张丽，杨艳

（攀枝花学院智能制造学院，四川攀枝花，617000）

0 引言

隧道是一个特殊的半密闭空间，隧道内行驶安全是隧道行车安全的重要保证。公路隧道的修建，一方面既能改善线性、缩短运距，提高运营效益，又可以促进交通运输事业发展；另一方面由于隧道封闭形成特殊环境，易引发交通事故，且隧道内交通事故往往危害程度大，事后处理难，且所造成的经济损失和延迟不但降低了相连高速公路安全性，也极大地降低了道路的运量，影响了地区网络的运行效率和作用。新时代的到来，绿色交通观念的深入人心，提高隧道内行驶安全已成为一种重要的发展趋势，进行隧道内行驶安全提示装置设计不仅能减少交通事故的发生，还能提高隧道内的交通安全性。因此，进行隧道内安全行驶提示装置很有必要。

1 系统总体设计

本设计是以单片机为控制核心、以温湿度传感器、一氧化碳传感器、烟雾传感器、噪声传感器为测量元件，采用传感器测量技术、控制技术等技术，构成隧道内安全行驶提示装置设计系统。选用的主要器件有：STC单片机、温湿度传感器DHT11、CO传感器MQ-7、噪声传感器模块和烟雾传感器MQ-2、数码管、报警装置蜂鸣器等。采用STC8H3K64S4单片机作为控制核心，实现了数据的采集、传输、显示和报警。数据采集通过传感器完成，传感器将烟气、CO的浓度转化成电压，由噪声模块将噪音强度转化成电压，再送入微处理器。单片机使用内部的AD转换功能将这些电压信号转换为数据，并且通过判断这些数据，可以知道现场环境情况是否超标。如果超标，可以发出报警声音。温湿度传感器DHT11，内置了转换成数字化的电路在传感器内部。传感器将采集数据传送给单片机，单片机对数据进行判断。单片机把数据经过数码管驱动程序，将数据显示出来。然后，程序对数据进行收集比较，得出是否要报警，如果超标报警，那么驱动蜂鸣器报警。其电路原理图如图1所示。

图1 电路原理图

2 系统硬件设计

■ 2.1 STC8H3K64S4 单片机

STC8H系列是一种不需要外部晶体振荡、外部重置的单片机。在STC8H系列与51单片机在同样的工作频率下，其运算速率较常规8051提高11 2~13 2倍。STC8H系列单片机指令代码完全兼容传统8051。STC8H3K64S4提供21个中断源、4级中断优先级；有1路I2C串行总线，1路SPI串行总线；超高速ADC，支持12位高精度12通道，可以直接连接CO、噪声、烟雾3个模拟量的传感器，不用外挂AD转换芯片。其管脚图如图2所示。

图2 单片机管脚图

■2.2 系统输入模块设计

2.2.1 温湿度检测模块

本系统设计采用DHT11温湿度传感器，它是一种集温度、湿度于一体的温、湿度传感器，该传感器可以直接将数据传给单片机。DHT11性价比高，被广泛应用，该方法采用SPI串行接口，一根导线即可与单片机联接，简化了电路的设计。因为它的体积小，则占用的空间就小，功耗小，产热量小，信号传输稳定，在短距离时不会出现失真现象。其典型的电路图如图3所示，其中VDD是供电3~5 5V；DATA是串行数据，单总线，连接MCU；GND是接地，电源负极。

图3 典型电路图

本系统设计采用的是高性能的传感器MQ-7模块，对CO的灵敏度很高。MQ-7模块能够感知隧道内的CO浓度，并将其转换成电压值输出，模块电路图如图4所示。模块内部含有一个MQ-7气体传感器，用于将CO浓度的变化转换为电信号的变化，它采用SnO2作为气敏物质，在大气中不含有CO等易燃性气体时，SnO2的导电性能很差，当周围 CO浓度增加时，电导率增加，由此增加了输出电压。

图4 MQ-7传感器原理图

2.2.3 烟雾检测模块

MQ-2灵敏度高、响应速度快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单；模拟量输出，传感器提供的模拟输出电压与烟气浓度成正比。气体浓度越大，输出电压越高；而较低的气体浓度会导致低输出电压，其传感器原理图如图5所示。其中VCC表示电源；GND表示接地；DOU是数字引脚，AOU是模拟引脚。浓度越高，AOUT引脚输出的电压值越高，通过ADC采集的模拟值越高。本装置中由于要显示烟雾浓度，故采用模拟量输出信号，通过与自带A/D转换的单片机相连进行模数转换。

