专利名称：高速公路雾天智能限速显示装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种测报装置，特别是涉及一种应用于高速公路上在雾天行车时能够根据雾的浓淡显示车速提醒信息的智能限速显示装置。
背景技术：
雾的发生及其浓淡直接关系到行车的安全，特别是对于雾天在高速公路上行驶的汽车来讲，极易发生追尾相撞事故，造成多辆车毁人亡的重大人身和经济损失。因此及时了解雾况的变化对于司乘人员来讲尤其重要。为解决上述问题，不少科研工作者已作出了大量有益的工作，如北京市科委和北京市气象局共同在京津唐高速公路上设立三个气象站对雾进行监测，然后将所得数据与卫星云图进行参算，之后通过电台进行预报。由于该方法所得参数不精确，分档也不细，只能在电台预报出两个等级即，浓雾(能见度1000米)和淡雾(能见度2000米)并告知人们宜出行或不宜出行的参考。这个能见度标准是国际航空用的，对于飞机来说1000米的能见度的确算是大雾了，但对于地面行驶的汽车来说根本算不上浓雾，完全可以高速行驶。况且由于在公路上没有可供指导司机安全行驶的警示设施，并不能解决雾天行车的任何实际问题。除此以外，国内各省、市及各条高速公路(或其他公路)再没有任何雾天行车的自动警示设施或类似设施。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种安装在高速公路上并可根据雾的浓淡显示出安全行驶车速的雾天智能限速显示装置，以提醒司机在雾天注意安全行驶，避免交通事故发生。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案高速公路雾天智能限速显示装置，它包括激光接收器，用于接收高速公路上安装的激光器发出的激光信号并将之转换为电信号；消除自然光干扰电路，用于去除自然光干扰信号，其输入端与激光接收器的输出端相连接；一个以微处理器或者单片机为核心组成的信号处理单元，用于对上述信号进行放大、模数转换并输出与能见度对应的限速标准电信号，该信号处理单元的输入端接消除自然光干扰电路的输出端；一个显示屏，与信号处理单元的显示信号输出端相连接，用于显示与能见度相对应的限速标准。
所述的信号处理单元由一级放大器、消除白电平电路、二级放大器、A/D转换电路、微处理器或者单片机、译码器、功放电路组成，一级放大器的输入端与消除自然光干扰电路的输出端相连接，一级放大器的输出端与消除白电平电路的输入端相连接，消除白电平电路的输出端与二级放大器的输入端连接，二级放大器的输出端与A/D转换电路的输入端连接，A/D转换电路的输出端与微处理器或者单片机的输入端连接，微处理器或者单片机的输出端与译码电路的输入端连接，译码电路的输出端与功放电路的输入端连接，功放电路的输出端与显示屏输入端连接。
所述的消除白电平电路由一个负压基准源、微调电位器和若干下拉电阻组成，电位器的中心抽头与所述的一级放大器的输出端相连接。
所述的激光接收器为一只硅光电池，消除自然光干扰电路为与激光接收器串联的隔直电容器，在一级放大器的输出端接有检波和滤波电路。
所述的激光接收器也可为两只硅光电池，消除自然光干扰电路由两只增益相等而输出电压极性相反的运放组成，两只硅光电池的输出端分别与两只运放的输入端相连。
还有一个电力载波电路经推动电路与信号处理单元的输出端相连接。电力载波电路由光耦、调制电路、高频功放电路和耦合器组成，光耦的输入端接所述推动电路的输出端，光耦输出端接调制电路输入端，调制电路输出端与高频功放电路的输入端连接，高频功放电路的输出端接耦合器的输入端。
本实用新型利用激光接收器接收设置在高速公路适当位置的激光发生器发出的激光信号并转换为电信号，在消除自然光干扰后输入信号处理单元，由信号处理单元将其放大并进行模数转换，由于光波在不同浓度的雾介质中有不同程度的衰减，由单片机或微处理器利用设定的程序对信号的衰减程度进行计算处理，输出与雾的浓度相对应的代表相应安全行驶车速的电信号，送至显示屏进行显示。因此本实用新型可以提醒司机安全行驶，从而可有效避免交通事故的发生。本实用新型的显示装置可按一定距离间隔安置在高速公路的中间隔离带上，并且在显示屏处配套雾灯，以使司机能够在较远距离也能看清提示信息。由于本实用新型还配置有电力载波电路，因此可将代表雾况的电信号通过电力网传送至高速公路管理部门另外配置的中继机和总台，中继机可设置在收费站，总台可设在高速公路管理局，中继机供收费站人员口头提醒司机，高速公路管理局则可利用总台对雾况进行汇总统计，以便对雾况严重的路段采取关闭措施，或对其他可能的情况采取相应措施，并且可把总台的信息做为历史资料积累。
