汽车运输环境应力监测系统电路设计

李纪红，陈　影，柳贵东，俞　妍

(军事交通学院 基础部，天津 300161)



● 基础科学与技术Basic Science & Technology

汽车运输环境应力监测系统电路设计

李纪红，陈影，柳贵东，俞妍

(军事交通学院 基础部，天津 300161)

为在特种汽车运输过程中实时检测汽车运输环境参数，设计汽车运输环境应力监测系统电路。应用环境应力监测系统技术，采用AT89C55WD单片机，通过集成湿度、温度、CO2传感器等检测元件，实现对车内温度、湿度、CO2浓度等空气质量参数进行在线监测及报警提示的功能。

AT89C55WD单片机；环境应力；传感器

从20世纪70年代开始，发达国家陆续建立起空气质量监测系统，到目前为止，美国已经建立了一系列全方位的立体空气监测网络，能够实时在线监测常规大气污染物及灰霾和光化学烟雾污染物等。并颁布了一整套关于监测网络设计、方法、标准操作步骤、站点选择和配置、数据处理和通信技术的规范，建立了一套完善的质量保证体系，确保监测数据的准确性和可靠性，其监测技术水平居全球首位。我国的空气质量监测系统起步晚，但发展较快，已经具备了国内自主研发生产的能力，而且其性能、可靠性已基本实现了自动化采样、分析、数据处理及传输，并能自动显示区域环境质量状况。目前大部分国家都采用点式的空气质量监测系统，美国有4 000个监测点，日本有2 000多个，我国也在大量使用，该方法已成为自动监测技术的主导方向，部分监测点采用了开放式的差分吸收光谱技术[1]。

针对特种汽车运输物料的理化特性以及运输、装卸过程中的特殊要求，在运输过程中，应用环境应力监测系统技术，实现环境成分的识别，对包括温度、湿度、CO2等在内的有关物料状态参数进行实时监测，并将实时状态数据传输至应急指挥控制平台，实现对特种运输物料的监控和管理。

1　系统硬件设计

硬件部分主要包括单片机、传感器、键盘、液晶显示屏(LCD)、蜂鸣报警器。工作原理是通过传感器将采集到的信号送入单片机，通过液晶显示，当浓度超标时，报警启动。

控制电路的核心器件选取美国Atmel公司生产的AT89C55WD单片机，属于MCS-51系列。是一种CMOS 8位微控制器，与MCS-51系列的同类产品(如80C52等)在指令系统及引脚上完全兼容。提供20k在系统可编程Flash程序存储ROM空间，可重复擦写次数达到1 000次。自带硬件看门狗定时器。采用的工艺是Atmel公司的高密度非易失存储器技术；片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器；在单芯片上，拥有灵巧的16位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C55WD单片机为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案；价格低廉、性能可靠、抗干扰能力强，广泛应用于控制系统中。系统硬件设计结构框图如图1所示。

图1　系统硬件设计结构

1.1温度传感器电路设计

由于汽车所处电磁环境恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差从而影响测量精度[2]，因此采用可编程分辨率的单总线数字式温度传感器DS18B20。DS18B20可直接将其测得的温度值传入单片机，再通过LCD进行显示。DS18B20是以9～12位数字量的形式反映所测得的温度值，通过一个单线接口发送或接收信息，因为每个DS18B20都有一个独特的64位序列号，所以多只DS18B20可以同时连在一根单线总线上，可以把温度传感器放在许多不同的地方，从而同时采集多处温度。

本设计中采用DS18B20外部电源供电方式。DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时单总线上不需要加强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。需注意的是当加上外部电源时，GND引脚不能悬空，否则不能转换温度[3]。

单片机的P12口与DS18B20的DQ引脚相连，作为单一数据线，DQ与VCC间有一个4.7 kΩ的上拉电阻。DS18B20外部电源供电电路和温度检测电路如图2所示。

图2　DS18B20外部电源供电电路和温度检测电路

1.2湿度传感器电路设计

HS1101湿敏电容具有在标准环境下不需校正、快速脱湿、可自动化焊接、可靠性高并能长时间稳定、反应时间短等优点。基于以上特点，在本设计中选取HS1101湿敏电容作为湿度信号的采集传感器。 HS1101湿敏电容是将环境的湿度值转化为该湿敏电容的电容值，电容值随湿度值的增大而增大。在本设计中将湿敏电容置于555振荡电路中，把电容值的变化转化为与之成反比的电压频率信号的变化，并可以直接被单片机采集。

