公路机电设备环境参数检测研究

丁大伟，孔祥伟，李胜利，戎振国

（1.北京昊华能源股份有限公司，北京 102300；2.北京手挽手劳务派遣有限责任公司大兴分公司，北京 102611；3.北京中江伟业消防工程有限公司，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

公路安全运营问题必须得到重视，实现公路机电设备环境的实时监测与控制，让公路的交通运营更加通畅安稳，是公路安全的重要保障。由于空间上的限制从而使得公路的环境相对复杂，难以得到检测和控制，公路中行驶车辆排放出未完全燃烧产生的有害气体和随着汽车行驶产生风力卷起地面的尘土增加了公路粉尘浓度，导致公路附近空气浑浊质量较差；公路外温差的作用下使得公路中的温差也难以控制，积水的出现在公路中非常频繁；设备的日常维护和维修工作量的巨大，工人们在繁忙的交通状况和封闭式的公路环境中难以有效的去维护机电设备的运转，公路的机电设备在如此情况下便得不到及时的维护，使得交通事故不断发生。由于上述的这些情况，我们需要对公路机电环境中的粉尘浓度、温湿度等一些环境参数进行实时的检测，从而避免交通事故的发生[1]。

1 硬件设计方案

机电设备环境检测系统共分为4 个组成部分，分别为：用来检测空气中温湿度的部分、用来检测空气中粉尘浓度的部分、将数据传输到终端的蓝牙部分、用来显示数据的LCD 显示部分。硬件设计方案设计图如图1 所示。

图1 系统总体设计原理图

1.1 温湿度检测模块

由于公路环境封闭线路密闭，线路短路会产生火花燃烧电路产生火灾，造成事故发生。为保障系统的安全，系统设置了机电设备温度检测模块，实时检测机电设备周围的温度情况，及时反馈给终端系统，实时知晓机电设备环境的实时数据，接收到信息后得以及时反馈，使得机电设备得以正常工作，保证机电设备环境的干燥整洁，保证驾驶员的驾驶舒适性，从而使得交通事故的发生频率的降低，降低人员生命危险及财产的损失[2]。

本系统选用DHT11 温湿度检测模块。DHT11 囊括了温度传感器和湿度传感器，可以将温度和湿度的模拟信号转换为数字模拟量的高效传感器。DHT11含有一个电阻式湿度传感器，其中的氯化锂感湿基片在湿度变化的同时，也会改变自身的属性，从而精准的检测出环境的湿度状态，其稳定性高，精准度高，耐温性强。除此之外DHT11 还包含了MCU8 位宽的数据总线[3]。DHT11 温湿度传感器实物构建图如图2 所示。数据总线DATA 的接线如图3 所示。

图2 DHT11 传感器实物图

图3 中，8 位微控制器会向DHT11 芯片发送启动芯片的使能信号，如果DHT11 引脚在一定时间内没能够获取到使能信号，则DHT11 就会处在低功耗的工作状态；当DHT11 接收到来自8 位微控制器的开始工作使能信号后，就会立即从低功耗的工作状态中脱离出来，进入到高速运转的工作模式，同时DHT11 会向用户MCU 发送反馈信号。终端控制器会把总线DATA 的外设I/O 口转换成向外发送信息的状态，随时可以向DHT11 芯片传输信息。

图3 DHT11 数据总线接线图

终端控制器会把总线DATA 的传送速度降低到至少16 ms，这个作为开始工作的信号的出发点。接着把总线DATA 传送速率提升到20 ms ～ 40 ms，这个作为开始工作信号的终点。DHT11 得到电压后，进行下一步的工作。DHT11 得到电压之后会存在一秒钟的不稳定状态，一秒钟之后才能向外部发送相关指令。

之后的工作便是DHT11 先将总线DATA 的传送速率降低到80 ms 当作对终端控制器的回复和应答，后面便可以将总线DATA 传送速率提升到八十毫秒，作为回复应答获取到的空气中温湿度的数字信息的准备工作。

在DHT11 将整个总线DATA 电压拉高，一种情况是高电平持续时间为26 μs ～ 28 μs，二进制编码为‘0’，另一种情况是高电平持续时间为70 μs，二进制编码为‘1’。当一帧数据发送结束后，DHT11 停止对温度，湿度数字信号的收集，并且重新切回到低功耗的工作状态。总的来说，如果DHT11 没有接收到启动信号，DHT11 就会处在低功耗的工作状态，不会主动去收集温度，湿度数字信号。这就体现了DHT11 的优点和优势所在：稳定性高，精准度高，耐温性强，使用年份长久灵敏度高，性价比高，响应速度快、非常实用[4]。

