基于Cerebot 32MX4 Board的高速公路能見(jiàn)度預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　一、設(shè)計(jì)摘要：
　　大氣中包含空氣分子、凝結(jié)核、煙塵、霧以及雪花等降水粒子單元，這些大大小小的粒子包括水或霧等對(duì)陽(yáng)光與天氣的散射是決定大氣透明度最重要的因素。所謂大氣散射是入射的光波遇到大氣里大小不等的粒子，這些粒子將入射光波的一部分“攔截”下來(lái)，使這些光波改變方向并以粒子為核心按一定的規(guī)律向四周發(fā)射出去，其結(jié)果顯然是使原來(lái)入射方向的光強(qiáng)減弱。沿水平方向觀察遠(yuǎn)處目標(biāo)物時(shí)，將受到太陽(yáng)的直射光，天空云層以及地面的漫射光影響，它們被大氣層的氣溶膠粒子散射，使觀察者感到大氣中好象是有一層遮幕，降低了目標(biāo)物和背靜間的對(duì)比，從而減少了觀察者能看見(jiàn)目標(biāo)物的距離。這就使我們能夠觀測(cè)到物體的視距出現(xiàn)了遠(yuǎn)和近的變化，從而形成了能見(jiàn)度。
　　能見(jiàn)度的概念最早來(lái)源于氣象部門(mén)，所以在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下，通常所稱(chēng)的能見(jiàn)度就是指氣象能見(jiàn)度。能見(jiàn)度通常是視力正常的人在白天無(wú)云的天空背景下能夠辨認(rèn)出一個(gè)視角為0.50~5。的黑色目標(biāo)物體輪廓和形體的最大距離。在夜間則是在黑色背景下能夠辨認(rèn)出一定強(qiáng)度的燈光的最大距離。從上述定義可以知道能見(jiàn)度取決于人眼的生理特性，目標(biāo)物和背景的光學(xué)性質(zhì)，以及人與目標(biāo)物間的大氣的物理性質(zhì)。
　　在我國(guó)高速公路在促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，不斷攀升的高速公路交通事故發(fā)生率和死亡率也給經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、社會(huì)的持續(xù)穩(wěn)定和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了諸多的不利影響。高速公路本以高速、便捷、高容量及高安全性著稱(chēng)，一般發(fā)達(dá)國(guó)家的高速公路的交通事故總數(shù)和死亡率只有普通公路的1/3到1/2。但在我國(guó)由于高速公路由于發(fā)展較晚，相關(guān)安全和預(yù)警措施不完善等原因，致使我國(guó)高速公路的交通事故的發(fā)生率比普通公路高2到3倍。據(jù)公安部網(wǎng)站消息，2008年，全國(guó)共發(fā)生交通事故265204起，造成73484人死亡、304919人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失10.1億元。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在所有高速公路的交通事故中，因雨霧等惡劣天氣影響造成的交通事故就占1/4左右，霧天高速公路地事故率時(shí)平常地10倍。就是說(shuō)低能見(jiàn)度環(huán)境是造成高速公路交通事故的一個(gè)非常重要的因素。因此，對(duì)高速公路沿線(xiàn)的天氣尤其是能見(jiàn)度情況進(jìn)行全程全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)控，隨時(shí)預(yù)警低能見(jiàn)度特別是隨機(jī)霧團(tuán)、瞬時(shí)雨雪、沙塵等短時(shí)低能見(jiàn)度天氣，對(duì)交通運(yùn)輸有著非常重要的意義。
　　本系統(tǒng)利用光的折射原理，發(fā)射近紅外光并接收其在環(huán)境中的折射光，對(duì)比前后兩次的光能量的大小來(lái)得出能見(jiàn)度。該設(shè)備結(jié)合近紅外光發(fā)生設(shè)備，多種傳感器，語(yǔ)音及LCD顯示設(shè)備，主要處理控制部分應(yīng)用Microchip公司生產(chǎn)的高性能MIPS核MCU--PIC32MX460F512L開(kāi)發(fā)板Cerebot 32MX4 Board作為主控板，AD采樣芯片完成數(shù)模信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并運(yùn)用無(wú)線(xiàn)傳輸模塊傳遞數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離對(duì)系統(tǒng)的控制。
　　本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是對(duì)當(dāng)前高速公路交通問(wèn)題的一大改進(jìn)，目的是研究并設(shè)計(jì)一種具有成本較低，適于大規(guī)模生產(chǎn)，有廣闊的市場(chǎng)前景的高速公路能見(jiàn)度預(yù)警系統(tǒng)。
　　二、系統(tǒng)原理和創(chuàng)新設(shè)計(jì)：
　　系統(tǒng)應(yīng)用Microchip公司提供的80 MHz 32位MIPS處理器，以及豐富的外圍設(shè)備，如：16通道，10位，500ksps A/D變頻器，完成電信號(hào)的分析，濾波，提取等處理工作，得出能見(jiàn)度的大小，并控制語(yǔ)音芯片進(jìn)行語(yǔ)音提示，驅(qū)動(dòng)LCD進(jìn)行顯示，且將處理結(jié)果通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊傳輸給終端主機(jī)做記錄處理，到達(dá)實(shí)時(shí)能見(jiàn)度檢測(cè)的效果。
　　整個(gè)設(shè)備主要有近紅外光發(fā)射端、接收端、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、電源模塊、MIPS處理器控制模塊五部分組成，下面分別對(duì)各部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹：
　　1. 近紅外光發(fā)射端設(shè)計(jì)
　　為了使近紅外光正常發(fā)射，避免受到霧氣、雨雪對(duì)端口的影響（如：浸濕透鏡，結(jié)冰霜等）需要對(duì)發(fā)射端處進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)控，并需安裝加熱裝置對(duì)其進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，去除水汽。在此我們采用單線(xiàn)數(shù)字溫度計(jì)DS18B20來(lái)實(shí)時(shí)采集發(fā)射端口處溫度，降低成本我們采用電阻式加熱器調(diào)控溫度。
　　DS18B20 單總線(xiàn)數(shù)字溫度計(jì)特性如下：
　?。?） 可用數(shù)據(jù)線(xiàn)供電，電壓范圍：3.0~5.5V；
　?。?） 測(cè)溫范圍：-55~+125℃，在-10~+85℃時(shí)精度為±0.5℃；
　?。?） 可編程的分辨率為9~12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃；
　?。?） 12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字；
　?。?） 負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)發(fā)熱燒毀，但不能正常工作。
　　光源的選擇要求有多方面優(yōu)勢(shì)：發(fā)光功率大、使用壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高、穩(wěn)定性好、光譜分布范圍窄、發(fā)光面積小等特點(diǎn)，綜合各方面的考慮，我們選擇了 GT-P03IR4101 型近紅外發(fā)光二極管作為光源。具體參數(shù)如下：