基于DP801单片机技术的智能限高和涵洞积水预警系统的研究

刘正扬

摘要：近年来，因汽车撞上限高杆或进入积水过深的涵洞而发生的交通事故时有发生，给人们的生命财产安全造成了严重的危害。本系统针对此情况，利用多种传感技术以及市场上较为常见的DP801单片机，实现统计车流量、提前警示超高车辆司机以及对涵洞水位进行实时监测的功能，可以有效降低事故发生概率并减少人们的生命财产损失，且成本较低，易于推广。

Abstract： In recent years， traffic accidents caused by cars hitting the upper limit or entering the water deep culvert have occurred from time to time， causing serious harm to people's lives and property. In response to this situation， the system utilizes a variety of sensing technologies and the more common DP801 single chip microcomputer on the market to realize statistical traffic flow， early warning of ultra-high vehicle drivers and real-time monitoring of culvert water level， which can effectively reduce the probability of accidents and reduce people's lives and property lost， and the cost is low， and it is easy to promote.

关键词：智能限高系统;涵洞积水预警;DP801单片机

Key words： intelligent height limit system;culvert water accumulation warning;DP801 single chip microcomputer

中图分类号：U463.6                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）20-0230-03

0  引言

2017年，临沂市汽车保有量达到215万辆，位居全国的第二十三位，市民出行机动化率的提高及交通运输业的发达也放大了交通系统中存在的安全隐患。临沂市的公路系统中存在着许多涵洞。当前，在涵洞前安装的绝大多数限高杆都是由金属制成的刚性限高杆，司机如果对车高的判断发生失误或由于疏忽未及时注意到限高杆，就极易发生严重交通事故。2014年，70多岁的白沙埠镇老人就因撞上了限高杆导致颅脑重伤，后因医治无效身亡。且大多数涵洞地势低洼，雨天时易积水，司机在不知情的情况下驶入涵洞，很容易使车辆发生抛锚，堵塞交通，2014年广东省就发生过载有7人的汽车在暴雨天驶入涵洞，车辆被积水淹没，车上7人全部溺亡的悲剧。近年来此类事故的数目仍在上升，造成了较大的人身安全、财产损失，但迟迟未出现成熟的技术来解决这些问题。本系统正是为解决涵洞的积水问题及传统限高杆存在的缺陷而设计，拟设计一款能够实现在车辆接近限高标志后，能够提醒管理和救援人员采取相关措施和對于涵洞积水情况提前预警避免财产损失的新型道路预警装置。

1  研究现状概述

曾有相关人士研发一种柔性材料与弹簧相结合制成的新型限高杆并申请专利，但是制造成本较高且容易损坏，暂时未能推广使用，只停留在专利阶段。针对涵洞积水问题，一些大城市如武汉采用室外大屏实时显示的方式来监测涵洞内积水深度，但因其造价相对较高，难以在三线中小城市中广泛使用。查阅文献可知，目前我国公路系统中智能限高和涵洞积水预警系统普及率较低，目前学术研究中有一些关于智能限高杆和涵洞积水预警的实用新型专利申请，但是因为成本、可实施性等综合原因，普及率较低。

2  智能限高和涵洞积水预警系统的设计

根据查阅资料和文献，并与指导教师交流，设计这款基于DP801单片机技术的智能限高和涵洞积水预警系统。该系统由智能限高系统和涵洞积水预警系统两部分组成，结构图如图1所示。

2.1 智能限高系统

智能限高系统主要由单片机、两个光电传感器、警示用扬声器和红色LED灯等部件组成。限高杆机械组成部分由白色亚克力板拼装组成，并且将两个光电传感器分别嵌入限高杆内部，两个光电传感器分别位于限高杆顶部的正中间和左侧的限高杆立柱下方。传感器统一由电源拓展模块供电且输出端分别接到单片机中。同时将红色LED预警等内嵌到右侧限高杆立柱内部上方，预警扬声器连接到单片机中。高处光电传感器负责检测车辆是否超高，低处传感器则负责统计过往车流量。如车辆超高则红色LED灯亮起且扬声器发出报警音，警示即将通过限高杆的司机停车。

2.2 涵洞积水预警系统

涵洞积水预警系统主要由单片机、湿度传感器、红色LED灯、杜邦线等部件组成。用白色亚克力板拼接成桥梁及涵洞结构。在桥梁内测用醒目标志物标注出水位高度警戒值线并在警戒线水平高度安装湿度传感器，湿度传感器有电源拓展版供电，传感器输出端接单片机输入端。将红色LED灯安装在桥墩上并将其连接到单片机输出端作为涵洞积水警示灯。

