某隧道內安全行駛提示裝置設計

張麗，楊艷

（攀枝花學院智能制造學院，四川攀枝花，617000）

0 引言

隧道是一個特殊的半密閉空間，隧道內行駛安全是隧道行車安全的重要保證。公路隧道的修建，一方面既能改善線性、縮短運距，提高運營效益，又可以促進交通運輸事業發展；另一方面由于隧道封閉形成特殊環境，易引發交通事故，且隧道內交通事故往往危害程度大，事后處理難，且所造成的經濟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量，影響了地區網絡的運行效率和作用。新時代的到來，綠色交通觀念的深入人心，提高隧道內行駛安全已成為一種重要的發展趨勢，進行隧道內行駛安全提示裝置設計不僅能減少交通事故的發生，還能提高隧道內的交通安全性。因此，進行隧道內安全行駛提示裝置很有必要。

1 系統總體設計

本設計是以單片機為控制核心、以溫濕度傳感器、一氧化碳傳感器、煙霧傳感器、噪聲傳感器為測量元件，采用傳感器測量技術、控制技術等技術，構成隧道內安全行駛提示裝置設計系統。選用的主要器件有：STC單片機、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、數碼管、報警裝置蜂鳴器等。采用STC8H3K64S4單片機作為控制核心，實現了數據的采集、傳輸、顯示和報警。數據采集通過傳感器完成，傳感器將煙氣、CO的濃度轉化成電壓，由噪聲模塊將噪音強度轉化成電壓，再送入微處理器。單片機使用內部的AD轉換功能將這些電壓信號轉換為數據，并且通過判斷這些數據，可以知道現場環境情況是否超標。如果超標，可以發出報警聲音。溫濕度傳感器DHT11，內置了轉換成數字化的電路在傳感器內部。傳感器將采集數據傳送給單片機，單片機對數據進行判斷。單片機把數據經過數碼管驅動程序，將數據顯示出來。然后，程序對數據進行收集比較，得出是否要報警，如果超標報警，那么驅動蜂鳴器報警。其電路原理圖如圖1所示。

圖1 電路原理圖

2 系統硬件設計

■ 2.1 STC8H3K64S4 單片機

STC8H系列是一種不需要外部晶體振蕩、外部重置的單片機。在STC8H系列與51單片機在同樣的工作頻率下，其運算速率較常規8051提高11 2~13 2倍。STC8H系列單片機指令代碼完全兼容傳統8051。STC8H3K64S4提供21個中斷源、4級中斷優先級；有1路I2C串行總線，1路SPI串行總線；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個模擬量的傳感器，不用外掛AD轉換芯片。其管腳圖如圖2所示。

圖2 單片機管腳圖

■2.2 系統輸入模塊設計

2.2.1 溫濕度檢測模塊

本系統設計采用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據傳給單片機。DHT11性價比高，被廣泛應用，該方法采用SPI串行接口，一根導線即可與單片機聯接，簡化了電路的設計。因為它的體積小，則占用的空間就小，功耗小，產熱量小，信號傳輸穩定，在短距離時不會出現失真現象。其典型的電路圖如圖3所示，其中VDD是供電3~5 5V；DATA是串行數據，單總線，連接MCU；GND是接地，電源負極。

圖3 典型電路圖

本系統設計采用的是高性能的傳感器MQ-7模塊，對CO的靈敏度很高。MQ-7模塊能夠感知隧道內的CO濃度，并將其轉換成電壓值輸出，模塊電路圖如圖4所示。模塊內部含有一個MQ-7氣體傳感器，用于將CO濃度的變化轉換為電信號的變化，它采用SnO2作為氣敏物質，在大氣中不含有CO等易燃性氣體時，SnO2的導電性能很差，當周圍 CO濃度增加時，電導率增加，由此增加了輸出電壓。

圖4 MQ-7傳感器原理圖

2.2.3 煙霧檢測模塊

MQ-2靈敏度高、響應速度快、穩定性好、壽命長、驅動電路簡單；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導致低輸出電壓，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，通過與自帶A/D轉換的單片機相連進行模數轉換。

圖5 MQ-2電路圖

2.2.4 噪聲模塊

系統設計采用噪聲模塊，是模擬量電壓信號輸出聲音傳感器，能偵測音量，亦可直接用作分貝感應器；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、清零及噪聲補償模塊和數據處理模塊等組成。傳感器內置信號采樣及放大、清零及噪聲補償功能，用戶接口簡潔、方便。

