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摘要：为了有效减少我国交通事故的发生，提高人民的生活水平，给高速管理部门带来方便，同时减少身边的安全隐患。本文根据单片机原理与传感器理论，并结合各种气象要素形成的条件，提出一种基于温湿度传感器的高速路面检测模型系统，它是以单片机为控制核心，通过分析传感器模块传递回来的数据以达到检测路面的目的。
关键词：温湿度传感器；单片机；路面状况
1研究背景
随着改革开放中国国门打开之后，社会各方面的发展越来越快，同时也变得越来越好。而促进这些发展的重要原因就是政府在大规模的建设公路，尤其是高速公路的快速兴建。但是交通事故也成为了中国的“第一公害”，人员的伤亡和经济的损失对于社会建设产生了极大的阻碍，并且具官方数据显示，中国的交通事故死亡率已经居世界最高。造成事故产生的原因有很多，其中包括人为因素、车辆因素、道路因素等，而其中24.5%的事故发生是由于路面安全造成的，所以道路安全设施面临着升级的迫切需求。
路面作为道路最基础的构成个体与外观性能表现，最容易遭受恶劣天气的迫害，及其容易造成交通事故的产生。而中国却还没有完善的智能路面安全检测系统，每当遇到道路恶劣天气时，需要人工的配合。为了解决这一问题，本文设计了一款道路综合检测仪。当检测到道路安全问题时，可以自动的提示检测者路面的状况。
2系统的总体设计
为了适应国家对于高速公路检测的基本要求，设计的道路检测仪具有在各种自然天气下，通过车载的各种传感器对路面气象进行监测、并且结合路面各种气象形成的原因分析、计算得出路面气象状况，如路面结冰，路面积水，高温等。通过Arduino uno r3用温湿度传感器设备将收集到的数据信息输入到建立好的安全控制模型里面，经过模型对数据的处理运算后，再考虑不同情况下的影响系数，输出不同情况下高速公路各方面数据对交通安全的影响，并通过Lcd显示屏显示于公路检测车上，给出相应的行车建议（最大速度，最小刹车距离等）。
该检测系统是以单片机作为控制核心，并且结合必要的外围电路，共同完成信号的采集，路面状况的显示等。其系统框图如图一所示。
2.1温湿度传感器电路的设计
随着半导体技术的发展，如今的传感器已经走向了数字化。其中R1是单总线的上拉电阻。DHT22的使用电源很宽，可以在3.0~5.5V电压下稳定的工作，对于长距离设备，还可以采用寄生电源。它和Arduino uno r3之间只需要一根数据线就可以实现双向通信。DHT22可以实现单线组网，每个DHT22都有唯一的ID号，可以很方便的读取数据。DHT22的外形如一个三极管，不需要外围电路就可以稳定的测量温湿度值，其可测量的温度范围是-55℃~+125℃。在精度方面，DHT22的温度和湿度测量精度都达到了0.1。
2.2 超声波传感器的设计
超声波的穿透力强，具有优良的穿透性，被广泛应用于测距，同时可以用来测量前方的障碍物。超声波的测距原理与雷达相似，由发射装置发出超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。利用发射端接收的超声波的时间差，并根据一定的公式计算障碍物的距离。
本模块采用的是HC-SR04型超声波传感器，该传感器的具有稳定性能好，精密度较高，盲区小等特点。理论上只需一个超声波测距模块即可，但是实际测试中发现如果只有一个测距模块，无法检测四周的障碍物。因此我们改进了检测效果，在前方和左右三个方向共放置了四个超声波测距模块。图3为超声波测距模块电路图。
2.3 蜂鸣器电路设计
本系统所使用的蜂鸣器，内部带有固定振荡器，只要给高低电平信号，就能控制蜂鸣器的声音。蜂鸣器的正极接在VCC上，蜂鸣器的负极接在三极管Q1的集电极，当三极管导通接地的时候，蜂鸣器就会发出声音。BEEP连接到单片机的普通IO口上，当需要蜂鸣器响的时候，BEEP=1;当需要蜂鸣器停止响的时候，只需要拉低IO口使得BEEP=0;蜂鸣器电路图如图四所示
