基于DP801單片機技術的智能限高和涵洞積水預警系統的研究

劉正揚

摘要：近年來，因汽車撞上限高桿或進入積水過深的涵洞而發生的交通事故時有發生，給人們的生命財產安全造成了嚴重的危害。本系統針對此情況，利用多種傳感技術以及市場上較為常見的DP801單片機，實現統計車流量、提前警示超高車輛司機以及對涵洞水位進行實時監測的功能，可以有效降低事故發生概率并減少人們的生命財產損失，且成本較低，易于推廣。

Abstract： In recent years， traffic accidents caused by cars hitting the upper limit or entering the water deep culvert have occurred from time to time， causing serious harm to people's lives and property. In response to this situation， the system utilizes a variety of sensing technologies and the more common DP801 single chip microcomputer on the market to realize statistical traffic flow， early warning of ultra-high vehicle drivers and real-time monitoring of culvert water level， which can effectively reduce the probability of accidents and reduce people's lives and property lost， and the cost is low， and it is easy to promote.

關鍵詞：智能限高系統;涵洞積水預警;DP801單片機

Key words： intelligent height limit system;culvert water accumulation warning;DP801 single chip microcomputer

中圖分類號：U463.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）20-0230-03

0 ?引言

2017年，臨沂市汽車保有量達到215萬輛，位居全國的第二十三位，市民出行機動化率的提高及交通運輸業的發達也放大了交通系統中存在的安全隱患。臨沂市的公路系統中存在著許多涵洞。當前，在涵洞前安裝的絕大多數限高桿都是由金屬制成的剛性限高桿，司機如果對車高的判斷發生失誤或由于疏忽未及時注意到限高桿，就極易發生嚴重交通事故。2014年，70多歲的白沙埠鎮老人就因撞上了限高桿導致顱腦重傷，后因醫治無效身亡。且大多數涵洞地勢低洼，雨天時易積水，司機在不知情的情況下駛入涵洞，很容易使車輛發生拋錨，堵塞交通，2014年廣東省就發生過載有7人的汽車在暴雨天駛入涵洞，車輛被積水淹沒，車上7人全部溺亡的悲劇。近年來此類事故的數目仍在上升，造成了較大的人身安全、財產損失，但遲遲未出現成熟的技術來解決這些問題。本系統正是為解決涵洞的積水問題及傳統限高桿存在的缺陷而設計，擬設計一款能夠實現在車輛接近限高標志后，能夠提醒管理和救援人員采取相關措施和對于涵洞積水情況提前預警避免財產損失的新型道路預警裝置。

1 ?研究現狀概述

曾有相關人士研發一種柔性材料與彈簧相結合制成的新型限高桿并申請專利，但是制造成本較高且容易損壞，暫時未能推廣使用，只停留在專利階段。針對涵洞積水問題，一些大城市如武漢采用室外大屏實時顯示的方式來監測涵洞內積水深度，但因其造價相對較高，難以在三線中小城市中廣泛使用。查閱文獻可知，目前我國公路系統中智能限高和涵洞積水預警系統普及率較低，目前學術研究中有一些關于智能限高桿和涵洞積水預警的實用新型專利申請，但是因為成本、可實施性等綜合原因，普及率較低。

2 ?智能限高和涵洞積水預警系統的設計

根據查閱資料和文獻，并與指導教師交流，設計這款基于DP801單片機技術的智能限高和涵洞積水預警系統。該系統由智能限高系統和涵洞積水預警系統兩部分組成，結構圖如圖1所示。

2.1 智能限高系統

智能限高系統主要由單片機、兩個光電傳感器、警示用揚聲器和紅色LED燈等部件組成。限高桿機械組成部分由白色亞克力板拼裝組成，并且將兩個光電傳感器分別嵌入限高桿內部，兩個光電傳感器分別位于限高桿頂部的正中間和左側的限高桿立柱下方。傳感器統一由電源拓展模塊供電且輸出端分別接到單片機中。同時將紅色LED預警等內嵌到右側限高桿立柱內部上方，預警揚聲器連接到單片機中。高處光電傳感器負責檢測車輛是否超高，低處傳感器則負責統計過往車流量。如車輛超高則紅色LED燈亮起且揚聲器發出報警音，警示即將通過限高桿的司機停車。

2.2 涵洞積水預警系統

涵洞積水預警系統主要由單片機、濕度傳感器、紅色LED燈、杜邦線等部件組成。用白色亞克力板拼接成橋梁及涵洞結構。在橋梁內測用醒目標志物標注出水位高度警戒值線并在警戒線水平高度安裝濕度傳感器，濕度傳感器有電源拓展版供電，傳感器輸出端接單片機輸入端。將紅色LED燈安裝在橋墩上并將其連接到單片機輸出端作為涵洞積水警示燈。