■2.3 系統輸出模塊設計

2.3.1 顯示模塊

系統設計選擇4位共陽極數碼管模塊作為顯示器，4位串行，595芯片驅動。595芯片驅動的數碼管模塊，編程簡單且芯片便宜，驅動起來難度中等。因為要顯示的數據比較多，選595模塊，也便于級聯控制。74HC595是一個8位串行輸入、并行輸出的位移寄存器。在SCK 的上升沿，串行數據由SDL輸入到內部的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位位移緩存器的數據存入到8位并行輸出緩存器。當串行數據輸入端OE的控制信號為低使能時，并行輸出端的輸出值等于并行輸出緩存器所存儲的值。74HC595各個引腳功能如表1所示。

表1

2.3.2 報警模塊

系統設計采用有源蜂鳴器進行報警提示，如圖6所示。當檢測的各指標的濃度其中任何一個濃度大于其設定閾值時，單片機在接受到A/D轉換后的數字量后，通過軟件程序對數據進行收集比較，得出是否要報警，如果濃度超標，蜂鳴器發出聲音完成報警，數碼管顯示。

圖6 蜂鳴器電路圖

3 系統軟件設計

本設計采用單片機實現溫濕度、CO濃度、煙霧、噪聲數據的采集、蜂鳴器報警、濃度值顯示等功能。系統設計使用C語言編寫，并使用Proteus軟件對其進行了模擬。軟件的設計流程由初始化、指標檢測、顯示、判斷、顯示等部分組成，整個軟件的整體流程如圖7所示。系統中各個傳感器檢測出隧道內各指標濃度完成信號采集，然后傳給單片機，單片機進行內部轉化后，傳輸到顯示屏上進行顯示，若濃度高于設定閾值則蜂鳴器報警。

圖7 軟件流程圖

4 系統測試

本設計用Proteus軟件進行仿真，仿真結果能較好的反應隧道內安全行駛提示裝置設計的效果。仿真電路圖在實物的基礎上增加了對隧道內突發狀況下的交通量檢測，隧道出入口均有車輛檢測并設置用LCD顯示器顯示，提醒駕駛員注意觀察安全通行，其仿真結果如圖8所示。Proteus仿真軟件可進行DHT11溫濕度傳感器仿真，點擊上面按鈕即可進行溫濕度的轉換與增減；受軟件限制，CO傳感器、煙霧傳感器、噪聲傳感器沒有仿真設計，所以采用滑動變阻器代替，其阻值增減代表各指標濃度大小；突發狀況下的隧道內交通量檢測出入口仿真設計設置為按鈕，其可以模擬車流量的增減。

圖8 裝置設計仿真圖

5 結語

隨著我國公路運輸的迅速發展，公路建設已經成為拉動國民經濟發展的主要支柱行業。隧道因具有縮短行駛里程、保證運行安全、保護生態環境等優點而得到廣泛應用。由于高速公路隧道交通運行環境特殊，交通事故頻發，所有提高隧道內交通安全顯得尤為重要。本文設計的隧道內安全行駛裝置是一種結構比較簡單、使用比較方便、價格比較便宜、性能相對穩定、智能化的報警系統，具有一定的實用價值。

本文系統分析了影響隧道內交通安全的因素，設計出了隧道內安全行駛提示裝置，并對其進行了仿真模擬和實物設計，主要完成內容如下：

（1）分析研究了影響公路隧道內安全行駛的指標因素，并對各影響因素進行了分析與研究，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），為設計隧道內安全行駛提示裝置提供理論支持，并且使設計出的隧道內安全行駛提示裝置可靠性強；

（2）綜合對比與分析同一指標檢測的不同傳感器之間的區別，分析其優缺點，考慮性價比高、經濟合理可靠的傳感器，最終選擇了集成度高的傳感器模塊，這些傳感器模塊已經將信號放大電路做好，單片機直接采集傳感器輸出的電壓就可以做后續的數據分析和驅動工作。這樣不僅節約時間，也降低了工具設備的要求，同時也不影響裝置設計的靈活性。

（3）結合公路隧道自身特點，進行基于理論和模擬驗證的研究，將提取出的指標因素進行綜合分析與整體設計，以單片機技術為主進行電路設計及軟件控制，設計出了隧道內安全行駛提示裝置，并對其進行了Proteus仿真和實物連接，取得了較好的結果且仿真有考慮到隧道內的突發狀況，使論文說服性強。