摘 要：为实现对高铁货物运输车厢中时效类货物存储环境的监测与控制，研究了一套基于51单片机的高铁货物车厢环境监控装置，实现了对高铁货物运输车厢的环境变化因素进行实时监测、控制，并通过显示屏将所获取的信息反馈给工作人员。工作人员可以根据所要运输的货物种类提前预设该类货物所需存储环境的适宜范围，运输途中一旦所监测的车厢环境超过预设区间系统装置便会自主触发蜂鸣报警器，随后通过单片机驱动温湿度、气体传感器等硬件设备进行调整调控，以便为时效类货物提供最佳的存储环境，保障时效类货物的质量安全。
关键词：高铁货物车厢；智能监控；单片机；温湿度；气体；质量安全
中图分类号：TP391.9；TP277 文献标识码：A 文章编号：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
在新时代发展背景下，我国物流行业正在经历着巨大的变革，尤其是线上电商模式的进一步发展不断地推动着这场变革。为了适应这一新发展，传统的运输模式需要不断进行优化和调整，这为高铁快运的发展带来了新的机遇和挑战[1]。
随着高铁快运的不断拓展，高铁运输的货物种类、方式也在不断丰富和创新。通过梳理相关文献[2-3]，将运输货物按照自身特性划分为四大类：急件类货物、电商类货物、时限类货物、高附加值类货物。其中时限类货物最为特殊，对运输环境有着较高的要求。为满足这一要求，铁路部门推出了“冷鲜达”和医药冷链“定温达”“定时达”等产品[4]。
而目前铁路针对这一类货物的运输仍采用的是干燥剂、干冰、盐冰及制冷剂等材料，将其放入专门的冷藏箱中，以确保运输途中的温度在要求范围之内，达到保险的效果。然而，这种制冷方式存在一定缺陷的，其无法根据不同货物自主调节冷藏箱内的温度，也无法实时监测货物的存储温度。一旦出现温度长时间异常的状况，对于温湿度环境要求较为敏感的货物，可能会致使其出现新鲜度降低问题，甚至会直接导致货物腐坏[5]。
基于上述分析，针对高铁时限类货物设计开发了一套基于单片机的车厢环境监测与控制装置。该装置以51单片机[6]为主控制器，具有9个按键，分别用于控制各类传感器设备和显示器的转换。显示器将传感器获取的数据实时显示，出现异常状况时发出警报，并反馈给单片机进行调整控制。有效解决了目前高铁时效类货物运输中无法实时监测、自主调控运输环境的问题，可更好地保障时效类货物的质量安全，减少因运输环境变化导致货物变质而造成的经济损失。
1 设计思路及整体设计方案
高铁货物车厢环境监控装置硬件设计分为单片机模块、感知模块（温湿度模块、气体模块、光照模块）、显示模块和报警模块[7]，如图1所示。通过感知模块对货物的运输车厢环境进行监测，出现异常情况利用警报模块中的蜂鸣器进行提示，再使用按键对单片机发出信号，单片机对感知模块、显示模块进行调节，使异常环境恢复正常。
通过Proteus对高铁货物车厢监控系统硬件设计进行绘制仿真。Proteus是一款既具有其他EDA工具软件的仿真功能，又能对单片机和外设进行仿真的EAD工具（仿真）软件[8-9]。
2 硬件设计
2.1 AT89C51单片机控制器模块
单片机控制器是整个硬件系统的核心，用于控制各个外设按照系统预设的程序运行调控。高铁货物车厢环境监控系统方案设计中采用的是AT89C51单片机，其具有稳定耐用、灵活性高、成本低等优势，且51型号的单片机工作温度和存储温度范围都适用于时效类货物的仓储温度，不会因环境温度的原因造成设备故障，无法工作。AT89C51单片机具体工作参数如表1所示。
2.1.1 单片机电路连接设计
AT89C51单片机是8位的微处理器，有两个16位定时器和计数器，有5个中断源，用于串口通信[10]。AT89C51单片机的电路连接图如图2所示。
2.1.2 单片机最小系统
单片机能够成功运行程序，实现最基本功能，离不开最小系统。单片机最小系统主要包括三部分：晶振电路、复位电路和电源电路[11]。介绍如下：
1）晶振电路。其由一个晶振并联上两个谐振电容组成。晶振提供的时钟频率越高，单片机运行速度越快。AT89C51单片机不仅可以通过芯片内部产生时钟信号，还可以从外部引入时钟信号[12]。在高铁货物车厢环境监控硬件设备方案设计中采用外接晶振电路信号产生方式。
2）复位电路。其主要作用是恢复电路初始状态，即上电复位。由于电容电压无法即刻产生变化，将电容与电阻串联，上电时按下按钮给电容不断提供电压，直到电容两端电压与电源电压相同，电路开始正常工作。
3）电源电路。其为单片机提供稳定电源。
高铁货物车厢环境监控装置系统中的最小系统电路如图3所示。
2.2 感知模块
2.2.1 温湿度监测模块
在温湿度监测方面，设计方案选用DHT22温湿度传感器，其具有超快响应、测量范围大、抗干扰能力强、性价比高等优势。DHT22温度测量在-40～80 ℃之内，湿度测量范围在0～99.9 %RH。测量精度高，温度在0.5 ℃上下浮动，湿度mnlpfEULShcCwchRf8rKpjYZmP2VTb/+shY7TuepMg4=误差在2%之内。适用于时效类货物的存储环境，不会因为仓储温度较低导致设备无法获取环境数据。
DHT22温湿度传感器输出的是电信号，无须添加A/D转换器，可直接由AT89C51号单片机进行读取。其共有四个引脚，VDD供电3～5.5 VDC，与51单片机相匹配。由一个电容式感湿元件和一个NTC感温元件组成。DHT22温湿度传感器的具体电路检测如图4所示。
