基于單片機的高鐵貨物車廂環境監控裝置設計

2024-10-22 00:00:00胥姣

現代信息科技 2024年15期

摘要：為實現對高鐵貨物運輸車廂中時效類貨物存儲環境的監測與控制，研究了一套基于51單片機的高鐵貨物車廂環境監控裝置，實現了對高鐵貨物運輸車廂的環境變化因素進行實時監測、控制，并通過顯示屏將所獲取的信息反饋給工作人員。工作人員可以根據所要運輸的貨物種類提前預設該類貨物所需存儲環境的適宜范圍，運輸途中一旦所監測的車廂環境超過預設區間系統裝置便會自主觸發蜂鳴報警器，隨后通過單片機驅動溫濕度、氣體傳感器等硬件設備進行調整調控，以便為時效類貨物提供最佳的存儲環境，保障時效類貨物的質量安全。

關鍵詞：高鐵貨物車廂；智能監控；單片機；溫濕度；氣體；質量安全

中圖分類號：TP391.9；TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）15-0019-06

Design of Environment Monitoring Device for High-speed Rail Freight Carriage Based on Single-chip Microcomputer

XU Jiao

（School of Traffic and Transportation， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China）

Abstract： To achieve the monitoring and control of the storage environment for time-sensitive goods in high-speed rail freight carriages， a monitoring device based on the 51 single-chip microcomputer for high-speed rail freight carriage environment is studied. It realizes real-time monitoring and control of environmental change factors in high-speed rail freight carriages， and the information obtained is fed back to the staff through a display screen. According to the type of goods to be transported， the staff could preset the suitable range of storage environment for such type of goods in advance. During transportation， once the monitored carriage environment exceeds the preset range， the system device triggers a buzzer alarm autonomously. Subsequently， it adjusts and controls temperature， humidity， gas sensors， and other hardware devices through the single-chip microcomputer to provide the optimal storage environment for time-sensitive goods， ensuring the quality and safety of these goods.

Keywords： high-speed rail freight carriage; intelligent monitoring; single-chip microcomputer; temperature and humidity; gas; quality safety

0 引言

在新時代發展背景下，我國物流行業正在經歷著巨大的變革，尤其是線上電商模式的進一步發展不斷地推動著這場變革。為了適應這一新發展，傳統的運輸模式需要不斷進行優化和調整，這為高鐵快運的發展帶來了新的機遇和挑戰[1]。

隨著高鐵快運的不斷拓展，高鐵運輸的貨物種類、方式也在不斷豐富和創新。通過梳理相關文獻[2-3]，將運輸貨物按照自身特性劃分為四大類：急件類貨物、電商類貨物、時限類貨物、高附加值類貨物。其中時限類貨物最為特殊，對運輸環境有著較高的要求。為滿足這一要求，鐵路部門推出了“冷鮮達”和醫藥冷鏈“定溫達”“定時達”等產品[4]。

而目前鐵路針對這一類貨物的運輸仍采用的是干燥劑、干冰、鹽冰及制冷劑等材料，將其放入專門的冷藏箱中，以確保運輸途中的溫度在要求范圍之內，達到保險的效果。然而，這種制冷方式存在一定缺陷的，其無法根據不同貨物自主調節冷藏箱內的溫度，也無法實時監測貨物的存儲溫度。一旦出現溫度長時間異常的狀況，對于溫濕度環境要求較為敏感的貨物，可能會致使其出現新鮮度降低問題，甚至會直接導致貨物腐壞[5]。

基于上述分析，針對高鐵時限類貨物設計開發了一套基于單片機的車廂環境監測與控制裝置。該裝置以51單片機[6]為主控制器，具有9個按鍵，分別用于控制各類傳感器設備和顯示器的轉換。顯示器將傳感器獲取的數據實時顯示，出現異常狀況時發出警報，并反饋給單片機進行調整控制。有效解決了目前高鐵時效類貨物運輸中無法實時監測、自主調控運輸環境的問題，可更好地保障時效類貨物的質量安全，減少因運輸環境變化導致貨物變質而造成的經濟損失。

1 設計思路及整體設計方案

高鐵貨物車廂環境監控裝置硬件設計分為單片機模塊、感知模塊（溫濕度模塊、氣體模塊、光照模塊）、顯示模塊和報警模塊[7]，如圖1所示。通過感知模塊對貨物的運輸車廂環境進行監測，出現異常情況利用警報模塊中的蜂鳴器進行提示，再使用按鍵對單片機發出信號，單片機對感知模塊、顯示模塊進行調節，使異常環境恢復正常。

