張麗，楊艷

（攀枝花學(xué)院智能制造學(xué)院，四川攀枝花，617000）

0 引言

隧道是一個(gè)特殊的半密閉空間，隧道內(nèi)行駛安全是隧道行車(chē)安全的重要保證。公路隧道的修建，一方面既能改善線(xiàn)性、縮短運(yùn)距，提高運(yùn)營(yíng)效益，又可以促進(jìn)交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展；另一方面由于隧道封閉形成特殊環(huán)境，易引發(fā)交通事故，且隧道內(nèi)交通事故往往危害程度大，事后處理難，且所造成的經(jīng)濟(jì)損失和延遲不但降低了相連高速公路安全性，也極大地降低了道路的運(yùn)量，影響了地區(qū)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率和作用。新時(shí)代的到來(lái)，綠色交通觀念的深入人心，提高隧道內(nèi)行駛安全已成為一種重要的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行隧道內(nèi)行駛安全提示裝置設(shè)計(jì)不僅能減少交通事故的發(fā)生，還能提高隧道內(nèi)的交通安全性。因此，進(jìn)行隧道內(nèi)安全行駛提示裝置很有必要。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為控制核心、以溫濕度傳感器、一氧化碳傳感器、煙霧傳感器、噪聲傳感器為測(cè)量元件，采用傳感器測(cè)量技術(shù)、控制技術(shù)等技術(shù)，構(gòu)成隧道內(nèi)安全行駛提示裝置設(shè)計(jì)系統(tǒng)。選用的主要器件有：STC單片機(jī)、溫濕度傳感器DHT11、CO傳感器MQ-7、噪聲傳感器模塊和煙霧傳感器MQ-2、數(shù)碼管、報(bào)警裝置蜂鳴器等。采用STC8H3K64S4單片機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、傳輸、顯示和報(bào)警。數(shù)據(jù)采集通過(guò)傳感器完成，傳感器將煙氣、CO的濃度轉(zhuǎn)化成電壓，由噪聲模塊將噪音強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成電壓，再送入微處理器。單片機(jī)使用內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換功能將這些電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，并且通過(guò)判斷這些數(shù)據(jù)，可以知道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況是否超標(biāo)。如果超標(biāo)，可以發(fā)出報(bào)警聲音。溫濕度傳感器DHT11，內(nèi)置了轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的電路在傳感器內(nèi)部。傳感器將采集數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。單片機(jī)把數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)程序，將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。然后，程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行收集比較，得出是否要報(bào)警，如果超標(biāo)報(bào)警，那么驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。其電路原理圖如圖1所示。

圖1 電路原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■ 2.1 STC8H3K64S4 單片機(jī)

STC8H系列是一種不需要外部晶體振蕩、外部重置的單片機(jī)。在STC8H系列與51單片機(jī)在同樣的工作頻率下，其運(yùn)算速率較常規(guī)8051提高11 2~13 2倍。STC8H系列單片機(jī)指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。STC8H3K64S4提供21個(gè)中斷源、4級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)；有1路I2C串行總線(xiàn)，1路SPI串行總線(xiàn)；超高速ADC，支持12位高精度12通道，可以直接連接CO、噪聲、煙霧3個(gè)模擬量的傳感器，不用外掛AD轉(zhuǎn)換芯片。其管腳圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)管腳圖

■2.2 系統(tǒng)輸入模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 溫濕度檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用DHT11溫濕度傳感器，它是一種集溫度、濕度于一體的溫、濕度傳感器，該傳感器可以直接將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)。DHT11性?xún)r(jià)比高，被廣泛應(yīng)用，該方法采用SPI串行接口，一根導(dǎo)線(xiàn)即可與單片機(jī)聯(lián)接，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。因?yàn)樗捏w積小，則占用的空間就小，功耗小，產(chǎn)熱量小，信號(hào)傳輸穩(wěn)定，在短距離時(shí)不會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象。其典型的電路圖如圖3所示，其中VDD是供電3~5 5V；DATA是串行數(shù)據(jù)，單總線(xiàn)，連接MCU；GND是接地，電源負(fù)極。