2.2.2 气体传感器监测模块
对于运输货物中的医药类物品来说，只要控制住车厢内的温湿度便可以保障货物的质量安全，而对于蔬菜、花卉类的时效类货物，仅仅通过温湿度无法完全保障货物的新鲜度，还需要对运输环境的气体含量、成分进行监测控制，如合理调整二氧化碳和氧气之间的比例关系，可以有效抑制该类货物的呼吸作用，减缓生长，延长保质期。因此，在高铁货物运输车厢的环境监测装置方案设计中还需要加入气体传感器。
气体传感器选用的是TPM型号，可以根据不同的需求选择所要监测的气体。气体传感器检测后，需要通过ADC0832转换器进行模数转换，将转换后的电信号输出到AT89C51单片机。气体传感器具体检测连接电路图如图5所示。
2.3 LCD1602液晶显示模块
在感知模块获取环境数据后，需要实时显示出来，便于工作人员随时进行查看。因此，在监控装置方案设计中选取了一款LCD1602液晶显示器进行信息反馈。
LCD1602液晶显示的显示容量是两行，每行16个字符，在LCD1602型号中只能显示数字、字符，简洁明了，便于工作人员快速获取环境信息。LCD1602共有16个引脚，其中引脚3VL主要是调节屏幕对比度。LCD1602液晶显示的电路图如图6所示。
2.4 报警电路
当货物的运输环境超过所设置的上下限值时，说明当前车厢内的环境已不在货物的适宜存储范围内，报警装置便会发出警报，提醒工作人员进行检查调整。车厢环境监控装置方案设计采用蜂鸣报警器进行警报提醒，便于工作人员快速发现异常。图7为报警电路图。
蜂鸣器分有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。本装置选用有源蜂鸣器作为警报电路的一部分。有源蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电[13]。有源蜂鸣器内部有自己的音源，当供电时可以持续发出声音。而无源蜂鸣器仅在通电的一瞬间发出响声。有源蜂鸣器可持续发声但无源蜂鸣器音色更好，可通过单片机的PWM控制其音调。在高铁货物车厢环境检测装置方案设计中，如果检测到数值超过预设区间，就会触发报警电路，蜂鸣器发声即可，无须特殊旋律故选用有源蜂鸣器。
2.5 模数转换模块
模数转换选用的型号是ADC0832转换器，其具有体积小、兼容性强、性价比高等特点。用于光敏电阻和气体传感器，将检测到的光照强度和气体参数分别转化为电信号，传递至AT89C51单片机进行数据信息读取。ADC0832转换器与光敏电阻和气体传感器的电路连接图如图5所示。
3 软件设计
本装置的软件程序是在硬件已经做好的基础上进行编写的，根据硬件需要实现的功能编写所需程序。在高铁货物车厢环境监控装置设计中，在KeilC51软件中采用C语言进行软件程序编写[14]。
3.1 主程序流程图
电源开启后，监测系统开始正常运行，首先对系统整体进行初始化，然后对各模块参数进行设置，最后将测量到的各项数据进行显示，一旦超过预设的参数值，警报电路就会进行报警，并通过继电器控制设备进行工作。系统主流程图如图8所示。
3.2 子程序流程图
3.2.1 DHT22温湿度传感器
DHT22传感器监测温湿度，将检测到的数据传送给单片机，经单片机处理后在显示器上进行显示。在温湿度传感器进行检测之前，单片机需要先发送一个起始信号给它，传感器收到后开始进行工作检测温湿度，将检测到的温湿度依次发往单片机中[15]。其流程图如图9所示。
3.2.2 蜂鸣报警模块流程图
高铁车厢环境监测装置中的蜂鸣报警模块，只有在车厢环境出现异常（温湿度、气体、光照超出预设范围）时会被触发，蜂鸣器发出警报，具体运行流程图如图10所示。
4 实验结果仿真
为了验证基于单片机的高铁货物车厢环境监测装置方案是否可行，在Proteus软件中对硬件装置系统进行模拟仿真。通过对装置方案的模拟仿真可知，所设计的高铁货物车厢监控系统能够实现上述整个过程（环境数据的采集、处理及反馈显示），在进行模拟仿真时可以通过按键调节温湿度传感器、气体传感器的大小，并将相应的数据实时显示在LCD显示器上。
采用的LCD1602显示器是两行显示，其中第一行显示的是车厢温度（左边预设值，右边实际测量值），第二行是湿度预测与实际值，仿真结果图如图11所示。按下切换键D7后，第一行分别是光照预设值与实际检测值，第二行是所检测的气体数值，仿真结果图如图12所示。
5 结 论
基于单片机的高铁货物车厢环境监测与控制系统装置方案设计主要针对的是高铁运输服务货物中的时效类货物，该类货物对存储、运输环境都有较高的要求，为避免在运输途中因运输环境不适造成货物损坏，给双方（托运方、承运方）带来不必要的经济损失。设计了一套基于51单片机的硬件装置对系统中的检测硬件进行调整控制，并将检测到的数据实时显示。运输途中一旦出现环境异常的状况，系统将自主触发蜂鸣器进行报警示意，工作人员根据装置系统反馈的结果进行快速调整，实现保障货物质量与安全的目标。
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作者简介：胥姣（1998—），女，汉族，陕西咸阳人，硕士在读，主要研究方向：交通智能化。