集成定时器555芯片外接电阻R2、R3与湿敏电容C1，构成了对C1的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C1的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，生成矩形脉冲。另外，R1防止输出短路的保护电阻，R4用于平衡温度系数。湿度测量电路原理如图3所示。

图3　湿度测量电路

1.3CO2传感器电路设计

选取S-100型CO2数字传感器作为CO2浓度信号的采集传感器。S-100型CO2传感器模块是世界上最小、最轻的NDIR技术CO2传感器，它可广泛安装到许多装置上来控制空气质量。模块预留有易插拔插座，方便与其他设备连接使用；并且，S-100输出接口多样化，易于传输读取，适合多种场合安装和拆卸。

红外CO2传感器原理是根据CO2对特定波段红外辐射的吸收作用，使透过测量室的辐射能量减弱，减弱的程度取决于被测CO2气体中的CO2含量。但是对于多种混合气体，为了分析特定组分，应该在传感器或红外光源前安装一个适合分析气体吸收波长的窄带滤光片，使传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化[4]。

S-100型CO2传感器的输出信号为模拟信号，需经过A/D转换模块后与AT89C55WD主控芯片连接。连接电路如图4所示。

图4　二氧化碳检测电路

1.4LCD及按键报警电路

本设计采用两个独立按键完成温、湿度显示切换功能和停止蜂鸣报警功能。通过单片机的一根口线经驱动器驱动蜂鸣器发声(如图5所示)。

图5　按键电路

压电式蜂鸣器约需10 mA的驱动电流，用一个晶体三极管驱动。在图中，P3.2接晶体管基极输入端。当输入“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声；当输入“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得高电平而鸣叫。按键1表示显示切换，按键2表示停止蜂鸣报警。

液晶显示模块采用ST7920，与单片机采用串行接口形式。当PSB=GND时，内置中文字库液晶显示模块为串行接口，接口由SCLK、SID和CS组成。液晶显示电路原理图如图6所示。

2　系统软件设计

软件设计采用C51语言编程，该设计采用模块化设计，主要模块包括气体浓度检测单元、显示单元和报警单元，主程序框图如图7所示。

图6　液晶显示原理

图7　主程序流程

数据采集主要是将传感器采集的模拟量经A/D转换后存储到单片机的某些单元或者直接采集数字量存储到单片机上。

3　调试与分析

电路实物图如图8所示，图中共6个指示灯，其中，3个报警指示灯，3个正常指示灯。5个按键，从左到右依次为温度、湿度、CO2、甲醛、CO。将程序通过ISP接口下载到电路板中，系统上电，初始化界面。以温度测量为例：当按下第1个按键后，测试当前环境的温度，温度值会通过液晶屏显示，同时指示灯会发光。如果温度高于设定值，则温度报警指示灯亮，同时蜂鸣器报警。

图8　电路实物

4　结　语

本文通过对单片机技术、传感器技术、电子技术和自动化等知识的综合运用，实现了对环境应力的温度、湿度、CO2的检测功能，可以便捷测量空气质量的浓度，通过液晶和报警显示结果，能够满足运输过程中对物料状态参数进行实时监测的要求。

[1]吴光辉.空气连续监测系统现状及发展方向[J].科学时代,2014(14):1-2.

[2]张景文，李金平,高为浪,等.基于nRF401的温度数据采集系统[J].西华大学学报(自然科学版),2010(4)：10-11.

[3]Atmel公司.AT89C55WD数据手册[M].北京:Atmel公司：5-8.

[4]赵志毅.红外CO2检测设备及其信号采集方法改进[J].录井工程,2010(1)：61- 62.

(编辑：张峰)

Circuit Design for Motor Transport Environment Stress Monitoring System

LI Jihong， CHEN Ying,LIU Guidong,YU Yan

(General Courses Department,Military Transportation University,Tianjin 300161,China)

To monitor motor transport environment parameter in special vehicle transportation,the paper designs the circuit of motor transport environment stress monitoring system.This design employs environment stress monitoring system technology and AT89C55WD microcontroller,and by integrating with detecting elements like humidity,temperature and carbon dioxide sensors,it can online monitor the air quality parameter such as in-car temperature,humidity and carbon dioxide concentration and give an alarm.

AT89C55WD microcontroller; environment stress monitoring; sensor

2014-12-23；

2015-02-03.

国家科技支撑计划项目(2012BGA06B02).

李纪红(1983—)，女，硕士，助教.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.01.021

U491.1;TP277

A

1674-2192(2016)01- 0087- 04