公路機電設(shè)備環(huán)境參數(shù)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(wù)派遣有限責(zé)任公司大興分公司，北京 102611；3.北京中江偉業(yè)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(xiàn)公路機電設(shè)備環(huán)境的實時監(jiān)測與控制，讓公路的交通運營更加通暢安穩(wěn)，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(huán)境相對復(fù)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(chǎn)生的有害氣體和隨著汽車行駛產(chǎn)生風(fēng)力卷起地面的塵土增加了公路粉塵濃度，導(dǎo)致公路附近空氣渾濁質(zhì)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(xiàn)在公路中非常頻繁；設(shè)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(huán)境中難以有效的去維護機電設(shè)備的運轉(zhuǎn)，公路的機電設(shè)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(fā)生。由于上述的這些情況，我們需要對公路機電環(huán)境中的粉塵濃度、溫濕度等一些環(huán)境參數(shù)進行實時的檢測，從而避免交通事故的發(fā)生[1]。

1 硬件設(shè)計方案

機電設(shè)備環(huán)境檢測系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端的藍牙部分、用來顯示數(shù)據(jù)的LCD 顯示部分。硬件設(shè)計方案設(shè)計圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計原理圖

1.1 溫濕度檢測模塊

由于公路環(huán)境封閉線路密閉，線路短路會產(chǎn)生火花燃燒電路產(chǎn)生火災(zāi)，造成事故發(fā)生。為保障系統(tǒng)的安全，系統(tǒng)設(shè)置了機電設(shè)備溫度檢測模塊，實時檢測機電設(shè)備周圍的溫度情況，及時反饋給終端系統(tǒng)，實時知曉機電設(shè)備環(huán)境的實時數(shù)據(jù)，接收到信息后得以及時反饋，使得機電設(shè)備得以正常工作，保證機電設(shè)備環(huán)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(fā)生頻率的降低，降低人員生命危險及財產(chǎn)的損失[2]。

本系統(tǒng)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(zhuǎn)換為數(shù)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(zhǔn)的檢測出環(huán)境的濕度狀態(tài)，其穩(wěn)定性高，精準(zhǔn)度高，耐溫性強。除此之外DHT11 還包含了MCU8 位寬的數(shù)據(jù)總線[3]。DHT11 溫濕度傳感器實物構(gòu)建圖如圖2 所示。數(shù)據(jù)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(fā)送啟動芯片的使能信號，如果DHT11 引腳在一定時間內(nèi)沒能夠獲取到使能信號，則DHT11 就會處在低功耗的工作狀態(tài)；當(dāng)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(tài)中脫離出來，進入到高速運轉(zhuǎn)的工作模式，同時DHT11 會向用戶MCU 發(fā)送反饋信號。終端控制器會把總線DATA 的外設(shè)I/O 口轉(zhuǎn)換成向外發(fā)送信息的狀態(tài)，隨時可以向DHT11 芯片傳輸信息。

圖3 DHT11 數(shù)據(jù)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(fā)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(wěn)定狀態(tài)，一秒鐘之后才能向外部發(fā)送相關(guān)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(dāng)作對終端控制器的回復(fù)和應(yīng)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(fù)應(yīng)答獲取到的空氣中溫濕度的數(shù)字信息的準(zhǔn)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(xù)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(xù)時間為70 μs，二進制編碼為‘1’。當(dāng)一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，DHT11 停止對溫度，濕度數(shù)字信號的收集，并且重新切回到低功耗的工作狀態(tài)?？偟膩碚f，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(tài)，不會主動去收集溫度，濕度數(shù)字信號。這就體現(xiàn)了DHT11 的優(yōu)點和優(yōu)勢所在：穩(wěn)定性高，精準(zhǔn)度高，耐溫性強，使用年份長久靈敏度高，性價比高，響應(yīng)速度快、非常實用[4]。

DHT11 的傳輸格式如圖4：

圖4 DHT11 數(shù)據(jù)傳輸格式

1.2 粉塵檢測模塊

由于公路環(huán)境封閉，系統(tǒng)設(shè)置了機電設(shè)備粉塵濃度檢測模塊，實時檢測機電設(shè)備周圍的粉塵的濃度，及時反饋給終端系統(tǒng)，實時知曉機電設(shè)備環(huán)境的實時數(shù)據(jù)，粉塵濃度間接反映了公路通風(fēng)系統(tǒng)的性能和工作情況，接收到信息后得以及時反饋，使得機電設(shè)備不被積攢太多灰塵，保證機電設(shè)備環(huán)境的干燥整潔，讓機電設(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[5]。

夏普粉塵光學(xué)傳感器（GP2Y1010AU0F）是一個穩(wěn)定性高，精準(zhǔn)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(yīng)速度快的一個非常實用的光電傳感器，可以有效檢測出環(huán)境中粉塵的濃度，深受用戶的喜愛。夏普粉塵光學(xué)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(wěn)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(jīng)過內(nèi)部的放大電路，放大轉(zhuǎn)換之后的電流，使得芯片接收到準(zhǔn)確的電信號，具有很高效率的收集光電數(shù)字信息和轉(zhuǎn)換的功能（圖5）。先由紅外發(fā)光二極管向空氣中的粉塵發(fā)射一束光線，這束光線經(jīng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)