2.3 技术原理

智能限高和涵洞积水预警系统以DP801单片机作为智能控制中心，利用单片机“断转”、“通转”指令，使计数光电模块由断开状态到接通状态再到断开状态为一个计数周期，每通过一辆汽车则单片机数码管上边增加一个数字，进而实现统计公路上的车流量的功能;当限高杆处正对马路的光电模块接通时，则说明检测车辆超高，单片机控制红色LED灯亮、扬声器发音警报;当涵洞水位线高度处湿度传感器接通时，单片机判定水位达到预警线，控制红色LED亮起警示过往车辆。此系统可全天运行，成本较低，受环境影响较小。其技术原理原理图如图2所示。

3  智能限高和涵洞积水预警系统工程模型制作

3.1 思路设计

新型限高杆和积水预警系统难以推广的主要原因在于其耐用程度及成本问题。用现行的技术来制造设备往往造价过于高昂，在中小城市无法大量制造、安装并推广。因此必须寻找到一种简单且能有效地检测到危险情况并通知车主的技术方法。经过一段时间的思考与比较，决定采用传感技术与DP801单片机系统相结合来制作此系统。DP801单片机是唯一可以脱离计算机独立运行的单片机，操作方便，价格低廉，所需组装的线路较为简单，且其功能可以满足该系统的需要，所以选择DP801单片机作为此系统的信息处理中心。

3.2 材料准备

50cm*100cm黑色亚克力板*1、50cm*50cm白色亚克力板*1、40cm*30cm白色亚克力板*12、盘锯*1、手套*1、热熔胶枪*1、DP801型单片机*1、红外传感器*2、湿度传感器*1、台式电钻*1、30cm钢尺*1、15cm*15cm三角板*1、刻刀*1、5号干电池*4、扬声器*1、小木棒*1、手工剪刀*1、数码管1组、仿真草皮3块、黑色砂纸3张、双面胶1卷、小型树木模型、方形木棍若干、白色壁纸若干、杜邦线若干、亚克力胶若干、绘图用2B铅笔、橡皮等。

3.3 道路底板的制作

取一块50cm*100cm黑色亚克力板，将道路宽设定为50cm，两侧各留出10cm作为绿化带空间，中间30cm作为车行道，并用铅笔标注好各部分的位置。

3.4 限高杆的制作

取6块40cm*30cm白色亚克力板，切割出6块18cm*3cm的条状亚克力板，并将其中两条各削去1个3cm*3cm的等腰直角三角形板，再在这两块板中选取一个挖掉一个小洞作为红外传感器的嵌入位置。再切割出2块15cm*3cm的条状亚克力板，用这8块亚克力板拼接成限高杆的两个立柱，并用亚克力胶黏合，注意使有小洞的一块板面向道路。完成后再取2块40cm*30cm白色亚克力板切割出1块30cm*3cm和3块36cm*3cm亚克力板，并將36cm*3cm白色亚克力板中的两块各切去1个3cm*3cm等腰直角三角形板，在这两块板中再取一块板，在中央挖出一个小洞作为光电传感器的嵌入位置，然后将这些板用亚克力胶黏合成限高杆的横梁。之后再将光电传感器安装到横梁与立柱上，连接上杜邦线，最后讲横梁与立柱黏合到一起，注意使横梁上的红外传感器面向车流方向。

3.5 涵洞的制作

先将桥墩所用4块亚克力板用亚克力胶两两黏合在一起成为两个支柱，再将护栏与桥面黏合在一起，最后将桥面与桥墩用亚克力胶黏合在一起，静置片刻使胶水风干，再在各接缝处再上一次胶，确保黏接牢固。完成后，再取一根小木棒，用盘锯将其两端削尖，并用红笔做上标记，作为水位警戒线的标志，用亚克力胶将其沿平行于地面的方向黏接到桥墩内侧一定高度处。在警戒线上方再安装一个湿度传感器以检测涵洞内水位的变化情况，静置片刻待胶水风干后，将整座桥用胶水固定到道路底板上合适位置处。

3.6 电路制作

将一块电源扩展板连接到单片机上，电池通过电源扩展板与单片机间接相连，红色LED灯与扬声器以及红外传感器、湿度传感器都接入到电源扩展板上，单片机与电源都贴在桥墩的外侧，所有导线都沿道路边缘分布，桥梁处导线用透明胶带贴在桥上，限高杆处的电路直接布置在限高杆中，以节省空间，同时使模型更加美观，所有导线最终与电源或与拓展板相连接，电路安装完后，将导线用塑料绳捆扎起来，将导线团置于电源旁侧。

