隧道及周邊事故狀態(tài)下的安全提示裝置設(shè)計

岳俊芳，楊艷

（攀枝花學(xué)院 智能制造學(xué)院，四川攀枝花，617000）

0 引言

隧道事故偶然性大，危害性強(qiáng)、影響和損失巨大，并且易引發(fā)交通事故、危化品泄漏事故等災(zāi)害。并且由于隧道構(gòu)造的特殊性發(fā)生事故后容易造成二次交通事故，而二次交通事故的發(fā)生會加劇事故的危害性，這對于道路交通的安全大為的不利。因此當(dāng)隧道交通事故發(fā)生時對后方車輛進(jìn)行警示尤為重要。

1 隧道安全警示方案

本文提到的安全提示裝置主要針對隧道發(fā)生火災(zāi)、塌方、泥石流和交通事故時所提出的安全警示方案。當(dāng)光纖光柵溫度傳感器檢測到火災(zāi)的發(fā)生后，光纖光柵溫度傳感器立即將所得到的信息傳遞到單片機(jī)，然后單片機(jī)通過以無線傳輸?shù)姆绞綄⒅噶顐鬟f到相應(yīng)位置的LED燈和LCD顯示屏之上，顯示出相關(guān)的火災(zāi)警示內(nèi)容；當(dāng)塌方發(fā)生的時候，安置在隧道上的超聲波傳感器會及時檢測到相關(guān)事故信息并將相應(yīng)的信息傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)處理后發(fā)出信號指令控制相應(yīng)的顯示裝置顯示出塌方警示內(nèi)容；當(dāng)泥石流發(fā)生的時候，超聲波傳感器檢測到相關(guān)信息并且SL3-1型翻斗式雨量計水器所測數(shù)據(jù)超過閾值，傳感器將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過處理后發(fā)出信號指令控制顯示裝置顯示泥石流警示內(nèi)容；當(dāng)?shù)缆飞习l(fā)生交通事故時，工作人員通過隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控到交通事故發(fā)生，通過按鍵將信息傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過處理后發(fā)出相關(guān)指令控制顯示裝置顯示交通事故警示內(nèi)容。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1所示，設(shè)計通過光纖光柵溫度傳感器、超聲波傳感器、SL3-1型翻斗式雨量傳感器和人工按鍵輸入判斷事故狀態(tài)發(fā)生類型，然后單片機(jī)對采集到的信息進(jìn)行處理后向預(yù)警顯示裝置發(fā)出信號指令，使安全提示顯示裝置顯示出相關(guān)的警示內(nèi)容，從而達(dá)到對后來車輛駕駛員起到警示的作用，減少二次交通事故的發(fā)生。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2.2 輸入模塊

（1）STC15W4K32S4單片機(jī)

STC15W4K32S4單片機(jī)如圖2所示，是無需轉(zhuǎn)換芯片即可直接與PC的USB接口通信，集成了上電復(fù)位電路與高精準(zhǔn)RC時鐘，給單片機(jī)芯片加上電源就可運(yùn)行程序；集成了大容量的程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器以及EEPROM，增加了定時器、串行口等基本功能部件；集成了AD、PCA、比較器、專用PWM模塊、SPI等多功能接口部件，可大大地簡化單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的外部電路，使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計更加簡潔，系統(tǒng)性能更加高效、可靠。

圖2 STC15W4K32S4單片機(jī)

（2）光纖光柵溫度傳感器

本文設(shè)計中所采用的光纖光柵溫度傳感器的測溫原理是通過檢測光纖光柵的反射譜或透射譜的變化獲得相應(yīng)的溫度值。其電路圖如圖3所示，VCC為電源電壓，AO與單片機(jī)P10口相接從而將傳感器所得數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理。其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、便于日常的維修保護(hù)且具有抗電磁干擾好、靈敏度高、耐腐蝕、響應(yīng)速度快和測量精度高等良好性能。