GP2Y1010AU0F 利用光電效應(yīng)，也就是由紅外發(fā)光二極管發(fā)射接著由物體反射回來的光線緊接著由光電晶體管轉(zhuǎn)換成電信號，其中轉(zhuǎn)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(shè)備之間可以相互傳輸數(shù)據(jù)。HC-05 藍牙設(shè)備包含了板載LED 狀態(tài)燈、板載蛇形天線、高密度晶振、進口CRS 芯片（持續(xù)達到低功率性能）、使用郵票孔封裝方式（方便嵌入應(yīng)用系統(tǒng)）。自動連接工作的方式為：連接成功后，模塊依循原先設(shè)定的方式自主傳輸數(shù)據(jù)。命令響應(yīng)工作的方式為：模塊能偶實現(xiàn)所有的AT 指令，用來將模塊原本的參數(shù)重新設(shè)定，執(zhí)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(shè)計

LCD1602 液晶顯示器中的液晶由M×N 個點陣構(gòu)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(jié)，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(jié)一一對應(yīng)，1024 個字節(jié)一一對應(yīng)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(yīng)于RAM 的000H到00FH 這16 個字節(jié)。一下以此類推，每個字節(jié)的內(nèi)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(shù)據(jù)，控制器將顯示光標(biāo)再次歸置到的相應(yīng)位置。

指令2：指令二二的作用是控制器將顯示光標(biāo)再次歸置重置到的相應(yīng)位置。

指令3：指令三用于設(shè)置輸入的方式，用來控制光標(biāo)的移動方向，當(dāng)引腳得到高電壓信號狀態(tài)的時候，控制器控制光標(biāo)向右移動，當(dāng)引腳得到低電壓信號的時候，控制器控制光標(biāo)向左移動。

指令4：指令四用于控制顯示開關(guān)，D：可以用來設(shè)置整個屏幕的顯示與否，當(dāng)引腳得到高電壓信號的時候，屏幕處于開啟的狀態(tài)，當(dāng)引腳得到低電壓信號的時候，屏幕處于關(guān)閉的狀態(tài)。 C：可以用來設(shè)置整個光標(biāo)的顯示與否，當(dāng)引腳得到高電壓信號的時候，光標(biāo)處

于開啟的狀態(tài)，當(dāng)引腳得到低電壓信號的時候，光標(biāo)處于關(guān)閉的狀態(tài)。 B：可以用來設(shè)置整個光標(biāo)的閃爍與否，原理與上面兩個狀態(tài)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(biāo)的移動。

指令6：指令六用于設(shè)置顯示的功能，當(dāng)引腳DL得到高電壓信號的時候，啟用4 位總線，當(dāng)引腳DL得到低電壓信號的時候，啟用8 位總線。當(dāng)引腳N 得到高電壓信號的時候，啟用單行顯示，當(dāng)引腳N 得到低電壓信號的時候，啟用雙行顯示。當(dāng)引腳F 得到高電壓信號的時候，啟用5x7 的點陣字符，當(dāng)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(biāo)所處位置，當(dāng)引腳BF 得到高電壓信號狀態(tài)的時候，顯示芯片無法接收任何指令，當(dāng)引腳DL 得到高電壓信號狀態(tài)的時候，重新開始接收新的指令。

指令10：寫數(shù)據(jù)。

指令11：讀數(shù)據(jù)。

LCD1602 原理圖設(shè)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(nèi)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(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。

2 程序設(shè)計及軟件應(yīng)用

2.1 主函數(shù)流程圖

主函數(shù)流程如圖8 所示。

圖8 主函數(shù)流程圖

2.2 主要子函數(shù)的設(shè)計

子程序主要是LCD 初始化程序，顯示功能，A / D轉(zhuǎn)換功能，中間值過濾器等。下面主要介紹A / D 轉(zhuǎn)換功能。ADC0832 單片機的控制原理：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(shù)模轉(zhuǎn)換，芯片就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)。

具體實現(xiàn)是通過晶體管集成電路替代電阻實現(xiàn)的。低通濾波電路是進行數(shù)模轉(zhuǎn)換的主要手段，使用低通濾波電路，將輸入進來的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成單片機能夠識別的編碼‘0’‘1’，再將數(shù)字編碼轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)生的結(jié)果。

2.3 Proteus 仿真分析

Proteus Design Suite 是一款簡單實用的電路設(shè)計和單片機系統(tǒng)仿真軟件。它包括專業(yè)系統(tǒng)提供的所有功能，包括基于網(wǎng)表的PCB 設(shè)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(shè)計，創(chuàng)建原理圖。這是虛擬硬件進行仿真和邏輯分析PCB 布局設(shè)計。第二個功能就是硬件設(shè)計，編寫程序以控制電路。然后模擬，測試和調(diào)試整個Proteus 中的嵌入式系統(tǒng)。第三種功能是PCB設(shè)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(yè)的，約束驅(qū)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(dǎo)出到MCAD 工具，創(chuàng)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(shè)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(xiàn)如今可以進行實時仿真、編譯的電路設(shè)計和單片機系統(tǒng)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(shè)計產(chǎn)品時能夠獲得更高的舒適感，提高了對產(chǎn)品仿真測試的效率。

3 結(jié)語

使用GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器接收到公路空氣中粉塵濃度的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為電信號接而得到公路機電設(shè)備環(huán)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(shù)字信號轉(zhuǎn)化為電信號接而得到公路機電設(shè)備環(huán)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(chǔ)。并通過藍牙傳輸?shù)绞謾CAPP 顯示空氣質(zhì)量實時監(jiān)測查看，該系統(tǒng)電路簡單明了、工作性能穩(wěn)定、電路集成度高，調(diào)試方便簡單，測試精準(zhǔn)。在公路機電設(shè)備環(huán)境使用該系統(tǒng)測量了溫濕度和粉塵濃度的數(shù)據(jù)，能夠及時得到信息，藍牙也能夠迅速反饋到手機APP。本系統(tǒng)在公路機電設(shè)備環(huán)境中運行良好，能夠為公路機電設(shè)備環(huán)境實現(xiàn)參數(shù)檢測功能。