图1是本实用新型的电路方框图；图2是本实用新型的电路原理示意图；图3是与图2中虚线所框部分电路对应的另一种形式的电路图；图4是电力载波电路的电路原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，高速公路雾天智能限速显示装置，它包括激光接收器，用于接收高速公路上安装的激光器发出的激光信号并将之转换为电信号；消除自然光干扰电路，用于去除自然光干扰信号，其输入端与激光接收器的输出端相连接；一个以微处理器或者单片机为核心组成的信号处理单元，用于对上述信号进行放大、模数转换并输出与能见度对应的限速标准电信号，该信号处理单元的输入端消除自然光干扰电路的输出端；一个显示屏，与信号处理单元的显示信号输出端相连接，用于显示与能见度相对应的限速标准。
信号处理单元由一级放大器、消除白电平电路、二级放大器、A/D转换电路、微处理器或者单片机、译码器、功放电路组成，一级放大器的输入端与消除自然光干扰电路的输出端相连接，一级放大器的输出端与消除白电平电路的输入端相连接，消除白电平电路的输出端与二级放大器的输入端连接，二级放大器的输出端与A/D转换电路的输入端连接，A/D转换电路的输出端与微处理器或者单片机的输入端连接，微处理器或者单片机的输出端与译码电路的输入端连接，译码电路的输出端与功放电路的输入端连接，功放电路的输出端与显示屏输入端连接。消除白电平电路由一个负压基准源、微调电位器和若干下拉电阻组成，电位器的中心抽头与所述的一级放大器的输出端相连接。
激光接收器可采用一只硅光电池，相应地，在高速公路上安装的激光发生器为可产生脉冲激光波的激光发生器，消除自然光干扰电路为与激光接收器串联的隔直电容器，并在一级放大器的输出端接有检波和滤波电路。
激光接收器也可采用两只硅光电池，相应地，在高速公路上安装的激光发生器为可产生连续激光波的激光发生器，消除自然光干扰电路由两只增益相等而输出电压极性相反的运放组成，两只硅光电池的输出端分别与两只运放的输入端相连。
电力载波电路经推动电路与信号处理单元的输出端相连接，它由光耦、调制电路、高频功放电路和耦合器组成，光耦的输入端接所述推动电路的输出端，光耦输出端接调制电路输入端，调制电路输出端与高频功放电路的输入端连接，高频功放电路的输出端接耦合器的输入端。
下面结合图2和图3所示的电路原理图对本实用新型的构成和工作原理进行详细说明任何可见光波在雾介质中传播时都有不同程度的衰减。利用光电效应把光衰减变成电信号的衰减，衰减的大小与雾的浓度成线性正比关系，以反映雾的浓度。由于短距离测雾容易被干扰，如路边燃烧东西所形成的局部烟雾，故采用长距离激光测量。考虑到普通光电管是接受白光，而白光不利于小功率远距离传输，而且很难保证产品聚焦的一致性，因而激光接收器采用两只光谱响应较为理想的2CR1226-01硅光蓝电池。如何减少乃至彻底消除自然光干扰则是科技界多年来一直没有很好解决的难题。目前无论是光学仪器或者是光电产品，还都是延袭传统的滤光原理，不是加各种各样的镀膜就是加各种颜色的滤色片。效果较好的是用很薄的单晶硅片来滤除可见光，用红外光测量。故然可以滤去自然光，但自然光中包括红外光，把自然光滤掉了，有用的红外信号也滤掉了一部分。这一部分究竟是多少？这与单晶硅片的薄厚有直接关系，它们中间有一个系数。系数是由薄厚决定的，而任何生产工艺也无法保证厚度完全一致，这就造成了产品的一致性很差。总之，任何滤光的方法都要滤掉一部分有用信号，既不准确又很难掌握。但无奈之下不得已还得用之。因此，在本实用新型中要将自然光的干扰加以去除。如图2所示，消除自然光干扰电路由IC1、IC2两只斩波运放(7650)组成。C2，C3，C5，C6为IC1、IC2频率补偿电容，C1，C4，C11，C18为去耦合电容。7650有自动稳零功能。两只硅兰光电池2CR1、2CR2一正一反分别连接两只运放的同相输入端第5脚，同时进行同相放大。两只运放的增益相等而输出电压极性相反即IC1输出为负，IC2输出为正，分别加在电位器W1两端再从中心抽头经电阻R9对地构成回路。IC2输出正电流经R9入地，而IC1输出负电流，是由地经R9流向IC1。细调W1可以使两个电流完全相等，因而相互抵消，彻底消除了自然光的干扰。
