公路機電設備環境參數檢測研究

丁大偉，孔祥偉，李勝利，戎振國

（1.北京昊華能源股份有限公司，北京 102300；2.北京手挽手勞務派遣有限責任公司大興分公司，北京 102611；3.北京中江偉業消防工程有限公司，北京 102300；4.北京云星宇交通科技股份有限公司，北京 100071）

0 引言

公路安全運營問題必須得到重視，實現公路機電設備環境的實時監測與控制，讓公路的交通運營更加通暢安穩，是公路安全的重要保障。由于空間上的限制從而使得公路的環境相對復雜，難以得到檢測和控制，公路中行駛車輛排放出未完全燃燒產生的有害氣體和隨著汽車行駛產生風力卷起地面的塵土增加了公路粉塵濃度，導致公路附近空氣渾濁質量較差；公路外溫差的作用下使得公路中的溫差也難以控制，積水的出現在公路中非常頻繁；設備的日常維護和維修工作量的巨大，工人們在繁忙的交通狀況和封閉式的公路環境中難以有效的去維護機電設備的運轉，公路的機電設備在如此情況下便得不到及時的維護，使得交通事故不斷發生。由于上述的這些情況，我們需要對公路機電環境中的粉塵濃度、溫濕度等一些環境參數進行實時的檢測，從而避免交通事故的發生[1]。

1 硬件設計方案

機電設備環境檢測系統共分為4 個組成部分，分別為：用來檢測空氣中溫濕度的部分、用來檢測空氣中粉塵濃度的部分、將數據傳輸到終端的藍牙部分、用來顯示數據的LCD 顯示部分。硬件設計方案設計圖如圖1 所示。

圖1 系統總體設計原理圖

1.1 溫濕度檢測模塊

由于公路環境封閉線路密閉，線路短路會產生火花燃燒電路產生火災，造成事故發生。為保障系統的安全，系統設置了機電設備溫度檢測模塊，實時檢測機電設備周圍的溫度情況，及時反饋給終端系統，實時知曉機電設備環境的實時數據，接收到信息后得以及時反饋，使得機電設備得以正常工作，保證機電設備環境的干燥整潔，保證駕駛員的駕駛舒適性，從而使得交通事故的發生頻率的降低，降低人員生命危險及財產的損失[2]。

本系統選用DHT11 溫濕度檢測模塊。DHT11 囊括了溫度傳感器和濕度傳感器，可以將溫度和濕度的模擬信號轉換為數字模擬量的高效傳感器。DHT11含有一個電阻式濕度傳感器，其中的氯化鋰感濕基片在濕度變化的同時，也會改變自身的屬性，從而精準的檢測出環境的濕度狀態，其穩定性高，精準度高，耐溫性強。除此之外DHT11 還包含了MCU8 位寬的數據總線[3]。DHT11 溫濕度傳感器實物構建圖如圖2 所示。數據總線DATA 的接線如圖3 所示。

圖2 DHT11 傳感器實物圖

圖3 中，8 位微控制器會向DHT11 芯片發送啟動芯片的使能信號，如果DHT11 引腳在一定時間內沒能夠獲取到使能信號，則DHT11 就會處在低功耗的工作狀態；當DHT11 接收到來自8 位微控制器的開始工作使能信號后，就會立即從低功耗的工作狀態中脫離出來，進入到高速運轉的工作模式，同時DHT11 會向用戶MCU 發送反饋信號。終端控制器會把總線DATA 的外設I/O 口轉換成向外發送信息的狀態，隨時可以向DHT11 芯片傳輸信息。

圖3 DHT11 數據總線接線圖

終端控制器會把總線DATA 的傳送速度降低到至少16 ms，這個作為開始工作的信號的出發點。接著把總線DATA 傳送速率提升到20 ms ～ 40 ms，這個作為開始工作信號的終點。DHT11 得到電壓后，進行下一步的工作。DHT11 得到電壓之后會存在一秒鐘的不穩定狀態，一秒鐘之后才能向外部發送相關指令。

之后的工作便是DHT11 先將總線DATA 的傳送速率降低到80 ms 當作對終端控制器的回復和應答，后面便可以將總線DATA 傳送速率提升到八十毫秒，作為回復應答獲取到的空氣中溫濕度的數字信息的準備工作。

在DHT11 將整個總線DATA 電壓拉高，一種情況是高電平持續時間為26 μs ～ 28 μs，二進制編碼為‘0’，另一種情況是高電平持續時間為70 μs，二進制編碼為‘1’。當一幀數據發送結束后，DHT11 停止對溫度，濕度數字信號的收集，并且重新切回到低功耗的工作狀態。總的來說，如果DHT11 沒有接收到啟動信號，DHT11 就會處在低功耗的工作狀態，不會主動去收集溫度，濕度數字信號。這就體現了DHT11 的優點和優勢所在：穩定性高，精準度高，耐溫性強，使用年份長久靈敏度高，性價比高，響應速度快、非常實用[4]。