圖3 光纖光柵溫度傳感器電路圖

（3）超聲波傳感器

超聲波傳感器由發(fā)送探頭和接收探頭組成，發(fā)送探頭發(fā)送超聲波，發(fā)送的超聲波遇到障礙物后被反射，反射后的超聲波被接受探頭接受，以此來達(dá)到檢測障礙物的目的，其電路圖如圖4所示。環(huán)形線圈雖也能檢測道路上是否存在障礙物但是安裝與維修起來耗費(fèi)不方便，所以相比較下超聲波傳感器更適合用于障礙物的檢測。

圖4 超聲波傳感器電路圖

（4）SL3-1型翻斗式雨量傳感器

本文設(shè)計所使用的SL3-1 型翻斗式雨量傳感器的基本結(jié)構(gòu)包括盛水器、計數(shù)翻斗、匯集漏斗、計量翻斗、彈簧管、感應(yīng)器、上翻斗、防堵網(wǎng)、底盤、筒身等。與其他類型雨量傳感器如稱重式雨量傳感器、壓電式雨量傳感器相比精確度更高，可靠性更好。當(dāng)所測數(shù)據(jù)超過閾值后，單片機(jī)發(fā)出相關(guān)信號指令控制安全提示顯示裝置顯示出相關(guān)的內(nèi)容。其電路圖如圖5示。

圖5 SL3-1型翻斗式雨量 傳感器電路圖

（5）人工按鍵輸入模塊

當(dāng)發(fā)生交通事故如車輛側(cè)翻等，工作人員通過按鍵開關(guān)來控制安全提示顯示裝置顯示事故狀態(tài)下的提示內(nèi)容。按鍵開關(guān)通過不同擋位斷開與連接讓安全提示裝置顯示出相應(yīng)的事故狀態(tài)下的安全提示內(nèi)容。

2.3 輸出模塊

（1）LCD顯示模塊

在本文設(shè)計中，采用的是AGM1232G來顯示相應(yīng)的警示內(nèi)容，其中單片機(jī)的引腳與AGM1232G顯示屏引腳的具體連線如圖6所示。通過電路的連接可以將警示的內(nèi)容準(zhǔn)確地傳遞到該LCD顯示屏上。

圖6 LCD顯示模塊圖

（2）LED顯示模塊

當(dāng)信息采集裝置采集到相應(yīng)的事故狀態(tài)信息的時候，通過單片機(jī)進(jìn)行處理之后，發(fā)出相對應(yīng)的信號控制指令，在電路設(shè)計中LED所接的接口是單片機(jī)的P3.5、P3.6和P3.7接口。其中的接口連線方式如圖7所示。

圖7 LED顯示模塊圖

3 軟件設(shè)計

本設(shè)計通過運(yùn)用Keil軟件進(jìn)行程序的編寫與軟件的調(diào)試。首先是開啟電源，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，之后系統(tǒng)程序完成相關(guān)塌方事故、泥石流事故、火災(zāi)事故和交通事故的信息采集，再將相應(yīng)的安全警示內(nèi)容LCD顯示屏上顯示。其具體的程序流程圖如圖8所示。系統(tǒng)中分別檢測各事故類型的傳感器在采集到相關(guān)的數(shù)據(jù)后，單片機(jī)對相關(guān)的事故數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)出相關(guān)的信號指令控制安全提示裝置顯示相對應(yīng)的警示內(nèi)容。

圖8 系統(tǒng)流程圖

4 軟件測試

本設(shè)計用Proteus軟件進(jìn)行仿真，仿真圖如圖9所示，仿真結(jié)果能較好地反應(yīng)隧道安全提示裝置設(shè)計效果。與事故類型相關(guān)的傳感器檢測到事故類型發(fā)生的信息時，單片機(jī)處理相關(guān)信息后發(fā)出信號指令控制安全提示顯示裝置做出仿真相關(guān)反應(yīng)。受軟件限制光纖光柵溫度傳感器、SL3-1型翻斗式雨量計水器沒有設(shè)計，所以采用滑動變阻器代替，其阻值增減代表數(shù)量大小；超聲波傳感器、人工輸入設(shè)置為按鈕，其可以模擬相關(guān)信息的采集。