圖3 典型電路圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是高性能的傳感器MQ-7模塊，對(duì)CO的靈敏度很高。MQ-7模塊能夠感知隧道內(nèi)的CO濃度，并將其轉(zhuǎn)換成電壓值輸出，模塊電路圖如圖4所示。模塊內(nèi)部含有一個(gè)MQ-7氣體傳感器，用于將CO濃度的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化，它采用SnO2作為氣敏物質(zhì)，在大氣中不含有CO等易燃性氣體時(shí)，SnO2的導(dǎo)電性能很差，當(dāng)周?chē)?CO濃度增加時(shí)，電導(dǎo)率增加，由此增加了輸出電壓。

圖4 MQ-7傳感器原理圖

2.2.3 煙霧檢測(cè)模塊

MQ-2靈敏度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單；模擬量輸出，傳感器提供的模擬輸出電壓與煙氣濃度成正比。氣體濃度越大，輸出電壓越高；而較低的氣體濃度會(huì)導(dǎo)致低輸出電壓，其傳感器原理圖如圖5所示。其中VCC表示電源；GND表示接地；DOU是數(shù)字引腳，AOU是模擬引腳。濃度越高，AOUT引腳輸出的電壓值越高，通過(guò)ADC采集的模擬值越高。本裝置中由于要顯示煙霧濃度，故采用模擬量輸出信號(hào)，通過(guò)與自帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)相連進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖5 MQ-2電路圖

2.2.4 噪聲模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用噪聲模塊，是模擬量電壓信號(hào)輸出聲音傳感器，能偵測(cè)音量，亦可直接用作分貝感應(yīng)器；具有較高的靈敏度及較寬的電壓范圍。噪聲傳感器由電源模塊、噪聲傳感模塊、變送模塊、清零及噪聲補(bǔ)償模塊和數(shù)據(jù)處理模塊等組成。傳感器內(nèi)置信號(hào)采樣及放大、清零及噪聲補(bǔ)償功能，用戶(hù)接口簡(jiǎn)潔、方便。

■2.3 系統(tǒng)輸出模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 顯示模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇4位共陽(yáng)極數(shù)碼管模塊作為顯示器，4位串行，595芯片驅(qū)動(dòng)。595芯片驅(qū)動(dòng)的數(shù)碼管模塊，編程簡(jiǎn)單且芯片便宜，驅(qū)動(dòng)起來(lái)難度中等。因?yàn)橐@示的數(shù)據(jù)比較多，選595模塊，也便于級(jí)聯(lián)控制。74HC595是一個(gè)8位串行輸入、并行輸出的位移寄存器。在SCK 的上升沿，串行數(shù)據(jù)由SDL輸入到內(nèi)部的8位位移緩存器，并由Q7輸出，而并行輸出則是在LCK的上升沿將在8位位移緩存器的數(shù)據(jù)存入到8位并行輸出緩存器。當(dāng)串行數(shù)據(jù)輸入端OE的控制信號(hào)為低使能時(shí)，并行輸出端的輸出值等于并行輸出緩存器所存儲(chǔ)的值。74HC595各個(gè)引腳功能如表1所示。

表1

2.3.2 報(bào)警模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用有源蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提示，如圖6所示。當(dāng)檢測(cè)的各指標(biāo)的濃度其中任何一個(gè)濃度大于其設(shè)定閾值時(shí)，單片機(jī)在接受到A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量后，通過(guò)軟件程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行收集比較，得出是否要報(bào)警，如果濃度超標(biāo)，蜂鳴器發(fā)出聲音完成報(bào)警，數(shù)碼管顯示。

圖6 蜂鳴器電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫濕度、CO濃度、煙霧、噪聲數(shù)據(jù)的采集、蜂鳴器報(bào)警、濃度值顯示等功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，并使用Proteus軟件對(duì)其進(jìn)行了模擬。軟件的設(shè)計(jì)流程由初始化、指標(biāo)檢測(cè)、顯示、判斷、顯示等部分組成，整個(gè)軟件的整體流程如圖7所示。系統(tǒng)中各個(gè)傳感器檢測(cè)出隧道內(nèi)各指標(biāo)濃度完成信號(hào)采集，然后傳給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行內(nèi)部轉(zhuǎn)化后，傳輸?shù)斤@示屏上進(jìn)行顯示，若濃度高于設(shè)定閾值則蜂鳴器報(bào)警。

