摘 要：為實現(xiàn)對高鐵貨物運輸車廂中時效類貨物存儲環(huán)境的監(jiān)測與控制，研究了一套基于51單片機(jī)的高鐵貨物車廂環(huán)境監(jiān)控裝置，實現(xiàn)了對高鐵貨物運輸車廂的環(huán)境變化因素進(jìn)行實時監(jiān)測、控制，并通過顯示屏將所獲取的信息反饋給工作人員。工作人員可以根據(jù)所要運輸?shù)呢浳锓N類提前預(yù)設(shè)該類貨物所需存儲環(huán)境的適宜范圍，運輸途中一旦所監(jiān)測的車廂環(huán)境超過預(yù)設(shè)區(qū)間系統(tǒng)裝置便會自主觸發(fā)蜂鳴報警器，隨后通過單片機(jī)驅(qū)動溫濕度、氣體傳感器等硬件設(shè)備進(jìn)行調(diào)整調(diào)控，以便為時效類貨物提供最佳的存儲環(huán)境，保障時效類貨物的質(zhì)量安全。

關(guān)鍵詞：高鐵貨物車廂；智能監(jiān)控；單片機(jī)；溫濕度；氣體；質(zhì)量安全

中圖分類號：TP391.9；TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）15-0019-06

Design of Environment Monitoring Device for High-speed Rail Freight Carriage Based on Single-chip Microcomputer

XU Jiao

（School of Traffic and Transportation， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China）

Abstract： To achieve the monitoring and control of the storage environment for time-sensitive goods in high-speed rail freight carriages， a monitoring device based on the 51 single-chip microcomputer for high-speed rail freight carriage environment is studied. It realizes real-time monitoring and control of environmental change factors in high-speed rail freight carriages， and the information obtained is fed back to the staff through a display screen. According to the type of goods to be transported， the staff could preset the suitable range of storage environment for such type of goods in advance. During transportation， once the monitored carriage environment exceeds the preset range， the system device triggers a buzzer alarm autonomously. Subsequently， it adjusts and controls temperature， humidity， gas sensors， and other hardware devices through the single-chip microcomputer to provide the optimal storage environment for time-sensitive goods， ensuring the quality and safety of these goods.

Keywords： high-speed rail freight carriage; intelligent monitoring; single-chip microcomputer; temperature and humidity; gas; quality safety

0 引 言

在新時代發(fā)展背景下，我國物流行業(yè)正在經(jīng)歷著巨大的變革，尤其是線上電商模式的進(jìn)一步發(fā)展不斷地推動著這場變革。為了適應(yīng)這一新發(fā)展，傳統(tǒng)的運輸模式需要不斷進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，這為高鐵快運的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[1]。

隨著高鐵快運的不斷拓展，高鐵運輸?shù)呢浳锓N類、方式也在不斷豐富和創(chuàng)新。通過梳理相關(guān)文獻(xiàn)[2-3]，將運輸貨物按照自身特性劃分為四大類：急件類貨物、電商類貨物、時限類貨物、高附加值類貨物。其中時限類貨物最為特殊，對運輸環(huán)境有著較高的要求。為滿足這一要求，鐵路部門推出了“冷鮮達(dá)”和醫(yī)藥冷鏈“定溫達(dá)”“定時達(dá)”等產(chǎn)品[4]。

而目前鐵路針對這一類貨物的運輸仍采用的是干燥劑、干冰、鹽冰及制冷劑等材料，將其放入專門的冷藏箱中，以確保運輸途中的溫度在要求范圍之內(nèi)，達(dá)到保險的效果。然而，這種制冷方式存在一定缺陷的，其無法根據(jù)不同貨物自主調(diào)節(jié)冷藏箱內(nèi)的溫度，也無法實時監(jiān)測貨物的存儲溫度。一旦出現(xiàn)溫度長時間異常的狀況，對于溫濕度環(huán)境要求較為敏感的貨物，可能會致使其出現(xiàn)新鮮度降低問題，甚至?xí)苯訉?dǎo)致貨物腐壞[5]。

