設(shè)備環(huán)境參數(shù)檢測在公路機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用研究

北京昊華能源股份有限公司 丁大偉 北京手挽手勞務(wù)派遣有限責(zé)任公司大興分公司 孔祥偉

北京中江偉業(yè)消防工程有限公司 李勝利 北京云星宇交通科技股份有限公司 戎振國

隨著經(jīng)濟(jì)的的大力發(fā)展，使得路橋事業(yè)實(shí)現(xiàn)飛躍的增幅，公路交通量亦是與日俱增，隧道污染物濃度隨之增大，一系列的環(huán)境污染、公路機(jī)電設(shè)備保障力度降低以及交通事故等問題隨之而來。我們需在維護(hù)設(shè)備方面提高相應(yīng)的技術(shù)能力來減少資源的鋪張浪費(fèi)，這樣便能夠盡快地進(jìn)行設(shè)備的維修，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

我們一般會使用PLC 來作為照明系統(tǒng)的控制器和通風(fēng)系統(tǒng)的邏輯控制器。使用PLC 可以方便精準(zhǔn)地控制每個系統(tǒng)的運(yùn)行。保障了公路機(jī)電設(shè)備的順暢運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)公路機(jī)電設(shè)備環(huán)境的運(yùn)營控制。此外，單片機(jī)的使用在公路機(jī)電設(shè)備環(huán)境參數(shù)的采集與處理中不可或缺，既保證了公路的安全順暢的同行，又提供了快捷方便的信息集成系統(tǒng)[2]。

隨著公路通車?yán)锍痰闹饾u拓展，公路機(jī)電設(shè)備保障力度降低以及交通事故發(fā)生幾率增大等問題隨之而來，會造成許多不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失以及人員的傷亡。本文討論了公路機(jī)電設(shè)備安全運(yùn)營的重要性，提出實(shí)現(xiàn)公路機(jī)電設(shè)備環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計，以便公路交通運(yùn)營更加通暢安穩(wěn)，為公路安全提供重要保障。

1 公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境參數(shù)分析

1.1 公路機(jī)電系統(tǒng)的組成

1.1.1 通風(fēng)系統(tǒng)

通風(fēng)系統(tǒng)可以吹散車輛行駛時產(chǎn)生的化學(xué)廢氣；在通風(fēng)系統(tǒng)中射流風(fēng)扇的使用是最常見的，國外也使用安裝在隧道天花板上的風(fēng)道的通風(fēng)方式[3]。

1.1.2 照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)最基本的需求就是：光線需要密布在路面上，使得公路光照充足，基本需求一般使用熒光燈等作為最基本的照明設(shè)備，將這些著照明設(shè)備安裝在行車道的上方和兩側(cè)，并且在水平正上方也裝有這些照明設(shè)施?；菊彰?、增強(qiáng)照明、應(yīng)急照明的分段形成了照明功能的基本劃分十字孔照明四個部分；按區(qū)段分為引入段、適應(yīng)段和過渡段、基本段、出口段[4]。

1.1.3 消防系統(tǒng)

應(yīng)急廣播系統(tǒng)、消防監(jiān)控系統(tǒng)、聲光報警系統(tǒng)是整個消防系統(tǒng)的核心，消防系統(tǒng)的主要功能體現(xiàn)在：可以探測出火災(zāi)的形成，火災(zāi)形成時可以及時的報警提醒終端來使用消火栓，滅火器等設(shè)施來進(jìn)行一系列的滅火操作實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)的及時控制與減滅[5]。

1.1.4 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)包括車輛探測器、天氣探測器、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)急電源電話系統(tǒng)，其中最重要的就是環(huán)境檢測設(shè)備，它可以實(shí)現(xiàn)多種功能。例如：檢測空氣中一氧化碳的濃度，實(shí)現(xiàn)對煙霧擴(kuò)散警報系統(tǒng)，測量公路風(fēng)力和風(fēng)向。其次還有交通引導(dǎo)設(shè)施，可變信息標(biāo)志，監(jiān)控計算機(jī)系統(tǒng)等共同組成了不可或缺的監(jiān)控系統(tǒng)[6]。

1.1.5 配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)是公路機(jī)電系統(tǒng)中最重要的一環(huán)，沒有配電系統(tǒng)的供電一切將成為空談。配電系統(tǒng)的主要功能有：對風(fēng)機(jī)、照明燈、水泵的及時供電，最主要的功能就是為各種監(jiān)控設(shè)備輸入額定電壓，讓機(jī)電系統(tǒng)得以正常穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。供配電系統(tǒng)的導(dǎo)線擁有良好的導(dǎo)電性能，足夠支撐起整個配電系統(tǒng)。變電站的導(dǎo)線直接連接到隧道入口，然后通過各式各樣的變壓器，成為所需的公路機(jī)電設(shè)備供電標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 公路機(jī)電設(shè)備環(huán)境參數(shù)的分析

