模拟开关(227)的输入端与冰雪感应 板测量电路(226)的输出端相连，模拟开关(227)输出至有源低通滤波器(228)输入端，有 源低通滤波器(228)的输出至同相放大器(229)输入端；同相放大器(229)的输出端VlN 与微处理器(80)的AINO端相连。
3.根据权利要求1所述的一种多功能公路冰雪传感器，其特征在于水量测量模块(50)由前后连接的水量测量敏感元件(51)和水量测量信号调理电路 (52)组成；所述的水量测量敏感元件(51)由多片经绝缘处理后的金属极板组成；所述的水量测量信号调理电路(52)由正弦波发生器(521)、跟随器(522)、反相放大器 (523)、正弦波移相器(524)、水量测量电路(525)、消噪放大器(526)和同相放大器(527)组成； 正弦波发生器(521)的输出端与跟随器(522)的输入端相连；跟随器(522)的输出 端分为两路一路与消噪放大器(526)的参考输入端10脚相连；另一路接入反相放大器 (523)的输入端；反相放大器(523)的输出端经水量测量敏感元件(51)后与水量测量电路 (225)的输入端相连；水量测量电路(225)的输出端与消噪放大器(526)的同相输入端1脚 相连；消噪放大器(526)输出端接同相同相放大器(527)；同相放大器(527)的输出端与微 处理器(80)的Aim端相连。
全文摘要
本发明公开了一种多功能公路冰雪传感器，涉及一种气象传感器。本发明包括金属罐体，不锈钢支架，由冰雪感应板和冰雪感应信号调理电路组成的冰雪感应模块，不锈钢承水器，第一、二PTC发热元件，由水量测量敏感元件和水量测量信号调理电路组成的水量测量模块，出水槽，环境温度测量模块，微处理器，系统电路板，时间测量电路，RS_232通信接口模块和第一、二继电器电路。本发明可用于多种场合下的雪、雨、雾综合测量，测量范围广、精度高；无运动件磨损，可靠性高、使用寿命长；价格低廉，性价比高。
文档编号G01W1/14GK101852870SQ20091006136
公开日2010年10月6日 申请日期2009年4月1日 优先权日2009年4月1日
发明者熊昌仑, 谢辉, 谭福耀 申请人:武汉大学