DHT11 的传输格式如图4：

图4 DHT11 数据传输格式

1.2 粉尘检测模块

由于公路环境封闭，系统设置了机电设备粉尘浓度检测模块，实时检测机电设备周围的粉尘的浓度，及时反馈给终端系统，实时知晓机电设备环境的实时数据，粉尘浓度间接反映了公路通风系统的性能和工作情况，接收到信息后得以及时反馈，使得机电设备不被积攒太多灰尘，保证机电设备环境的干燥整洁，让机电设备正常工作，保证公路环境的洁净，保证驾驶员的驾驶舒适性，从而使得交通事故的发生频率的降低，降低人员生命危险及财产的损失[5]。

夏普粉尘光学传感器（GP2Y1010AU0F）是一个稳定性高，精准度高，空间体积小，拿放轻便，使用年份长久灵敏度高，性价比高，响应速度快的一个非常实用的光电传感器，可以有效检测出环境中粉尘的浓度，深受用户的喜爱。夏普粉尘光学传感器（GP2Y1010AU0F）最大工作电流仅仅只为20 mA，是一个低功耗的传感器，减少了能源的消耗，但是它的负载电压最大却可以达到7 VDC，是一个非常稳定又实用的传感器。

该传感器包含了一个光电晶体管，可以检测物体反射的光线，经过内部的放大电路，放大转换之后的电流，使得芯片接收到准确的电信号，具有很高效率的收集光电数字信息和转换的功能（图5）。先由红外发光二极管向空气中的粉尘发射一束光线，这束光线经过空气中粉尘和颗粒的反射，反射回光电晶体管，光电晶体管来接收反射回来的光线的多少，便可以判断空气中的粉尘和微小颗粒的浓度。

图5 GP2Y1010AU0F 内部结构

GP2Y1010AU0F 利用光电效应，也就是由红外发光二极管发射接着由物体反射回来的光线紧接着由光电晶体管转换成电信号，其中转换的电压随着空气中的粉尘浓度增加而增大。

1.3 蓝牙接收模块

HC-05 是主从一体的嵌入式串口通信模块，两个设备之间可以相互传输数据。HC-05 蓝牙设备包含了板载LED 状态灯、板载蛇形天线、高密度晶振、进口CRS 芯片（持续达到低功率性能）、使用邮票孔封装方式（方便嵌入应用系统）。自动连接工作的方式为：连接成功后，模块依循原先设定的方式自主传输数据。命令响应工作的方式为：模块能偶实现所有的AT 指令，用来将模块原本的参数重新设定，执行各种AT 指令[6]。

蓝牙模块的电路原理图如图6 所示：

图6 HC-05 电路原理图

1.4 LCD 显示模块设计

LCD1602 液晶显示器中的液晶由M×N 个点阵构成，分为64 行和128 列，每行有128 列划分8 位一共包含有16 个字节，那么LCD1602 液晶显示器就一共拥有64*16 个点，这正好与显示RAM 的1024 个字节一一对应，1024 个字节一一对应于LCD1602 液晶显示器上的点的位置，控制每个位置的显示光暗。LCD1602 液晶显示器的第一行对应于RAM 的000H到00FH 这16 个字节。一下以此类推，每个字节的内容控制每个点的位置的亮暗[7]。

指令1：控制器输入01H 指令码，清空原屏幕所显示的数据，控制器将显示光标再次归置到的相应位置。

指令2：指令二二的作用是控制器将显示光标再次归置重置到的相应位置。

指令3：指令三用于设置输入的方式，用来控制光标的移动方向，当引脚得到高电压信号状态的时候，控制器控制光标向右移动，当引脚得到低电压信号的时候，控制器控制光标向左移动。

指令4：指令四用于控制显示开关，D：可以用来设置整个屏幕的显示与否，当引脚得到高电压信号的时候，屏幕处于开启的状态，当引脚得到低电压信号的时候，屏幕处于关闭的状态。 C：可以用来设置整个光标的显示与否，当引脚得到高电压信号的时候，光标处

于开启的状态，当引脚得到低电压信号的时候，光标处于关闭的状态。 B：可以用来设置整个光标的闪烁与否，原理与上面两个状态相同。

指令5：指令五用于控制屏幕中文字的移动或者是光标的移动。

指令6：指令六用于设置显示的功能，当引脚DL得到高电压信号的时候，启用4 位总线，当引脚DL得到低电压信号的时候，启用8 位总线。当引脚N 得到高电压信号的时候，启用单行显示，当引脚N 得到低电压信号的时候，启用双行显示。当引脚F 得到高电压信号的时候，启用5x7 的点阵字符，当引脚F 得到低电压信号的时候，启用5x10 的点阵字符。