圖7 軟件流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

本設(shè)計(jì)用Proteus軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果能較好的反應(yīng)隧道內(nèi)安全行駛提示裝置設(shè)計(jì)的效果。仿真電路圖在實(shí)物的基礎(chǔ)上增加了對(duì)隧道內(nèi)突發(fā)狀況下的交通量檢測(cè)，隧道出入口均有車(chē)輛檢測(cè)并設(shè)置用LCD顯示器顯示，提醒駕駛員注意觀察安全通行，其仿真結(jié)果如圖8所示。Proteus仿真軟件可進(jìn)行DHT11溫濕度傳感器仿真，點(diǎn)擊上面按鈕即可進(jìn)行溫濕度的轉(zhuǎn)換與增減；受軟件限制，CO傳感器、煙霧傳感器、噪聲傳感器沒(méi)有仿真設(shè)計(jì)，所以采用滑動(dòng)變阻器代替，其阻值增減代表各指標(biāo)濃度大??；突發(fā)狀況下的隧道內(nèi)交通量檢測(cè)出入口仿真設(shè)計(jì)設(shè)置為按鈕，其可以模擬車(chē)流量的增減。

圖8 裝置設(shè)計(jì)仿真圖

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)公路運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展，公路建設(shè)已經(jīng)成為拉動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要支柱行業(yè)。隧道因具有縮短行駛里程、保證運(yùn)行安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。由于高速公路隧道交通運(yùn)行環(huán)境特殊，交通事故頻發(fā)，所有提高隧道內(nèi)交通安全顯得尤為重要。本文設(shè)計(jì)的隧道內(nèi)安全行駛裝置是一種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、使用比較方便、價(jià)格比較便宜、性能相對(duì)穩(wěn)定、智能化的報(bào)警系統(tǒng)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

本文系統(tǒng)分析了影響隧道內(nèi)交通安全的因素，設(shè)計(jì)出了隧道內(nèi)安全行駛提示裝置，并對(duì)其進(jìn)行了仿真模擬和實(shí)物設(shè)計(jì)，主要完成內(nèi)容如下：

（1）分析研究了影響公路隧道內(nèi)安全行駛的指標(biāo)因素，并對(duì)各影響因素進(jìn)行了分析與研究，提取出隧道交通安全的主要影響因子（溫度、濕度、CO濃度、煙霧、噪聲），為設(shè)計(jì)隧道內(nèi)安全行駛提示裝置提供理論支持，并且使設(shè)計(jì)出的隧道內(nèi)安全行駛提示裝置可靠性強(qiáng)；

（2）綜合對(duì)比與分析同一指標(biāo)檢測(cè)的不同傳感器之間的區(qū)別，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，考慮性?xún)r(jià)比高、經(jīng)濟(jì)合理可靠的傳感器，最終選擇了集成度高的傳感器模塊，這些傳感器模塊已經(jīng)將信號(hào)放大電路做好，單片機(jī)直接采集傳感器輸出的電壓就可以做后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和驅(qū)動(dòng)工作。這樣不僅節(jié)約時(shí)間，也降低了工具設(shè)備的要求，同時(shí)也不影響裝置設(shè)計(jì)的靈活性。

（3）結(jié)合公路隧道自身特點(diǎn)，進(jìn)行基于理論和模擬驗(yàn)證的研究，將提取出的指標(biāo)因素進(jìn)行綜合分析與整體設(shè)計(jì)，以單片機(jī)技術(shù)為主進(jìn)行電路設(shè)計(jì)及軟件控制，設(shè)計(jì)出了隧道內(nèi)安全行駛提示裝置，并對(duì)其進(jìn)行了Proteus仿真和實(shí)物連接，取得了較好的結(jié)果且仿真有考慮到隧道內(nèi)的突發(fā)狀況，使論文說(shuō)服性強(qiáng)。