通過Proteus對高鐵貨物車廂監控系統硬件設計進行繪制仿真。Proteus是一款既具有其他EDA工具軟件的仿真功能，又能對單片機和外設進行仿真的EAD工具（仿真）軟件[8-9]。

2 硬件設計

2.1 AT89C51單片機控制器模塊

單片機控制器是整個硬件系統的核心，用于控制各個外設按照系統預設的程序運行調控。高鐵貨物車廂環境監控系統方案設計中采用的是AT89C51單片機，其具有穩定耐用、靈活性高、成本低等優勢，且51型號的單片機工作溫度和存儲溫度范圍都適用于時效類貨物的倉儲溫度，不會因環境溫度的原因造成設備故障，無法工作。AT89C51單片機具體工作參數如表1所示。

2.1.1 單片機電路連接設計

AT89C51單片機是8位的微處理器，有兩個16位定時器和計數器，有5個中斷源，用于串口通信[10]。AT89C51單片機的電路連接圖如圖2所示。

2.1.2 單片機最小系統

單片機能夠成功運行程序，實現最基本功能，離不開最小系統。單片機最小系統主要包括三部分：晶振電路、復位電路和電源電路[11]。介紹如下：

1）晶振電路。其由一個晶振并聯上兩個諧振電容組成。晶振提供的時鐘頻率越高，單片機運行速度越快。AT89C51單片機不僅可以通過芯片內部產生時鐘信號，還可以從外部引入時鐘信號[12]。在高鐵貨物車廂環境監控硬件設備方案設計中采用外接晶振電路信號產生方式。

2）復位電路。其主要作用是恢復電路初始狀態，即上電復位。由于電容電壓無法即刻產生變化，將電容與電阻串聯，上電時按下按鈕給電容不斷提供電壓，直到電容兩端電壓與電源電壓相同，電路開始正常工作。

3）電源電路。其為單片機提供穩定電源。

高鐵貨物車廂環境監控裝置系統中的最小系統電路如圖3所示。

2.2 感知模塊

2.2.1 溫濕度監測模塊

在溫濕度監測方面，設計方案選用DHT22溫濕度傳感器，其具有超快響應、測量范圍大、抗干擾能力強、性價比高等優勢。DHT22溫度測量在-40～80 ℃之內，濕度測量范圍在0～99.9 %RH。測量精度高，溫度在0.5 ℃上下浮動，濕度mnlpfEULShcCwchRf8rKpjYZmP2VTb/+shY7TuepMg4=誤差在2%之內。適用于時效類貨物的存儲環境，不會因為倉儲溫度較低導致設備無法獲取環境數據。

DHT22溫濕度傳感器輸出的是電信號，無須添加A/D轉換器，可直接由AT89C51號單片機進行讀取。其共有四個引腳，VDD供電3～5.5 VDC，與51單片機相匹配。由一個電容式感濕元件和一個NTC感溫元件組成。DHT22溫濕度傳感器的具體電路檢測如圖4所示。

2.2.2 氣體傳感器監測模塊

對于運輸貨物中的醫藥類物品來說，只要控制住車廂內的溫濕度便可以保障貨物的質量安全，而對于蔬菜、花卉類的時效類貨物，僅僅通過溫濕度無法完全保障貨物的新鮮度，還需要對運輸環境的氣體含量、成分進行監測控制，如合理調整二氧化碳和氧氣之間的比例關系，可以有效抑制該類貨物的呼吸作用，減緩生長，延長保質期。因此，在高鐵貨物運輸車廂的環境監測裝置方案設計中還需要加入氣體傳感器。

氣體傳感器選用的是TPM型號，可以根據不同的需求選擇所要監測的氣體。氣體傳感器檢測后，需要通過ADC0832轉換器進行模數轉換，將轉換后的電信號輸出到AT89C51單片機。氣體傳感器具體檢測連接電路圖如圖5所示。

2.3 LCD1602液晶顯示模塊

在感知模塊獲取環境數據后，需要實時顯示出來，便于工作人員隨時進行查看。因此，在監控裝置方案設計中選取了一款LCD1602液晶顯示器進行信息反饋。

LCD1602液晶顯示的顯示容量是兩行，每行16個字符，在LCD1602型號中只能顯示數字、字符，簡潔明了，便于工作人員快速獲取環境信息。LCD1602共有16個引腳，其中引腳3VL主要是調節屏幕對比度。LCD1602液晶顯示的電路圖如圖6所示。