2.3 技術原理

智能限高和涵洞積水預警系統以DP801單片機作為智能控制中心，利用單片機“斷轉”、“通轉”指令，使計數光電模塊由斷開狀態到接通狀態再到斷開狀態為一個計數周期，每通過一輛汽車則單片機數碼管上邊增加一個數字，進而實現統計公路上的車流量的功能;當限高桿處正對馬路的光電模塊接通時，則說明檢測車輛超高，單片機控制紅色LED燈亮、揚聲器發音警報;當涵洞水位線高度處濕度傳感器接通時，單片機判定水位達到預警線，控制紅色LED亮起警示過往車輛。此系統可全天運行，成本較低，受環境影響較小。其技術原理原理圖如圖2所示。

3 ?智能限高和涵洞積水預警系統工程模型制作

3.1 思路設計

新型限高桿和積水預警系統難以推廣的主要原因在于其耐用程度及成本問題。用現行的技術來制造設備往往造價過于高昂，在中小城市無法大量制造、安裝并推廣。因此必須尋找到一種簡單且能有效地檢測到危險情況并通知車主的技術方法。經過一段時間的思考與比較，決定采用傳感技術與DP801單片機系統相結合來制作此系統。DP801單片機是唯一可以脫離計算機獨立運行的單片機，操作方便，價格低廉，所需組裝的線路較為簡單，且其功能可以滿足該系統的需要，所以選擇DP801單片機作為此系統的信息處理中心。

3.2 材料準備

50cm*100cm黑色亞克力板*1、50cm*50cm白色亞克力板*1、40cm*30cm白色亞克力板*12、盤鋸*1、手套*1、熱熔膠槍*1、DP801型單片機*1、紅外傳感器*2、濕度傳感器*1、臺式電鉆*1、30cm鋼尺*1、15cm*15cm三角板*1、刻刀*1、5號干電池*4、揚聲器*1、小木棒*1、手工剪刀*1、數碼管1組、仿真草皮3塊、黑色砂紙3張、雙面膠1卷、小型樹木模型、方形木棍若干、白色壁紙若干、杜邦線若干、亞克力膠若干、繪圖用2B鉛筆、橡皮等。

3.3 道路底板的制作

取一塊50cm*100cm黑色亞克力板，將道路寬設定為50cm，兩側各留出10cm作為綠化帶空間，中間30cm作為車行道，并用鉛筆標注好各部分的位置。

3.4 限高桿的制作

取6塊40cm*30cm白色亞克力板，切割出6塊18cm*3cm的條狀亞克力板，并將其中兩條各削去1個3cm*3cm的等腰直角三角形板，再在這兩塊板中選取一個挖掉一個小洞作為紅外傳感器的嵌入位置。再切割出2塊15cm*3cm的條狀亞克力板，用這8塊亞克力板拼接成限高桿的兩個立柱，并用亞克力膠黏合，注意使有小洞的一塊板面向道路。完成后再取2塊40cm*30cm白色亞克力板切割出1塊30cm*3cm和3塊36cm*3cm亞克力板，并將36cm*3cm白色亞克力板中的兩塊各切去1個3cm*3cm等腰直角三角形板，在這兩塊板中再取一塊板，在中央挖出一個小洞作為光電傳感器的嵌入位置，然后將這些板用亞克力膠黏合成限高桿的橫梁。之后再將光電傳感器安裝到橫梁與立柱上，連接上杜邦線，最后講橫梁與立柱黏合到一起，注意使橫梁上的紅外傳感器面向車流方向。

3.5 涵洞的制作

先將橋墩所用4塊亞克力板用亞克力膠兩兩黏合在一起成為兩個支柱，再將護欄與橋面黏合在一起，最后將橋面與橋墩用亞克力膠黏合在一起，靜置片刻使膠水風干，再在各接縫處再上一次膠，確保黏接牢固。完成后，再取一根小木棒，用盤鋸將其兩端削尖，并用紅筆做上標記，作為水位警戒線的標志，用亞克力膠將其沿平行于地面的方向黏接到橋墩內側一定高度處。在警戒線上方再安裝一個濕度傳感器以檢測涵洞內水位的變化情況，靜置片刻待膠水風干后，將整座橋用膠水固定到道路底板上合適位置處。