DHT11 的傳輸格式如圖4：

圖4 DHT11 數據傳輸格式

1.2 粉塵檢測模塊

由于公路環境封閉，系統設置了機電設備粉塵濃度檢測模塊，實時檢測機電設備周圍的粉塵的濃度，及時反饋給終端系統，實時知曉機電設備環境的實時數據，粉塵濃度間接反映了公路通風系統的性能和工作情況，接收到信息后得以及時反饋，使得機電設備不被積攢太多灰塵，保證機電設備環境的干燥整潔，讓機電設備正常工作，保證公路環境的潔凈，保證駕駛員的駕駛舒適性，從而使得交通事故的發生頻率的降低，降低人員生命危險及財產的損失[5]。

夏普粉塵光學傳感器（GP2Y1010AU0F）是一個穩定性高，精準度高，空間體積小，拿放輕便，使用年份長久靈敏度高，性價比高，響應速度快的一個非常實用的光電傳感器，可以有效檢測出環境中粉塵的濃度，深受用戶的喜愛。夏普粉塵光學傳感器（GP2Y1010AU0F）最大工作電流僅僅只為20 mA，是一個低功耗的傳感器，減少了能源的消耗，但是它的負載電壓最大卻可以達到7 VDC，是一個非常穩定又實用的傳感器。

該傳感器包含了一個光電晶體管，可以檢測物體反射的光線，經過內部的放大電路，放大轉換之后的電流，使得芯片接收到準確的電信號，具有很高效率的收集光電數字信息和轉換的功能（圖5）。先由紅外發光二極管向空氣中的粉塵發射一束光線，這束光線經過空氣中粉塵和顆粒的反射，反射回光電晶體管，光電晶體管來接收反射回來的光線的多少，便可以判斷空氣中的粉塵和微小顆粒的濃度。

圖5 GP2Y1010AU0F 內部結構

GP2Y1010AU0F 利用光電效應，也就是由紅外發光二極管發射接著由物體反射回來的光線緊接著由光電晶體管轉換成電信號，其中轉換的電壓隨著空氣中的粉塵濃度增加而增大。

1.3 藍牙接收模塊

HC-05 是主從一體的嵌入式串口通信模塊，兩個設備之間可以相互傳輸數據。HC-05 藍牙設備包含了板載LED 狀態燈、板載蛇形天線、高密度晶振、進口CRS 芯片（持續達到低功率性能）、使用郵票孔封裝方式（方便嵌入應用系統）。自動連接工作的方式為：連接成功后，模塊依循原先設定的方式自主傳輸數據。命令響應工作的方式為：模塊能偶實現所有的AT 指令，用來將模塊原本的參數重新設定，執行各種AT 指令[6]。

藍牙模塊的電路原理圖如圖6 所示：

圖6 HC-05 電路原理圖

1.4 LCD 顯示模塊設計

LCD1602 液晶顯示器中的液晶由M×N 個點陣構成，分為64 行和128 列，每行有128 列劃分8 位一共包含有16 個字節，那么LCD1602 液晶顯示器就一共擁有64*16 個點，這正好與顯示RAM 的1024 個字節一一對應，1024 個字節一一對應于LCD1602 液晶顯示器上的點的位置，控制每個位置的顯示光暗。LCD1602 液晶顯示器的第一行對應于RAM 的000H到00FH 這16 個字節。一下以此類推，每個字節的內容控制每個點的位置的亮暗[7]。

指令1：控制器輸入01H 指令碼，清空原屏幕所顯示的數據，控制器將顯示光標再次歸置到的相應位置。

指令2：指令二二的作用是控制器將顯示光標再次歸置重置到的相應位置。

指令3：指令三用于設置輸入的方式，用來控制光標的移動方向，當引腳得到高電壓信號狀態的時候，控制器控制光標向右移動，當引腳得到低電壓信號的時候，控制器控制光標向左移動。

指令4：指令四用于控制顯示開關，D：可以用來設置整個屏幕的顯示與否，當引腳得到高電壓信號的時候，屏幕處于開啟的狀態，當引腳得到低電壓信號的時候，屏幕處于關閉的狀態。 C：可以用來設置整個光標的顯示與否，當引腳得到高電壓信號的時候，光標處

于開啟的狀態，當引腳得到低電壓信號的時候，光標處于關閉的狀態。 B：可以用來設置整個光標的閃爍與否，原理與上面兩個狀態相同。

指令5：指令五用于控制屏幕中文字的移動或者是光標的移動。

指令6：指令六用于設置顯示的功能，當引腳DL得到高電壓信號的時候，啟用4 位總線，當引腳DL得到低電壓信號的時候，啟用8 位總線。當引腳N 得到高電壓信號的時候，啟用單行顯示，當引腳N 得到低電壓信號的時候，啟用雙行顯示。當引腳F 得到高電壓信號的時候，啟用5x7 的點陣字符，當引腳F 得到低電壓信號的時候，啟用5x10 的點陣字符。