2.4 報警電路

當貨物的運輸環境超過所設置的上下限值時，說明當前車廂內的環境已不在貨物的適宜存儲范圍內，報警裝置便會發出警報，提醒工作人員進行檢查調整。車廂環境監控裝置方案設計采用蜂鳴報警器進行警報提醒，便于工作人員快速發現異常。圖7為報警電路圖。

蜂鳴器分有源蜂鳴器和無源蜂鳴器。本裝置選用有源蜂鳴器作為警報電路的一部分。有源蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電[13]。有源蜂鳴器內部有自己的音源，當供電時可以持續發出聲音。而無源蜂鳴器僅在通電的一瞬間發出響聲。有源蜂鳴器可持續發聲但無源蜂鳴器音色更好，可通過單片機的PWM控制其音調。在高鐵貨物車廂環境檢測裝置方案設計中，如果檢測到數值超過預設區間，就會觸發報警電路，蜂鳴器發聲即可，無須特殊旋律故選用有源蜂鳴器。

2.5 模數轉換模塊

模數轉換選用的型號是ADC0832轉換器，其具有體積小、兼容性強、性價比高等特點。用于光敏電阻和氣體傳感器，將檢測到的光照強度和氣體參數分別轉化為電信號，傳遞至AT89C51單片機進行數據信息讀取。ADC0832轉換器與光敏電阻和氣體傳感器的電路連接圖如圖5所示。

3 軟件設計

本裝置的軟件程序是在硬件已經做好的基礎上進行編寫的，根據硬件需要實現的功能編寫所需程序。在高鐵貨物車廂環境監控裝置設計中，在KeilC51軟件中采用C語言進行軟件程序編寫[14]。

3.1 主程序流程圖

電源開啟后，監測系統開始正常運行，首先對系統整體進行初始化，然后對各模塊參數進行設置，最后將測量到的各項數據進行顯示，一旦超過預設的參數值，警報電路就會進行報警，并通過繼電器控制設備進行工作。系統主流程圖如圖8所示。

3.2 子程序流程圖

3.2.1 DHT22溫濕度傳感器

DHT22傳感器監測溫濕度，將檢測到的數據傳送給單片機，經單片機處理后在顯示器上進行顯示。在溫濕度傳感器進行檢測之前，單片機需要先發送一個起始信號給它，傳感器收到后開始進行工作檢測溫濕度，將檢測到的溫濕度依次發往單片機中[15]。其流程圖如圖9所示。

3.2.2 蜂鳴報警模塊流程圖

高鐵車廂環境監測裝置中的蜂鳴報警模塊，只有在車廂環境出現異常（溫濕度、氣體、光照超出預設范圍）時會被觸發，蜂鳴器發出警報，具體運行流程圖如圖10所示。

4 實驗結果仿真

為了驗證基于單片機的高鐵貨物車廂環境監測裝置方案是否可行，在Proteus軟件中對硬件裝置系統進行模擬仿真。通過對裝置方案的模擬仿真可知，所設計的高鐵貨物車廂監控系統能夠實現上述整個過程（環境數據的采集、處理及反饋顯示），在進行模擬仿真時可以通過按鍵調節溫濕度傳感器、氣體傳感器的大小，并將相應的數據實時顯示在LCD顯示器上。

采用的LCD1602顯示器是兩行顯示，其中第一行顯示的是車廂溫度（左邊預設值，右邊實際測量值），第二行是濕度預測與實際值，仿真結果圖如圖11所示。按下切換鍵D7后，第一行分別是光照預設值與實際檢測值，第二行是所檢測的氣體數值，仿真結果圖如圖12所示。

5 結論

基于單片機的高鐵貨物車廂環境監測與控制系統裝置方案設計主要針對的是高鐵運輸服務貨物中的時效類貨物，該類貨物對存儲、運輸環境都有較高的要求，為避免在運輸途中因運輸環境不適造成貨物損壞，給雙方（托運方、承運方）帶來不必要的經濟損失。設計了一套基于51單片機的硬件裝置對系統中的檢測硬件進行調整控制，并將檢測到的數據實時顯示。運輸途中一旦出現環境異常的狀況，系統將自主觸發蜂鳴器進行報警示意，工作人員根據裝置系統反饋的結果進行快速調整，實現保障貨物質量與安全的目標。

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