激光发生器发出的光束通过雾后投射到其中一只硅光电池2CR2上，则IC2的信号输出为正，因为是差模信号，与自然光的共模信号毫无关系，故丝毫不受干扰，得到了放大。IC3、IC4是与IC1、IC2完全相同的两级同相放大器，用于对消除自然光干扰后的信号进行放大。
激光接收器、消除自然光干扰电路和一级放大电路也可如图3所示，只采用一只硅光电池2CR1作为激光接收器，但这需要将安装在高速公路上的激光发生器改为能产生脉冲激光波的激光发生器，相应地，采用一只隔直电容器C1与硅光电池相串联，由于自然光照在硅光电池上产生的是直流信号，这样就可使其只接收脉冲光而不接收自然光，从而达到消除自然光干扰的目的。将激光接收器接收并转换成的电信号正向隔直后输入到运放IC1(7650)同相输入端进行同相放大，为求运放工作稳定，共采用IC1、IC3、IC4(7650)三级运放作为一级放大器，使第三级7650运放的输出达到所要求的电压幅度。同时，在IC4的输出端接有由二极管D1(2AP9)和电容C16、C22组成的检波、滤波电路，使脉冲信号转换成直流信号。
由于激光的穿透力很强，穿过200米的浓雾仅仅衰减3.8-4.2％，故近96％左右都是无用的直流电压，等于把信号电压下边加一个很高的直流电平而抬高了。如果不减去这个直流电平而直接进行放大，很快就会饱合而无法将有效的信号部分进行模数转换。故电路中加了一个-2.5V TL431基准源和限流电阻R19，调节电位器W2使IC4输出的正电流中的96％与一个等量的负电流相抵消。IC4输出的正电流方向是由IC4第6脚出来，进入W2中心抽头，经W2向右，再经R16入地。与之相减的负电流来自-5V电源，经R19限流后由TL431稳压成-2.5V再经R18、R17、W2、R16与地构成回路，其电流方向是由地到-5V。调节W2可以使两个电流完全相等，使IC4的输出电压中减去96％的无用电平(称之为‘白电平’)，剩余的4％左右是有用的信号电压，再由IC5和IC6继续进行放大到有效幅度。
模数转换输入要求最大信号电压达到+5V，而减去白电平后的信号电压只有0.04V左右，则IC5、IC6的总增益为5÷0.04＝125倍。IC6(OP-07)的品质参数不如IC5(7650)好，故放大倍数可以取低一些，则7650增益取1+47÷2＝24.5倍；OP-97取125÷24.5＝5.1倍。故7650的反馈电阻R15取为47K，而OP-07的反馈电阻是由R22和W4串联的，R22取4.3K，W4取2K可以调节的更精细一些。其中W3(20K)是调节输入失调电压的。由于失调电压的存在，当OP-07第三脚输入电压为零时，其第六脚输出电压未必是零，此时调节W3可使OP-07输出电压达到零。C19是OP-07的去耦合电容。
模数转换器IC7选用ADC0804，第6脚为模拟量输入端，18至11脚为数字量输出端D0～D7，因省去了外部时钟故接一个由C21和R24组成的积分器。其基准电压输入端第9脚由R23和TL431组成-2.5V基准源来提供。C20是A/D转换器的电源去耦合电容。
目前高速公路上的最高限速一般为每小时110公里，前后车最小距离200米，如果时速越高则前后车距离就越大。就是说，驾驶员正以每小时110公里速度行车，当他发现前方200米处的前车突然停下时，他尚有足够的时间来处理踩离合器、换档、减速、刹车等一系列动作，是安全的。因此其实质不是速度，也不是距离，而是时间。我们把这个时间称为‘安全操作时间’。这个时的长度是200m÷(110km×1000÷3600)＝6.54546S。不管什么速度和距离，只要有6.54546秒的时间，就能保证行车安全。为此，我们可以把200米看作是雾天的能见距离(简称能见度)，按上述算法就能反算出行车速度，我们把他看作安全行驶速度(简称限速)，该公式为200m/6.54546s＝30.55556m/s＝110km/h，即能见度÷时间常数＝限速标准。根据这个公式即可以推算出雾的各种不同浓度下对应的安全行驶速度即200米-110公里/小时、180米-99公里/小时、160米-88公里/小时、140米-77公里/小时、120米-66公里/小时、100米-55公里/小时、80米-44公里/小时、60米-33公里/小时、40米-22公里/小时、20米-11公里/小时。