基于上述分析，針對高鐵時限類貨物設(shè)計開發(fā)了一套基于單片機(jī)的車廂環(huán)境監(jiān)測與控制裝置。該裝置以51單片機(jī)[6]為主控制器，具有9個按鍵，分別用于控制各類傳感器設(shè)備和顯示器的轉(zhuǎn)換。顯示器將傳感器獲取的數(shù)據(jù)實時顯示，出現(xiàn)異常狀況時發(fā)出警報，并反饋給單片機(jī)進(jìn)行調(diào)整控制。有效解決了目前高鐵時效類貨物運輸中無法實時監(jiān)測、自主調(diào)控運輸環(huán)境的問題，可更好地保障時效類貨物的質(zhì)量安全，減少因運輸環(huán)境變化導(dǎo)致貨物變質(zhì)而造成的經(jīng)濟(jì)損失。

1 設(shè)計思路及整體設(shè)計方案

高鐵貨物車廂環(huán)境監(jiān)控裝置硬件設(shè)計分為單片機(jī)模塊、感知模塊（溫濕度模塊、氣體模塊、光照模塊）、顯示模塊和報警模塊[7]，如圖1所示。通過感知模塊對貨物的運輸車廂環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，出現(xiàn)異常情況利用警報模塊中的蜂鳴器進(jìn)行提示，再使用按鍵對單片機(jī)發(fā)出信號，單片機(jī)對感知模塊、顯示模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，使異常環(huán)境恢復(fù)正常。

通過Proteus對高鐵貨物車廂監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計進(jìn)行繪制仿真。Proteus是一款既具有其他EDA工具軟件的仿真功能，又能對單片機(jī)和外設(shè)進(jìn)行仿真的EAD工具（仿真）軟件[8-9]。

2 硬件設(shè)計

2.1 AT89C51單片機(jī)控制器模塊

單片機(jī)控制器是整個硬件系統(tǒng)的核心，用于控制各個外設(shè)按照系統(tǒng)預(yù)設(shè)的程序運行調(diào)控。高鐵貨物車廂環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計中采用的是AT89C51單片機(jī)，其具有穩(wěn)定耐用、靈活性高、成本低等優(yōu)勢，且51型號的單片機(jī)工作溫度和存儲溫度范圍都適用于時效類貨物的倉儲溫度，不會因環(huán)境溫度的原因造成設(shè)備故障，無法工作。AT89C51單片機(jī)具體工作參數(shù)如表1所示。

2.1.1 單片機(jī)電路連接設(shè)計

AT89C51單片機(jī)是8位的微處理器，有兩個16位定時器和計數(shù)器，有5個中斷源，用于串口通信[10]。AT89C51單片機(jī)的電路連接圖如圖2所示。

2.1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)能夠成功運行程序，實現(xiàn)最基本功能，離不開最小系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)主要包括三部分：晶振電路、復(fù)位電路和電源電路[11]。介紹如下：

1）晶振電路。其由一個晶振并聯(lián)上兩個諧振電容組成。晶振提供的時鐘頻率越高，單片機(jī)運行速度越快。AT89C51單片機(jī)不僅可以通過芯片內(nèi)部產(chǎn)生時鐘信號，還可以從外部引入時鐘信號[12]。在高鐵貨物車廂環(huán)境監(jiān)控硬件設(shè)備方案設(shè)計中采用外接晶振電路信號產(chǎn)生方式。

2）復(fù)位電路。其主要作用是恢復(fù)電路初始狀態(tài)，即上電復(fù)位。由于電容電壓無法即刻產(chǎn)生變化，將電容與電阻串聯(lián)，上電時按下按鈕給電容不斷提供電壓，直到電容兩端電壓與電源電壓相同，電路開始正常工作。