指令7：指令七用于控制選擇的所處位置。

指令8：指令八用于控制的所處位置。

指令9：指令九用于控制選擇讀忙信號和光標所處位置，當引腳BF 得到高電壓信號狀態的時候，顯示芯片無法接收任何指令，當引腳DL 得到高電壓信號狀態的時候，重新開始接收新的指令。

指令10：寫數據。

指令11：讀數據。

LCD1602 原理圖設計如下圖7：

圖7 LCD1602 原理圖

CS_片選使能

使能端接高電平時，芯片內部沒有時鐘，從而處于低功耗的模式。要使芯片處于使能狀態，引腳就必須保持低電平的狀態。

CH0 模擬輸入通道0，也可以當作IN+/-使用的信號引腳。

CH1 模擬輸入通道1，也可以當作IN+/-使用的信號引腳。

GND 芯片對地的參考0 電位的信號引腳。

DI 芯片用來控制通道選擇的信號接收引腳。

DO 芯片用來轉換數據輸出的信號接收引腳。

CLK 芯片時鐘輸入的信號接收引腳。

2 程序設計及軟件應用

2.1 主函數流程圖

主函數流程如圖8 所示。

圖8 主函數流程圖

2.2 主要子函數的設計

子程序主要是LCD 初始化程序，顯示功能，A / D轉換功能，中間值過濾器等。下面主要介紹A / D 轉換功能。ADC0832 單片機的控制原理：當ADC0832 的CS 片選使能處于高電平狀態時，ADC0832 芯片處于被關閉的狀態中，如果想要啟動ADC0832 芯片，就是能端不使能的話，芯片內部沒有時鐘芯片就不工作從而處于低功耗的模式。要使芯片處于使能狀態，CS 引腳就必須保持低電平的狀態。在芯片開始工作的同時，芯片時鐘輸入的信號接收引腳CLK 會接收到來自CPU 的脈沖信號，引腳DI 也會接收到第一個時鐘脈沖的高電平作為時鐘的開始，來進行芯片對于選用哪個通道進行控制的過程，緊接著會向DI 端輸入選擇通道的信號。如果DI 接收到的為1 和0，芯片就會對模擬輸入通道0 進行數模轉換，芯片就可以開始讀寫處理數據，并且周期性的向外部輸送數據。

具體實現是通過晶體管集成電路替代電阻實現的。低通濾波電路是進行數模轉換的主要手段，使用低通濾波電路，將輸入進來的數字信號轉換成單片機能夠識別的編碼‘0’‘1’，再將數字編碼轉換成相對應的電壓信號或者是電流信號，形成一定的波形，再由低通濾波電路過濾掉產生后的電壓整流信號的波紋或者是電流整流信號的波紋。過濾后形成的波形為梯狀型波形，這是由兩個矩形波形沖激采樣信號和矩形脈沖信號卷積產生的結果。

2.3 Proteus 仿真分析

Proteus Design Suite 是一款簡單實用的電路設計和單片機系統仿真軟件。它包括專業系統提供的所有功能，包括基于網表的PCB 設計以及自動放置，自動布線和基于圖形的仿真。Proteus Design Suite 第一種功能就是原理圖設計，創建原理圖。這是虛擬硬件進行仿真和邏輯分析PCB 布局設計。第二個功能就是硬件設計，編寫程序以控制電路。然后模擬，測試和調試整個Proteus 中的嵌入式系統。第三種功能是PCB設計，使用Proteus Design Suite 可以模擬出一個可用的虛擬原型，放置并布線物理PCB。是一個專業的，約束驅動的布局工具。第四種功能是3D 可視化/MCAD，使用3D Viewer 可以進行視覺檢查并導出到MCAD 工具，創造出形象的模擬圖。最后一種功能就是Hardware Prototype，是一種可以驗證并且判斷出我們設計的固件是否一件可以正常運行硬件。Proteus Design Suite 的功能全面，是現如今可以進行實時仿真、編譯的電路設計和單片機系統仿真軟件。功能的多樣性和程序仿真編譯的高效性，使得用戶們在設計產品時能夠獲得更高的舒適感，提高了對產品仿真測試的效率。

3 結語

使用GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器接收到公路空氣中粉塵濃度的數字信號轉化為電信號接而得到公路機電設備環境粉塵濃度的大小，使用DHT11 溫濕度傳感器接收到公路空氣中溫濕度的數字信號轉化為電信號接而得到公路機電設備環境溫濕度的大小，LCD1602 顯示屏實時顯示公路空氣中粉塵濃度和溫濕度，使用了STC89C51 單片機作為檢測基礎。并通過藍牙傳輸到手機APP 顯示空氣質量實時監測查看，該系統電路簡單明了、工作性能穩定、電路集成度高，調試方便簡單，測試精準。在公路機電設備環境使用該系統測量了溫濕度和粉塵濃度的數據，能夠及時得到信息，藍牙也能夠迅速反饋到手機APP。本系統在公路機電設備環境中運行良好，能夠為公路機電設備環境實現參數檢測功能。