隧道及周邊事故狀態(tài)下的安全提示裝置設(shè)計(jì)

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、?；沸孤┦鹿实葹?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(huì)加劇事故的危害性，這對(duì)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(shí)對(duì)后方車(chē)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(duì)隧道發(fā)生火災(zāi)、塌方、泥石流和交通事故時(shí)所提出的安全警示方案。當(dāng)光纖光柵溫度傳感器檢測(cè)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(guò)以無(wú)線(xiàn)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(shí)候，安置在隧道上的超聲波傳感器會(huì)及時(shí)檢測(cè)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(hào)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(shí)候，超聲波傳感器檢測(cè)到相關(guān)信息并且SL3-1型翻斗式雨量計(jì)水器所測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)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(guò)處理后發(fā)出信號(hào)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(shí)，工作人員通過(guò)隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控到交通事故發(fā)生，通過(guò)按鍵將信息傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)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(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，設(shè)計(jì)通過(guò)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(lèi)型，然后單片機(jī)對(duì)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(hào)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(duì)后來(lái)車(chē)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(wú)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(shí)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(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及EEPROM，增加了定時(shí)器、串行口等基本功能部件；集成了AD、PCA、比較器、專(zhuān)用PWM模塊、SPI等多功能接口部件，可大大地簡(jiǎn)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(jì)更加簡(jiǎn)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(jì)中所采用的光纖光柵溫度傳感器的測(cè)溫原理是通過(guò)檢測(cè)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(jiǎn)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(cè)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(lái)達(dá)到檢測(cè)障礙物的目的，其電路圖如圖4所示。環(huán)形線(xiàn)圈雖也能檢測(cè)道路上是否存在障礙物但是安裝與維修起來(lái)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(cè)。

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(jì)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(jì)數(shù)翻斗、匯集漏斗、計(jì)量翻斗、彈簧管、感應(yīng)器、上翻斗、防堵網(wǎng)、底盤(pán)、筒身等。與其他類(lèi)型雨量傳感器如稱(chēng)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(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)閾值后，單片機(jī)發(fā)出相關(guān)信號(hào)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(chē)輛側(cè)翻等，工作人員通過(guò)按鍵開(kāi)關(guān)來(lái)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(kāi)關(guān)通過(guò)不同擋位斷開(kāi)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(jì)中，采用的是AGM1232G來(lái)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(xiàn)如圖6所示。通過(guò)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(shí)候，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理之后，發(fā)出相對(duì)應(yīng)的信號(hào)控制指令，在電路設(shè)計(jì)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(xiàn)方式如圖7所示。

圖7 LED顯示模塊圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過(guò)運(yùn)用Keil軟件進(jìn)行程序的編寫(xiě)與軟件的調(diào)試。首先是開(kāi)啟電源，對(duì)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(cè)各事故類(lèi)型的傳感器在采集到相關(guān)的數(shù)據(jù)后，單片機(jī)對(duì)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(hào)指令控制安全提示裝置顯示相對(duì)應(yīng)的警示內(nèi)容。

圖8 系統(tǒng)流程圖

4 軟件測(cè)試

本設(shè)計(jì)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(jì)效果。與事故類(lèi)型相關(guān)的傳感器檢測(cè)到事故類(lèi)型發(fā)生的信息時(shí)，單片機(jī)處理相關(guān)信息后發(fā)出信號(hào)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(jì)水器沒(méi)有設(shè)計(jì)，所以采用滑動(dòng)變阻器代替，其阻值增減代表數(shù)量大??；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(cè)試結(jié)果

當(dāng)安置在隧道上的光纖光柵溫度傳感器檢測(cè)到火災(zāi)的有關(guān)信息時(shí)，由單片機(jī)檢測(cè)到傳感器傳出的數(shù)據(jù)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)處理之后發(fā)出的信號(hào)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(chē)”的字樣，且在安全提示顯示裝置在進(jìn)行警示的一定時(shí)間過(guò)后，LED燈會(huì)變成綠色不停閃爍和黃色不停閃爍，LCD顯示屏顯示“請(qǐng)由相鄰車(chē)道調(diào)頭”的字樣，當(dāng)事故解決時(shí)隧道恢復(fù)正常?；馂?zāi)事故狀態(tài)下的仿真測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

4.2 塌方測(cè)試結(jié)果

當(dāng)安置在隧道上的超聲波傳感器檢測(cè)到其中一條車(chē)道有異物存在時(shí)，單片機(jī)在檢測(cè)到由傳感器傳出的數(shù)據(jù)之后，通過(guò)一系列的處理發(fā)出的信號(hào)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(duì)后方車(chē)輛進(jìn)行提示的目的；當(dāng)兩條車(chē)道都有異物存在時(shí)， 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(chē)”的字樣，且在安全提示顯示裝置在進(jìn)行警示的一定時(shí)間過(guò)后，LED燈會(huì)變成綠色不停閃爍和黃色不停閃爍，LCD顯示屏顯示“請(qǐng)由相鄰車(chē)道調(diào)頭”的字樣，當(dāng)事故解決時(shí)隧道恢復(fù)正常。塌方事故狀態(tài)下的具體仿真測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖11 塌方測(cè)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(jì)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(jì)裝置可用于隧道交通系統(tǒng)中。在事故發(fā)生時(shí)可以及時(shí)警示后方車(chē)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(cái)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(cè)到有交通事故的發(fā)生并且只占據(jù)一條車(chē)道時(shí)的相關(guān)信息，通過(guò)人工輸入將數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)處理之后發(fā)出的信號(hào)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(cè)到有交通事故的發(fā)生并且占據(jù)了兩條車(chē)道時(shí)，此時(shí)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(chē)”的字樣，當(dāng)事故解決時(shí)隧道恢復(fù)正常。交通事故仿真測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

圖12 交通事故測(cè)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(jì)檢測(cè)到有關(guān)泥石流事故狀態(tài)的信息時(shí)，由單片機(jī)檢測(cè)到傳感器傳出的數(shù)據(jù)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)處理之后發(fā)出的信號(hào)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(chē)”的字樣；且在進(jìn)行一定的警示時(shí)間后，LED燈會(huì)變成綠色不停閃爍和黃色不停閃爍，此時(shí)的LCD顯示屏?xí)@示“請(qǐng)由相鄰車(chē)道調(diào)頭”的字樣，當(dāng)事故解決時(shí)隧道恢復(fù)正常。泥石流事故狀態(tài)下的仿真測(cè)試結(jié)果圖如圖13所示。

圖13 泥石流測(cè)試結(jié)果圖

5 結(jié)語(yǔ)