图5 MQ-2电路图

2.2.4 噪声模块

系统设计采用噪声模块，是模拟量电压信号输出声音传感器，能侦测音量，亦可直接用作分贝感应器；具有较高的灵敏度及较宽的电压范围。噪声传感器由电源模块、噪声传感模块、变送模块、清零及噪声补偿模块和数据处理模块等组成。传感器内置信号采样及放大、清零及噪声补偿功能，用户接口简洁、方便。

■2.3 系统输出模块设计

2.3.1 显示模块

系统设计选择4位共阳极数码管模块作为显示器，4位串行，595芯片驱动。595芯片驱动的数码管模块，编程简单且芯片便宜，驱动起来难度中等。因为要显示的数据比较多，选595模块，也便于级联控制。74HC595是一个8位串行输入、并行输出的位移寄存器。在SCK 的上升沿，串行数据由SDL输入到内部的8位位移缓存器，并由Q7输出，而并行输出则是在LCK的上升沿将在8位位移缓存器的数据存入到8位并行输出缓存器。当串行数据输入端OE的控制信号为低使能时，并行输出端的输出值等于并行输出缓存器所存储的值。74HC595各个引脚功能如表1所示。

表1

2.3.2 报警模块

系统设计采用有源蜂鸣器进行报警提示，如图6所示。当检测的各指标的浓度其中任何一个浓度大于其设定阈值时，单片机在接受到A/D转换后的数字量后，通过软件程序对数据进行收集比较，得出是否要报警，如果浓度超标，蜂鸣器发出声音完成报警，数码管显示。

图6 蜂鸣器电路图

3 系统软件设计

本设计采用单片机实现温湿度、CO浓度、烟雾、噪声数据的采集、蜂鸣器报警、浓度值显示等功能。系统设计使用C语言编写，并使用Proteus软件对其进行了模拟。软件的设计流程由初始化、指标检测、显示、判断、显示等部分组成，整个软件的整体流程如图7所示。系统中各个传感器检测出隧道内各指标浓度完成信号采集，然后传给单片机，单片机进行内部转化后，传输到显示屏上进行显示，若浓度高于设定阈值则蜂鸣器报警。

图7 软件流程图

4 系统测试

本设计用Proteus软件进行仿真，仿真结果能较好的反应隧道内安全行驶提示装置设计的效果。仿真电路图在实物的基础上增加了对隧道内突发状况下的交通量检测，隧道出入口均有车辆检测并设置用LCD显示器显示，提醒驾驶员注意观察安全通行，其仿真结果如图8所示。Proteus仿真软件可进行DHT11温湿度传感器仿真，点击上面按钮即可进行温湿度的转换与增减；受软件限制，CO传感器、烟雾传感器、噪声传感器没有仿真设计，所以采用滑动变阻器代替，其阻值增减代表各指标浓度大小；突发状况下的隧道内交通量检测出入口仿真设计设置为按钮，其可以模拟车流量的增减。

图8 装置设计仿真图

5 结语

随着我国公路运输的迅速发展，公路建设已经成为拉动国民经济发展的主要支柱行业。隧道因具有缩短行驶里程、保证运行安全、保护生态环境等优点而得到广泛应用。由于高速公路隧道交通运行环境特殊，交通事故频发，所有提高隧道内交通安全显得尤为重要。本文设计的隧道内安全行驶装置是一种结构比较简单、使用比较方便、价格比较便宜、性能相对稳定、智能化的报警系统，具有一定的实用价值。

本文系统分析了影响隧道内交通安全的因素，设计出了隧道内安全行驶提示装置，并对其进行了仿真模拟和实物设计，主要完成内容如下：

（1）分析研究了影响公路隧道内安全行驶的指标因素，并对各影响因素进行了分析与研究，提取出隧道交通安全的主要影响因子（温度、湿度、CO浓度、烟雾、噪声），为设计隧道内安全行驶提示装置提供理论支持，并且使设计出的隧道内安全行驶提示装置可靠性强；

（2）综合对比与分析同一指标检测的不同传感器之间的区别，分析其优缺点，考虑性价比高、经济合理可靠的传感器，最终选择了集成度高的传感器模块，这些传感器模块已经将信号放大电路做好，单片机直接采集传感器输出的电压就可以做后续的数据分析和驱动工作。这样不仅节约时间，也降低了工具设备的要求，同时也不影响装置设计的灵活性。

（3）结合公路隧道自身特点，进行基于理论和模拟验证的研究，将提取出的指标因素进行综合分析与整体设计，以单片机技术为主进行电路设计及软件控制，设计出了隧道内安全行驶提示装置，并对其进行了Proteus仿真和实物连接，取得了较好的结果且仿真有考虑到隧道内的突发状况，使论文说服性强。