3.7 程序设计

3.8 装饰与美化

取3块仿真草皮，用剪刀裁出4块10cm*25cm块状草皮，在其背面贴上双面胶并将其贴到道路底板上已规划好的绿化带的位置。再取12个树木模型和若干方形木棍，将木棍切割成若干小木块，用台式电钻在小木块上打孔并用热熔胶枪向孔中注入熔胶，然后将树木模型插入到小木块中，静置片刻使其冷却，然后将制好的盆栽模型用亚克力胶黏到草皮上并不断吹气使其冷却。再取黑色砂纸3张，将其裁成宽为20cm的条状并用双面胶将其贴到桥面上，注意使其充分覆盖桥面，之后再在砂纸的接缝处注入亚克力胶使其固定结实，防止其边缘卷起，再将壁纸裁成宽为1.5cm的细长条状，贴在桥面和道路底板的中央，作为马路的中线，使实物整体效果更加逼真。

4  项目亮点

4.1 一杆多用

本系统对传统限高杆加以改造，将其与传感技术和单片机系统相结合，既通过刚性限高杆限制车辆以保护涵洞的结构，又能对超高车辆司机进行及时的警报以有效减少人员伤亡与财产损失，还通过单片机技术赋予限高杆统计车流量的功能。集多种功能于一身，既提高效率，又节约资源，并且能降低建设、改造成本，易于推广使用。

4.2 以人为本的设计理念

智能限高杆可以用较长的提前量检测到车辆是否超高，如果超高则可迅速触发警报装置，使司机有较长的反映时间停止车辆前进，从而避免人身财产安全损失。涵洞积水预警系统使得车主能够提前获知涵洞内的积水情况并及时改变路线，有利于减少交通事故的发生和车辆因进水熄火而给车主带来安全奉献、车辆损失风险，真正给车主带来便利，提升人们生活的满意度。

4.3 注重实用价值

本系统采用的单片机技术在保证实际使用功能完备的前提上，其制造成本较低，且对于现有交通设计改造性强，可因地制宜根据现有交通设施和建筑进行智能系统加装，改装成本远低于重新建设成本。同时该智能控制系统技术发展成熟，易于大规模生产和安装，即使是在中小城市也可以廣泛推广使用。且使用过程中脱离计算机控制、维护简单，系统整体实用性较强。

5  未来技术升级

5.1 增加适用范围

此系统较适于在单行道中使用。可以在限高杆另一侧靠近地面处加装一个光电传感器并在道路中央隔离栏处加装一个装有传感器的感应桩，再将限高杆横梁上的一个光电传感器改为两个，这样此系统也可以安装在双行道中使用，扩大其适用范围。

5.2 避免传感器错误触发

涵洞中的湿度传感器是裸露的，如果误触到水也会使LED灯亮起。为避免此情况，可以在湿度传感器外加一防护罩，只在下方开口，以避免湿度传感器在平时被误触，影响交通系统的正常运转以及人们生产生活活动的正常进行。

5.3 使用微型芯片代替单片机执行功能

使用微型芯片替换单片机，一方面将控制器微型化，便于将系统更加契合的加装到公路系统中，使整个控制系统更加微观;同时使用微型芯片代替单片机，还可以进一步降低成本，有利于智能限高和涵洞积水预警系统的进一步普及;通过微型芯片的替换，还可以降低维护成本，一旦芯片损坏，则只更换芯片就可以，降低维修成本。

6  总结

本文重点介绍了基于DP801单片机技术的智能限高与涵洞积水预警系统。该系统利用光电传感技术与湿度传感技术进行信息的采集与检测，利用以DP801单片机系统为核心的单片机系统进行信息的处理与决策，并通过由单片机控制的LED灯和扬声器向车主发送声音和视觉信号，以起到提醒与预警的作用。该系统功能多样，造价低廉，理论原理较简单高效，具有较高的实用价值，应用前景较广阔。

参考文献：

[1]殷国安.防止限高杆“杀人”需从两方面求解[N].检察日报，2018-10-31（法辩）.

[2]尉锋.城市涵洞水位检测警示仪设计[J].设计，2015，05：28-29.

[3]李宇浩.涵洞积水警示装置[P].中国：201720217386.0，2019，09，12.

[4]张志强，雷艳斌，李文勇.城市下穿道积水自动监测遥控系统的研究[J].现代交通技术，2013，06：73-76.

[5]张宁.基于STM32F103的涵洞积水自动监测系统设计与实现[D].山东省：聊城大学，2017.

[6]陈春梅，李博涵.基于超声波的道路积水监测与移动终端报警系统[J].信息通信，2015，11：74-75.

[7]陆超，柯永斌.智能限高杆提醒系统设计[J].电子元器件与信息技术，2018，06：88-94.

[8]潘洪其.不能让“夺命涵洞”为下一个悲剧埋祸根[J].安全健康，2014，10：31.