圖9 系統(tǒng)仿真圖

4.1 火災(zāi)測試結(jié)果

當(dāng)安置在隧道上的光纖光柵溫度傳感器檢測到火災(zāi)的有關(guān)信息時，由單片機(jī)檢測到傳感器傳出的數(shù)據(jù)，單片機(jī)經(jīng)過處理之后發(fā)出的信號指令讓LED燈變?yōu)榧t色，并且LCD顯示屏顯示出“前方火災(zāi)，禁止通行！靠右停車”的字樣，且在安全提示顯示裝置在進(jìn)行警示的一定時間過后，LED燈會變成綠色不停閃爍和黃色不停閃爍，LCD顯示屏顯示“請由相鄰車道調(diào)頭”的字樣，當(dāng)事故解決時隧道恢復(fù)正常。火災(zāi)事故狀態(tài)下的仿真測試結(jié)果如圖10所示。

4.2 塌方測試結(jié)果

當(dāng)安置在隧道上的超聲波傳感器檢測到其中一條車道有異物存在時，單片機(jī)在檢測到由傳感器傳出的數(shù)據(jù)之后，通過一系列的處理發(fā)出的信號指令使LED燈變成黃色，并且LCD顯示屏顯示出“前方塌方減速慢行”的字樣，達(dá)到對后方車輛進(jìn)行提示的目的；當(dāng)兩條車道都有異物存在時， LED燈變成紅色，LCD顯示屏顯示出“前方塌方道路中斷禁止通行靠右停車”的字樣，且在安全提示顯示裝置在進(jìn)行警示的一定時間過后，LED燈會變成綠色不停閃爍和黃色不停閃爍，LCD顯示屏顯示“請由相鄰車道調(diào)頭”的字樣，當(dāng)事故解決時隧道恢復(fù)正常。塌方事故狀態(tài)下的具體仿真測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 塌方測試結(jié)果圖

本文提出的以STC15W4K32S4單片機(jī)為控制中心結(jié)合超聲波傳感器、光纖光柵溫度傳感器、SL3-1型翻斗式雨量計水器和隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)采集事故信息的安全提示設(shè)計裝置可用于隧道交通系統(tǒng)中。在事故發(fā)生時可以及時警示后方車輛，從而達(dá)到減少二次交通事故的目的。不僅減少了隧道交通事故發(fā)生率，一定程度上提高了道路交通安全的程度，還保障了人民的人身財產(chǎn)安全。

4.3 交通事故仿真結(jié)果及分析

當(dāng)工作人員根據(jù)隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到有交通事故的發(fā)生并且只占據(jù)一條車道時的相關(guān)信息，通過人工輸入將數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過處理之后發(fā)出的信號指令讓LED燈變?yōu)辄S色，并且LCD顯示屏顯示出“交警提示您：注意觀察，減速慢行”的字樣；當(dāng)監(jiān)測到有交通事故的發(fā)生并且占據(jù)了兩條車道時，此時的 LED燈變?yōu)榧t色，并且LCD顯示屏顯示出“交警指令：禁止通行 靠右停車”的字樣，當(dāng)事故解決時隧道恢復(fù)正常。交通事故仿真測試結(jié)果如圖12所示。

圖12 交通事故測試結(jié)果圖

4.4 泥石流仿真結(jié)果及分析

當(dāng)安置在隧道上的超聲波傳感器和SL3-1型翻斗式雨量計檢測到有關(guān)泥石流事故狀態(tài)的信息時，由單片機(jī)檢測到傳感器傳出的數(shù)據(jù)，單片機(jī)經(jīng)過處理之后發(fā)出的信號指令讓LED燈變?yōu)榧t色，LCD顯示屏顯示“前方泥石流禁止通行靠右停車”的字樣；且在進(jìn)行一定的警示時間后，LED燈會變成綠色不停閃爍和黃色不停閃爍，此時的LCD顯示屏?xí)@示“請由相鄰車道調(diào)頭”的字樣，當(dāng)事故解決時隧道恢復(fù)正常。泥石流事故狀態(tài)下的仿真測試結(jié)果圖如圖13所示。

圖13 泥石流測試結(jié)果圖

5 結(jié)語