3）電源電路。其為單片機(jī)提供穩(wěn)定電源。

高鐵貨物車廂環(huán)境監(jiān)控裝置系統(tǒng)中的最小系統(tǒng)電路如圖3所示。

2.2 感知模塊

2.2.1 溫濕度監(jiān)測模塊

在溫濕度監(jiān)測方面，設(shè)計方案選用DHT22溫濕度傳感器，其具有超快響應(yīng)、測量范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、性價比高等優(yōu)勢。DHT22溫度測量在-40～80 ℃之內(nèi)，濕度測量范圍在0～99.9 %RH。測量精度高，溫度在0.5 ℃上下浮動，濕度mnlpfEULShcCwchRf8rKpjYZmP2VTb/+shY7TuepMg4=誤差在2%之內(nèi)。適用于時效類貨物的存儲環(huán)境，不會因為倉儲溫度較低導(dǎo)致設(shè)備無法獲取環(huán)境數(shù)據(jù)。

DHT22溫濕度傳感器輸出的是電信號，無須添加A/D轉(zhuǎn)換器，可直接由AT89C51號單片機(jī)進(jìn)行讀取。其共有四個引腳，VDD供電3～5.5 VDC，與51單片機(jī)相匹配。由一個電容式感濕元件和一個NTC感溫元件組成。DHT22溫濕度傳感器的具體電路檢測如圖4所示。

2.2.2 氣體傳感器監(jiān)測模塊

對于運輸貨物中的醫(yī)藥類物品來說，只要控制住車廂內(nèi)的溫濕度便可以保障貨物的質(zhì)量安全，而對于蔬菜、花卉類的時效類貨物，僅僅通過溫濕度無法完全保障貨物的新鮮度，還需要對運輸環(huán)境的氣體含量、成分進(jìn)行監(jiān)測控制，如合理調(diào)整二氧化碳和氧氣之間的比例關(guān)系，可以有效抑制該類貨物的呼吸作用，減緩生長，延長保質(zhì)期。因此，在高鐵貨物運輸車廂的環(huán)境監(jiān)測裝置方案設(shè)計中還需要加入氣體傳感器。

氣體傳感器選用的是TPM型號，可以根據(jù)不同的需求選擇所要監(jiān)測的氣體。氣體傳感器檢測后，需要通過ADC0832轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的電信號輸出到AT89C51單片機(jī)。氣體傳感器具體檢測連接電路圖如圖5所示。

2.3 LCD1602液晶顯示模塊

在感知模塊獲取環(huán)境數(shù)據(jù)后，需要實時顯示出來，便于工作人員隨時進(jìn)行查看。因此，在監(jiān)控裝置方案設(shè)計中選取了一款LCD1602液晶顯示器進(jìn)行信息反饋。

LCD1602液晶顯示的顯示容量是兩行，每行16個字符，在LCD1602型號中只能顯示數(shù)字、字符，簡潔明了，便于工作人員快速獲取環(huán)境信息。LCD1602共有16個引腳，其中引腳3VL主要是調(diào)節(jié)屏幕對比度。LCD1602液晶顯示的電路圖如圖6所示。

2.4 報警電路

當(dāng)貨物的運輸環(huán)境超過所設(shè)置的上下限值時，說明當(dāng)前車廂內(nèi)的環(huán)境已不在貨物的適宜存儲范圍內(nèi)，報警裝置便會發(fā)出警報，提醒工作人員進(jìn)行檢查調(diào)整。車廂環(huán)境監(jiān)控裝置方案設(shè)計采用蜂鳴報警器進(jìn)行警報提醒，便于工作人員快速發(fā)現(xiàn)異常。圖7為報警電路圖。

蜂鳴器分有源蜂鳴器和無源蜂鳴器。本裝置選用有源蜂鳴器作為警報電路的一部分。有源蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電[13]。有源蜂鳴器內(nèi)部有自己的音源，當(dāng)供電時可以持續(xù)發(fā)出聲音。而無源蜂鳴器僅在通電的一瞬間發(fā)出響聲。有源蜂鳴器可持續(xù)發(fā)聲但無源蜂鳴器音色更好，可通過單片機(jī)的PWM控制其音調(diào)。在高鐵貨物車廂環(huán)境檢測裝置方案設(shè)計中，如果檢測到數(shù)值超過預(yù)設(shè)區(qū)間，就會觸發(fā)報警電路，蜂鳴器發(fā)聲即可，無須特殊旋律故選用有源蜂鳴器。