3.6 電路制作

將一塊電源擴展板連接到單片機上，電池通過電源擴展板與單片機間接相連，紅色LED燈與揚聲器以及紅外傳感器、濕度傳感器都接入到電源擴展板上，單片機與電源都貼在橋墩的外側，所有導線都沿道路邊緣分布，橋梁處導線用透明膠帶貼在橋上，限高桿處的電路直接布置在限高桿中，以節省空間，同時使模型更加美觀，所有導線最終與電源或與拓展板相連接，電路安裝完后，將導線用塑料繩捆扎起來，將導線團置于電源旁側。

3.7 程序設計

3.8 裝飾與美化

取3塊仿真草皮，用剪刀裁出4塊10cm*25cm塊狀草皮，在其背面貼上雙面膠并將其貼到道路底板上已規劃好的綠化帶的位置。再取12個樹木模型和若干方形木棍，將木棍切割成若干小木塊，用臺式電鉆在小木塊上打孔并用熱熔膠槍向孔中注入熔膠，然后將樹木模型插入到小木塊中，靜置片刻使其冷卻，然后將制好的盆栽模型用亞克力膠黏到草皮上并不斷吹氣使其冷卻。再取黑色砂紙3張，將其裁成寬為20cm的條狀并用雙面膠將其貼到橋面上，注意使其充分覆蓋橋面，之后再在砂紙的接縫處注入亞克力膠使其固定結實，防止其邊緣卷起，再將壁紙裁成寬為1.5cm的細長條狀，貼在橋面和道路底板的中央，作為馬路的中線，使實物整體效果更加逼真。

4 ?項目亮點

4.1 一桿多用

本系統對傳統限高桿加以改造，將其與傳感技術和單片機系統相結合，既通過剛性限高桿限制車輛以保護涵洞的結構，又能對超高車輛司機進行及時的警報以有效減少人員傷亡與財產損失，還通過單片機技術賦予限高桿統計車流量的功能。集多種功能于一身，既提高效率，又節約資源，并且能降低建設、改造成本，易于推廣使用。

4.2 以人為本的設計理念

智能限高桿可以用較長的提前量檢測到車輛是否超高，如果超高則可迅速觸發警報裝置，使司機有較長的反映時間停止車輛前進，從而避免人身財產安全損失。涵洞積水預警系統使得車主能夠提前獲知涵洞內的積水情況并及時改變路線，有利于減少交通事故的發生和車輛因進水熄火而給車主帶來安全奉獻、車輛損失風險，真正給車主帶來便利，提升人們生活的滿意度。

4.3 注重實用價值

本系統采用的單片機技術在保證實際使用功能完備的前提上，其制造成本較低，且對于現有交通設計改造性強，可因地制宜根據現有交通設施和建筑進行智能系統加裝，改裝成本遠低于重新建設成本。同時該智能控制系統技術發展成熟，易于大規模生產和安裝，即使是在中小城市也可以廣泛推廣使用。且使用過程中脫離計算機控制、維護簡單，系統整體實用性較強。

5 ?未來技術升級

5.1 增加適用范圍

此系統較適于在單行道中使用。可以在限高桿另一側靠近地面處加裝一個光電傳感器并在道路中央隔離欄處加裝一個裝有傳感器的感應樁，再將限高桿橫梁上的一個光電傳感器改為兩個，這樣此系統也可以安裝在雙行道中使用，擴大其適用范圍。

5.2 避免傳感器錯誤觸發

涵洞中的濕度傳感器是裸露的，如果誤觸到水也會使LED燈亮起。為避免此情況，可以在濕度傳感器外加一防護罩，只在下方開口，以避免濕度傳感器在平時被誤觸，影響交通系統的正常運轉以及人們生產生活活動的正常進行。

5.3 使用微型芯片代替單片機執行功能

使用微型芯片替換單片機，一方面將控制器微型化，便于將系統更加契合的加裝到公路系統中，使整個控制系統更加微觀;同時使用微型芯片代替單片機，還可以進一步降低成本，有利于智能限高和涵洞積水預警系統的進一步普及;通過微型芯片的替換，還可以降低維護成本，一旦芯片損壞，則只更換芯片就可以，降低維修成本。

6 ?總結

本文重點介紹了基于DP801單片機技術的智能限高與涵洞積水預警系統。該系統利用光電傳感技術與濕度傳感技術進行信息的采集與檢測，利用以DP801單片機系統為核心的單片機系統進行信息的處理與決策，并通過由單片機控制的LED燈和揚聲器向車主發送聲音和視覺信號，以起到提醒與預警的作用。該系統功能多樣，造價低廉，理論原理較簡單高效，具有較高的實用價值，應用前景較廣闊。

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