由于公路環(huán)境封閉線路復(fù)雜，環(huán)境溫濕度會直接影響供電系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，溫濕度過高會直接導(dǎo)致線路短路產(chǎn)生火花燃燒電路，間接引發(fā)火災(zāi)，因此溫濕度檢測是必不可少的。系統(tǒng)設(shè)置了機(jī)電設(shè)備溫度檢測模塊，實(shí)時檢測機(jī)電設(shè)備周圍溫度情況，及時反饋給終端系統(tǒng)，實(shí)時知曉機(jī)電設(shè)備環(huán)境的實(shí)時數(shù)據(jù)，接收到信息后及時反饋，使得機(jī)電設(shè)備得以正常工作，保證機(jī)電設(shè)備環(huán)境的干燥整潔，及時反饋給終端系統(tǒng)，實(shí)時知曉機(jī)電設(shè)備環(huán)境的實(shí)時數(shù)據(jù)。

粉塵濃度也能間接反映了通風(fēng)系統(tǒng)的性能和工作情況，接收到信息后得以及時反饋，使得機(jī)電設(shè)備不被積攢太多灰塵，保證機(jī)電設(shè)備環(huán)境的干燥整潔，讓機(jī)電設(shè)備正常工作，保證公路環(huán)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(fā)生頻率的降低，降低人員生命危險及財產(chǎn)的損失。

2 系統(tǒng)設(shè)計總體方案及主要控制器及器件

環(huán)境檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 環(huán)境檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 STC89C51單片機(jī)

2.1.1 STC89C51單片機(jī)重要引腳信號解析

VCC、VSS：由于電路經(jīng)常會短路，接大電容主要起儲能作用，芯片工作時有時會拉低電壓，接上電容能起到穩(wěn)定電壓；接小電容主要起到濾波作用，信號傳遞時可能會產(chǎn)生一些脈沖波，通過小電容能將瞬間變化的脈沖引入地。

XTAL1、XTAL2：單片機(jī)的震蕩電路是由晶體振蕩器所產(chǎn)生，由晶體振蕩器來控制單片機(jī)的時鐘電路。

外部程序存儲器信號接收引腳PSEN：當(dāng)單片機(jī)需要程序存儲器讀取指令時，輸出兩個脈沖，使引腳獲得并處于低電平狀態(tài)。

復(fù)位信號RST：當(dāng)單片機(jī)需要復(fù)位、重新開始程序數(shù)據(jù)的讀寫時，單片機(jī)的復(fù)位信號就顯得尤為重要。單片機(jī)復(fù)位極其簡單，只需要使RST 引腳處于高電平狀態(tài)，接收到脈沖信號后，保持這個狀態(tài)兩個機(jī)械周期以上，單片機(jī)就會復(fù)位。

P0：P0輸入/輸出引腳，外部接上拉電阻的作用：如果沒有這個電阻R，則I/O 口和VCC 就沒有直接連接關(guān)系，如果用電阻連接起來就是一個上拉電阻。上拉電阻保護(hù)了電路內(nèi)部不受產(chǎn)生靜電的損害，加上上拉電阻還能增大內(nèi)部電流的大小，進(jìn)而使得輸出端的引腳的性能得到了增強(qiáng)，這在單片機(jī)中也比較常用；上拉電阻由于連著電源正極，所以也能提高輸出端高電平的電壓等。

P1～P3：輸入/輸出引腳，無需外部接上拉電阻。

2.1.2 單片機(jī)的定時器中斷

單片機(jī)中斷的原理：單片機(jī)在每個機(jī)械周期運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，CUP 為了使得芯片工作處理問題更有序的目的，會周期性地檢測運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的中斷源，如果檢測到有中斷源信號的產(chǎn)生，CPU 會立即中斷正在運(yùn)行的工作（CPU 來比較中斷等級是否高過正在運(yùn)行的程序），并保護(hù)正在儲存的數(shù)據(jù)（儲存在寄存器的數(shù)據(jù)剛剛?cè)霔＃?，緊接著運(yùn)行要使用的中斷程序中斷正在運(yùn)行的程序，接著實(shí)現(xiàn)中斷源所需要實(shí)現(xiàn)的程序，中斷程序結(jié)束后，調(diào)用之前停止的程序（將之前儲存在寄存器中的數(shù)據(jù)調(diào)動出棧），來接著運(yùn)行被中斷的程序。

2.2 A/D 轉(zhuǎn)換芯片ADC0832

2.2.1 ADC0832的介紹

ADC0832是雙通道A/D 轉(zhuǎn)換器，在八個引腳和雙通道組成的優(yōu)勢下，ADC0832芯片在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換時，可以分別同時在兩個通道實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，工作效率高、輸出穩(wěn)定性強(qiáng)，當(dāng)工作在單端工作方式下時，芯片將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成引腳對地的電壓值；當(dāng)工作在差分工作方式下時，芯片將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成AIN+與AIN-兩個引腳的差值。