2.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換選用的型號是ADC0832轉(zhuǎn)換器，其具有體積小、兼容性強(qiáng)、性價比高等特點。用于光敏電阻和氣體傳感器，將檢測到的光照強(qiáng)度和氣體參數(shù)分別轉(zhuǎn)化為電信號，傳遞至AT89C51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息讀取。ADC0832轉(zhuǎn)換器與光敏電阻和氣體傳感器的電路連接圖如圖5所示。

3 軟件設(shè)計

本裝置的軟件程序是在硬件已經(jīng)做好的基礎(chǔ)上進(jìn)行編寫的，根據(jù)硬件需要實現(xiàn)的功能編寫所需程序。在高鐵貨物車廂環(huán)境監(jiān)控裝置設(shè)計中，在KeilC51軟件中采用C語言進(jìn)行軟件程序編寫[14]。

3.1 主程序流程圖

電源開啟后，監(jiān)測系統(tǒng)開始正常運行，首先對系統(tǒng)整體進(jìn)行初始化，然后對各模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，最后將測量到的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，一旦超過預(yù)設(shè)的參數(shù)值，警報電路就會進(jìn)行報警，并通過繼電器控制設(shè)備進(jìn)行工作。系統(tǒng)主流程圖如圖8所示。

3.2 子程序流程圖

3.2.1 DHT22溫濕度傳感器

DHT22傳感器監(jiān)測溫濕度，將檢測到的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后在顯示器上進(jìn)行顯示。在溫濕度傳感器進(jìn)行檢測之前，單片機(jī)需要先發(fā)送一個起始信號給它，傳感器收到后開始進(jìn)行工作檢測溫濕度，將檢測到的溫濕度依次發(fā)往單片機(jī)中[15]。其流程圖如圖9所示。

3.2.2 蜂鳴報警模塊流程圖

高鐵車廂環(huán)境監(jiān)測裝置中的蜂鳴報警模塊，只有在車廂環(huán)境出現(xiàn)異常（溫濕度、氣體、光照超出預(yù)設(shè)范圍）時會被觸發(fā)，蜂鳴器發(fā)出警報，具體運行流程圖如圖10所示。

4 實驗結(jié)果仿真

為了驗證基于單片機(jī)的高鐵貨物車廂環(huán)境監(jiān)測裝置方案是否可行，在Proteus軟件中對硬件裝置系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。通過對裝置方案的模擬仿真可知，所設(shè)計的高鐵貨物車廂監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)上述整個過程（環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、處理及反饋顯示），在進(jìn)行模擬仿真時可以通過按鍵調(diào)節(jié)溫濕度傳感器、氣體傳感器的大小，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)實時顯示在LCD顯示器上。

采用的LCD1602顯示器是兩行顯示，其中第一行顯示的是車廂溫度（左邊預(yù)設(shè)值，右邊實際測量值），第二行是濕度預(yù)測與實際值，仿真結(jié)果圖如圖11所示。按下切換鍵D7后，第一行分別是光照預(yù)設(shè)值與實際檢測值，第二行是所檢測的氣體數(shù)值，仿真結(jié)果圖如圖12所示。

5 結(jié) 論

基于單片機(jī)的高鐵貨物車廂環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)裝置方案設(shè)計主要針對的是高鐵運輸服務(wù)貨物中的時效類貨物，該類貨物對存儲、運輸環(huán)境都有較高的要求，為避免在運輸途中因運輸環(huán)境不適造成貨物損壞，給雙方（托運方、承運方）帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失。設(shè)計了一套基于51單片機(jī)的硬件裝置對系統(tǒng)中的檢測硬件進(jìn)行調(diào)整控制，并將檢測到的數(shù)據(jù)實時顯示。運輸途中一旦出現(xiàn)環(huán)境異常的狀況，系統(tǒng)將自主觸發(fā)蜂鳴器進(jìn)行報警示意，工作人員根據(jù)裝置系統(tǒng)反饋的結(jié)果進(jìn)行快速調(diào)整，實現(xiàn)保障貨物質(zhì)量與安全的目標(biāo)。

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作者簡介：胥姣（1998—），女，漢族，陜西咸陽人，碩士在讀，主要研究方向：交通智能化。