单片机IC8(W78E54)作为本实用新型的中心处理单元，其第32至39脚(P00～P07)接ADC0804的第11至18脚(DB0～DB7)作并口输入。根据上述不同雾浓度下对应的限速标准，编写程序时将不同能见度200米、180米、160米、140米、120米、100米、80米、60米、40米、20米下对应电压所转换来的数据输入到单片机的内部存储器中，作为E2PROM的地址码，并将以上各能见度所对应的限速参数作为‘数据’以16进制码写入各地址所对应的单元中去。一个12MHz晶体JT1和两个33P电容器C25、C26组成单片机的外部振荡器，给单片机提供12MHz的基频，分别接W78E54的18、19脚，使一个周期恰好为1μS，便于运算。C27和R25组成积分电路接W78E54第9脚，给单片机提供10μF×10KΩ＝100ms的延时作上电复位用。单片机的第21脚(P20口)接0804的第1脚CS控制0804的片选。外部存储器写WR和外部存储器读RD分别接0804的WR和RD，控制对0804的读取。第12脚INT0接0804的第5脚(INTR)，来控制外部中断。P1口的低四位P10至P13(第1至4脚)作为并行数据输出，接译码推动器IC9(4511)的数据输入端A、B、C、D(第7、1、2、6脚)；高四位中的前三位P14、P15、P16分别接三个译码推动器4511的片选端(第5脚)，控制三个4511轮流工作，并将数据输送到双面大显示屏的推动电路。第11脚串口输出端(TXD)，通过限流电阻R26接三极管G1(9013)的基极和其下偏置电阻R27，推动三极管工作，将数据输送到载波电路的光耦输入端。
如图4所示，电力载波电路由光电耦合器GO1(LD609)和高频振荡调制器IC10(UC3844)；高频推动变压器L1～L3；大功率场效应管G2(K2611)；超高速快恢复二极管D2、D3(HER107)；高频功放变压器B1；整流全桥BRIDGE(3A)；高频扼流圈LR(3A)；共模低通抗干扰组件LB1及部分阻、容元件组成。高频振荡调制器IC10的基本功能与555时基电路类似，1，2脚和R1、R2、C1共同组成占空比调整电路(按图中数值其占空比为0.5)，第3脚为过流监测端，外部元件包括分压电阻R6、R7和滤波电容C4组成。8脚是内部基准电压输出端，通过C2、R3、C3组成的π形滤波器向光电耦合器供电，GO1是光电耦合器(LD609)，R8是它的负载电阻，D1是防反灌二极管(4148)。4脚是控制端、6脚是输出端。当光耦接受到信号导通时，4脚被钳位到低电平，则6脚就输出100KHz高频方波，反之，就无输出。R4、R5是输出分压电阻，C6是输出耦合电容。100KHz的高频信号通过C6耦合到变压器的初级线圈，L1将信号传递到两组次级线圈L2和L3，分别推动两只大功率场效应管G1、G2(K2611)，R9、R11是两只场效应管的栅极限流电阻，R10、R12分别是两只管子的栅漏电阻，目的将栅极上积累的电子对地泄放掉。载波电源是由220V50Hz直接整流、滤波后供电的，故回路中直流电压很高(220×1.4142×2＝622V)，因为变压器的自感，实际电压可以达到1000V，已达到场效应管的极限。故用两只管子串联使用，各分担一半较为安全。两只快恢复二极管D2、D3(HER107)的作用是当两个场效应管导通时，电流流过功放变压器初级线圈将铁芯磁化(由电能转换为磁能)，当两个场效应管截止时，铁芯消磁又通过线圈把磁能转换为电能，这个电流在变压器初级线圈中的方向保持不变，仍然是上入下出，从电压的判断来看，既然电流由线圈下端流出当然下端是正极，对两个场效应管说加的是反向电压，故而烧毁。两个快恢复二极管D2和D3分别反相接在回路中，当两个场效应管导通时，D2、D3反向不导通，而两个场效应管截止时，线圈放电，其方向正好与D2、D3方向一致，则分别将这个反向电压经D3、D2送回到正、负电源，从而保护了一对场效应管。功放变压器次级两端分别接一个高压电容C7、C8(0.33μF/250V)作为搭载器接入市电网。这两个容量对于100KHz来说其容抗只有1/2π×105×0.33×106×2＝9.65Ω，而对于50Hz来说，其容抗却有1/2π×50×0.33×10-6×2＝19.3KΩ，因此，它保证了不受市电干扰而又能把载波信号不受损失的发送出去。载波电路电源部分由滤波电容C9(100μF/250V)、C10(0.01μF/2000V)和整流全桥(3A/1000V)、高频扼流圈、共模低通抗干扰组件组成(其中包括一个磁环变压器LB1和四个高压电容器C11、C12、C13、C14)。滤波电容的作用是滤掉50Hz波纹和提高电源负载能力。共模低通抗干扰组件的作用是除50周以外的其他共模信号一律不准通过。高频扼流圈的作用是防止已发送到市电网上的载波信号再度从电源电路返回，造成波形畸变。