ADC0832芯片的通信方式是串行通信，DI 口引腳的信號收入來控制選擇通信通道，通道選擇后再去經(jīng)行相關(guān)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳送。ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器，精準(zhǔn)度高數(shù)模轉(zhuǎn)換范圍大是因?yàn)槠鋼碛兄?位分辨率，一般不超過256級的分辨率要求下的A/D 轉(zhuǎn)換都可以輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。

2.2.2 ADC0832的特點(diǎn)

當(dāng)電源為芯片供電時，輸入電壓一般都在0V 至5V 之間；內(nèi)部電源輸入在標(biāo)準(zhǔn)電壓的參考下，使得芯片的輸出更加的精準(zhǔn)可靠。芯片的一般工作轉(zhuǎn)換時間短，輸出頻率高、工作效率高、轉(zhuǎn)換速度快、輸出穩(wěn)定性強(qiáng)是ADC0832的一大優(yōu)點(diǎn)，功耗相對于其他芯片來說功耗較低，一般為十五毫瓦。

2.2.3 ADC0832的工作原理和ADC0832的引腳說明

CS_片選使能：就是能端不使能的話，芯片內(nèi)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(tài)，引腳就必須保持低電平的狀態(tài)。

CH0：模擬輸入通道0，也可以當(dāng)作IN+/-使用的信號引腳。

CH1：模擬輸入通道1，也可以當(dāng)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(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出的信號接收引腳。

CLK：芯片時鐘輸入的信號接收引腳。

VCC/REF：芯片用來控制電源輸入的信號接收引腳并且確定參考電壓的大小。

當(dāng)ADC0832的CS 片選使能處于高電平狀態(tài)時，ADC0832芯片處于被關(guān)閉的狀態(tài)中，如果想要啟動ADC0832芯片，就是能端不使能的話，芯片內(nèi)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(tài)，CS 引腳就必須保持低電平的狀態(tài)。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(jìn)行芯片對于選用哪個通道進(jìn)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，芯片會對模擬輸入通道0進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換；如果DI 接收到的為1和1，芯片會對單個的模擬輸入通道1進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換；如果DI接收到的為0和0，芯片會把模擬輸入通道0變成正輸入端，把模擬輸入通道1變成相反的輸入端；如果DI 接收到的為0和1，芯片會把模擬輸入通道1變成正輸入端，把模擬輸入通道0變成相反的輸入端。當(dāng)ID 信號引腳接受完選擇通道的信號以后，芯片可以開始讀寫處理數(shù)據(jù)，并且周期性的向外部輸送數(shù)據(jù)。

3 設(shè)備環(huán)境參數(shù)檢測在公路機(jī)電設(shè)備中的發(fā)展前景

保證交通安全系統(tǒng)設(shè)施齊全。隧道照明作為照明系統(tǒng)和交通安全系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)。在未來需要研究分析和制定相對合理的養(yǎng)護(hù)期限，并改善保正功能，以改善隧道道路路況的安全性和駕駛員們的駕駛安全以及舒適的駕駛環(huán)境。

滿足未來發(fā)展需求。自動控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，應(yīng)具有操作簡便、開放性強(qiáng)、通信快捷順暢、系統(tǒng)功能多樣化、讓使用者擁有更加舒適的操作感?？刂葡到y(tǒng)增強(qiáng)會讓隧道管理和公路機(jī)電設(shè)備的維護(hù)變得更加方便快捷。數(shù)據(jù)交換、信息共享和區(qū)域協(xié)調(diào)控制提高了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)操作的便利性；一方面在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層面上，以進(jìn)一步提高數(shù)字和智能儀器的性能。大力發(fā)展無線通信，使用無線通信設(shè)備去實(shí)時接收隧道內(nèi)的環(huán)境狀況，并且及時反饋到終端，實(shí)現(xiàn)設(shè)備檢測與監(jiān)控的進(jìn)一步統(tǒng)一。

綜上，本文進(jìn)行了公路機(jī)電設(shè)備設(shè)備環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)的方案設(shè)計，采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的主體，連接一系列的傳感器進(jìn)行外部環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，再經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成電信號由終端接收，顯示在LCD 液晶顯示屏上，也可以由手機(jī)藍(lán)牙端接收，顯示在手機(jī)APP 上。

要將高速公路的運(yùn)行變得更加通暢、運(yùn)轉(zhuǎn)秩序更加穩(wěn)定、節(jié)省資源保證效率作為高速公路機(jī)電維護(hù)的最終目的，需要求真務(wù)實(shí)、踏實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)創(chuàng)新、節(jié)省資源、減少勞動力，消除“過分維護(hù)”的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)設(shè)備完好、故障快速修復(fù)、不間斷供電、平穩(wěn)安全運(yùn)行的最終目標(biāo)。