2.4单片机电路的设计
该模块采用Arduino uno r3单片机作为控制核心，它比其他单片机有抗干扰性强、处理速度快、运行功耗低等特点。主控模块利用单片机与温湿度传感器进行通讯，计算道路状态信息。通过定时计数器来计算超声波发射与接收的时间差，计算出小车与障碍物之间的距离;并将道路状况与障碍物距离信息实时显示在LCD上。图5为主芯片图。
2.5LCD显示模块的设计
本模块采用的是TFT1.44液晶显示屏，它又称为“真彩”，它属于有源矩阵液晶屏，它是由薄膜晶体管组成的屏幕，它的每个液晶像素点都是由薄膜晶体管来驱动，每个像素点后面都有四个相互独立的薄膜晶体管驱动像素点发出彩色光，可显示24bit色深的真彩色。在分辨率上，TFT液晶屏最大可以达到UXGA（1600×1200）。
TFT的排列方式具有记忆性，所以电流消失后不会马上恢复原状，从而改善了STN液晶屏闪烁和模糊的缺点，有效地提高了液晶屏显示动态画面的效果，在显示静态画面方面的能力也更加突出，TFT液晶屏的优点是响应时间比效短，并且色彩艳丽，所以它被广泛使用于显示上。
在本设计中主要用来实时显示小车行驶过程中公路的状态，包括路面的状况以及距离前方、左侧和右侧障碍物之间的距离，并给出相应的行驶建议。它共有11个引脚，其中VCC接5V电源，GND接地脚，RS为数据/命令标志位，当高电平时使用数据寄存器，低电平时采用指令寄存器，接单片机的一个 I / O 口。加上CS、SDA和SCK等共同完成信号的传输。图6为LCD与单片机连接图。
3系统软件设计
软件部分的设计思路和硬件电路相类似，程序采用模块化设计，将一个大程序快分成了若干个小程序功能模块。使得程序设计更加简单直观，从而大大增加了程序的可拓展性，而且提高了程序的易读性和可维护性。还可以把程序中经常用到的一些功能编写成通用函数，做到随调随用。
软件部分包含分为四个部分，主程序、超声波检测程序、温度湿度程序，TFT LCD显示屏控制程序。首先系统不断的发送超声波信号，温度信号，湿度信号然后判断是否有障碍物、路面的综合状况，然后将信息在LCD屏幕上显示出来。系统整体软件流程图如图7所示：
4 结论
本本系统以arduino uno r3为主控芯片，采用温湿度传感器来精测路面气象，设计了一种路面安全探测系统，实现了全自动检测路面安全并报警的功能。经实验证明，该系统运行良好，实现较精确的判断，且硬件简单，能实现对周边路面气象的动态感知，达到了预期效果。今后如能对硬件结构进行更合理的优化，该系统的功能仍有很大的扩展空间。
参考文献
[1] 王煜东. 传感器及应用[J]. 电子工业出版社. 2005-2
[2] 杨志忠. 电子技术模拟与数字[M]. 高等教育出版社. 2007-3
[3] 郭颜萍, 崔天刚,邵宝民.气象仪功能模块自动检测仪的设计[J].山东科学,2012.06
[4] 李黄,《自动气象站实用手册》[M],气象出版社，2007.03.
[5] 冯苏宁,项瑛,姜爱军. 气象台站数据分析、著录应用系统的介绍[J]. 气象科学. 2006(02)
[6] 石磊. 冰雪条件下高速公路气象检测与预警系统研究[J].公路交通科技，2002.12.
[7] 蒋贤才,裴玉龙. 冰雪道路交通安全管理措施及其成效分析[J]. 公路交通科技. 2008.04
论文作者:于海峰1,白杨2,王颖1,孙鹏1, 隋云逸1, 杨
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第10期
论文发表时间:2019/10/16
标签：路面论文; 单片机论文; 超声波论文; 蜂鸣器论文; 障碍物论文; 气象论文; 模块论文; 《科学与技术》2019年第10期论文;