本实用新型可按雾的分布概率(约25-35公里)大体与按自然行政区、县而设置的路口对应设置，靠近每个路口的高速公路中间隔离带上设置一台。它可以根据雾的不同浓度变化而显示不同的安全行驶速度，以醒目的大字提醒过往车辆注意，避免事故发生。同时，以数字通讯方式将雾况(能见度)发送到中继机和总台(中继机设在收费站，总台分别设在高速公路管理局、电视台和气象台)，中继机供收费站人员口头提醒上路司机，总台自动查询各路段数据，汇总显示并打印出整条高速公路上的不同雾况，供交通管理、天气预报和雾况历史资料的积累。
权利要求1.高速公路雾天智能限速显示装置，其特征在于，它包括激光接收器，用于接收高速公路上安装的激光器发出的激光信号并将之转换为电信号；消除自然光干扰电路，用于去除自然光干扰信号，其输入端与激光接收器的输出端相连接；一个以微处理器或者单片机为核心组成的信号处理单元，用于对上述信号进行放大、模数转换并输出与能见度对应的限速标准电信号，该信号处理单元的输入端接消除自然光干扰电路的输出端；一个显示屏，与信号处理单元的显示信号输出端相连接，用于显示与能见度相对应的限速标准。
2.如权利要求1所述的限速显示装置，其特征在于，所述的信号处理单元由一级放大器、消除白电平电路、二级放大器、A/D转换电路、微处理器或者单片机、译码器、功放电路组成，一级放大器的输入端与消除自然光干扰电路的输出端相连接，一级放大器的输出端与消除白电平电路的输入端相连接，消除白电平电路的输出端与二级放大器的输入端连接，二级放大器的输出端与A/D转换电路的输入端连接，A/D转换电路的输出端与微处理器或者单片机的输入端连接，微处理器或者单片机的输出端与译码电路的输入端连接，译码电路的输出端与功放电路的输入端连接，功放电路的输出端与显示屏输入端连接。
3.如权利要求2所述的限速显示装置，其特征在于，所述的消除白电平电路由一个负压基准源、微调电位器和若干下拉电阻组成，电位器的中心抽头与所述的一级放大器的输出端相连接。
4.如权利要求2或3所述的限速显示装置，其特征在于，所述的激光接收器为一只硅光电池，消除自然光干扰电路为与激光接收器串联的隔直电容器，在一级放大器的输出端接有检波和滤波电路。
5.如权利要求2或3所述的限速显示装置，其特征在于，所述的激光接收器为两只硅光电池，消除自然光干扰电路由两只增益相等而输出电压极性相反的运放组成，两只硅光电池的输出端分别与两只运放的输入端相连。
6.如权利要求1、2或3所述的限速显示装置，其特征在于，还有一个电力载波电路经推动电路与信号处理单元的输出端相连接。
7.如权利要求6所述的限速显示装置，其特征在于，电力载波电路由光耦、调制电路、高频功放电路和耦合器组成，光耦的输入端接所述推动电路的输出端，光耦输出端接调制电路输入端，调制电路输出端与高频功放电路的输入端连接，高频功放电路的输出端接耦合器的输入端。
专利摘要本实用新型涉及一种高速公路雾天智能限速显示装置，它包括激光接收器，用于接收高速公路上安装的激光器发出的激光信号并将之转换为电信号；消除自然光干扰电路，用于去除自然光干扰信号，其输入端与激光接收器的输出端相连接；一个以微处理器或者单片机为核心组成的信号处理单元，用于对上述信号进行放大、模数转换并输出与能见度对应的限速标准电信号，该信号处理单元的输入端接消除自然光干扰电路的输出端；一个显示屏，与信号处理单元的显示信号输出端相连接，用于显示与能见度相对应的限速标准。本实用新型可根据雾的浓淡显示出安全行驶车速，以提醒司机在雾天注意安全行驶，避免交通事故发生。
文档编号G08G1/0967GK2616964SQ03245830
公开日2004年5月19日 申请日期2003年5月16日 优先权日2003年5月16日
发明者生庆申 申请人:生庆申, 刘云抒