指令7：指令七用于控制选择的所处位置。

指令8：指令八用于控制的所处位置。

指令9：指令九用于控制选择读忙信号和光标所处位置，当引脚BF 得到高电压信号状态的时候，显示芯片无法接收任何指令，当引脚DL 得到高电压信号状态的时候，重新开始接收新的指令。

指令10：写数据。

指令11：读数据。

LCD1602 原理图设计如下图7：

图7 LCD1602 原理图

CS_片选使能

使能端接高电平时，芯片内部没有时钟，从而处于低功耗的模式。要使芯片处于使能状态，引脚就必须保持低电平的状态。

CH0 模拟输入通道0，也可以当作IN+/-使用的信号引脚。

CH1 模拟输入通道1，也可以当作IN+/-使用的信号引脚。

GND 芯片对地的参考0 电位的信号引脚。

DI 芯片用来控制通道选择的信号接收引脚。

DO 芯片用来转换数据输出的信号接收引脚。

CLK 芯片时钟输入的信号接收引脚。

2 程序设计及软件应用

2.1 主函数流程图

主函数流程如图8 所示。

图8 主函数流程图

2.2 主要子函数的设计

子程序主要是LCD 初始化程序，显示功能，A / D转换功能，中间值过滤器等。下面主要介绍A / D 转换功能。ADC0832 单片机的控制原理：当ADC0832 的CS 片选使能处于高电平状态时，ADC0832 芯片处于被关闭的状态中，如果想要启动ADC0832 芯片，就是能端不使能的话，芯片内部没有时钟芯片就不工作从而处于低功耗的模式。要使芯片处于使能状态，CS 引脚就必须保持低电平的状态。在芯片开始工作的同时，芯片时钟输入的信号接收引脚CLK 会接收到来自CPU 的脉冲信号，引脚DI 也会接收到第一个时钟脉冲的高电平作为时钟的开始，来进行芯片对于选用哪个通道进行控制的过程，紧接着会向DI 端输入选择通道的信号。如果DI 接收到的为1 和0，芯片就会对模拟输入通道0 进行数模转换，芯片就可以开始读写处理数据，并且周期性的向外部输送数据。

具体实现是通过晶体管集成电路替代电阻实现的。低通滤波电路是进行数模转换的主要手段，使用低通滤波电路，将输入进来的数字信号转换成单片机能够识别的编码‘0’‘1’，再将数字编码转换成相对应的电压信号或者是电流信号，形成一定的波形，再由低通滤波电路过滤掉产生后的电压整流信号的波纹或者是电流整流信号的波纹。过滤后形成的波形为梯状型波形，这是由两个矩形波形冲激采样信号和矩形脉冲信号卷积产生的结果。

2.3 Proteus 仿真分析

Proteus Design Suite 是一款简单实用的电路设计和单片机系统仿真软件。它包括专业系统提供的所有功能，包括基于网表的PCB 设计以及自动放置，自动布线和基于图形的仿真。Proteus Design Suite 第一种功能就是原理图设计，创建原理图。这是虚拟硬件进行仿真和逻辑分析PCB 布局设计。第二个功能就是硬件设计，编写程序以控制电路。然后模拟，测试和调试整个Proteus 中的嵌入式系统。第三种功能是PCB设计，使用Proteus Design Suite 可以模拟出一个可用的虚拟原型，放置并布线物理PCB。是一个专业的，约束驱动的布局工具。第四种功能是3D 可视化/MCAD，使用3D Viewer 可以进行视觉检查并导出到MCAD 工具，创造出形象的模拟图。最后一种功能就是Hardware Prototype，是一种可以验证并且判断出我们设计的固件是否一件可以正常运行硬件。Proteus Design Suite 的功能全面，是现如今可以进行实时仿真、编译的电路设计和单片机系统仿真软件。功能的多样性和程序仿真编译的高效性，使得用户们在设计产品时能够获得更高的舒适感，提高了对产品仿真测试的效率。

3 结语

使用GP2Y1010AU0F 粉尘传感器接收到公路空气中粉尘浓度的数字信号转化为电信号接而得到公路机电设备环境粉尘浓度的大小，使用DHT11 温湿度传感器接收到公路空气中温湿度的数字信号转化为电信号接而得到公路机电设备环境温湿度的大小，LCD1602 显示屏实时显示公路空气中粉尘浓度和温湿度，使用了STC89C51 单片机作为检测基础。并通过蓝牙传输到手机APP 显示空气质量实时监测查看，该系统电路简单明了、工作性能稳定、电路集成度高，调试方便简单，测试精准。在公路机电设备环境使用该系统测量了温湿度和粉尘浓度的数据，能够及时得到信息，蓝牙也能够迅速反馈到手机APP。本系统在公路机电设备环境中运行良好，能够为公路机电设备环境实现参数检测功能。