鹿龍奇 郭林

摘 要：非機(jī)動(dòng)車(chē)體積小，自由度高，管理困難，容易引發(fā)交通事故;路口處非機(jī)動(dòng)車(chē)大量匯集，隨意越線亂停，嚴(yán)重危害道路安全。針對(duì)非機(jī)動(dòng)車(chē)在路口越線的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于ATmega128單片機(jī)的紅外檢測(cè)閘門(mén)。這種電子閘門(mén)依靠紅外線來(lái)檢測(cè)非機(jī)動(dòng)車(chē)的位置，能夠自動(dòng)判斷非機(jī)動(dòng)車(chē)是否越線，管理非機(jī)動(dòng)車(chē)。紅燈時(shí)，若有超線的非機(jī)動(dòng)車(chē)，則會(huì)給予警示對(duì)其提醒，以達(dá)到規(guī)范行為、保障安全的目的。整個(gè)設(shè)計(jì)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、紅外線發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、人體檢測(cè)系統(tǒng)和警示系統(tǒng)組成。設(shè)計(jì)人員按照電路要求將電子閘門(mén)各部分焊接組裝起來(lái)，然后進(jìn)行模擬測(cè)試，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：非機(jī)動(dòng)車(chē);紅外線;交通管理

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）09-0007-04

Abstract： Non-motor vehicles are small in size， high in freedom， difficult to manage， and easy to cause traffic accidents; a large number of non-motorized vehicles gather at intersections， crossing the line at will and stopping at will， which seriously endangers road safety. Aiming at the problem of non-motor vehicles crossing lanes at intersections， this paper designed an infrared detection gate based on ATmega128 microcontroller. This kind of electronic gate relies on infrared to detect the position of non-motorized vehicles， can automatically determine whether non-motorized vehicles have crossed the line， and manage non-motorized vehicles. At the red light， if there is a non-motorized vehicle over the line， a warning will be given to remind it to achieve the purpose of standardizing behavior and ensuring safety. The whole design consists of the smallest single-chip microcomputer system， infrared emission system， receiving system， human body detection system and warning system. The designer welded and assembled each part of the electronic gate in accordance with the circuit requirements， and then conducted a simulation test to verify the feasibility and accuracy of the design.

Keywords： non-motor vehicle;infrared;traffic management

非機(jī)動(dòng)車(chē)亂象已經(jīng)成為危害交通安全的重要因素。非機(jī)動(dòng)車(chē)體積小，行駛自由，識(shí)別困難，難以有效處罰。非機(jī)動(dòng)車(chē)在交叉路口極易發(fā)生占道、搶道、闖紅綠燈等事件。非機(jī)動(dòng)車(chē)洪流會(huì)像液體一樣擴(kuò)散，一旦越過(guò)停車(chē)線，沒(méi)有隔離阻攔就會(huì)散開(kāi)成一大片[1]。非機(jī)動(dòng)車(chē)與右轉(zhuǎn)車(chē)輛的矛盾、非機(jī)動(dòng)車(chē)與行人的矛盾?chē)?yán)重，整治、管理非機(jī)動(dòng)車(chē)迫在眉睫[2]。然而，非機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量龐大，目前沒(méi)有一套有效的檢測(cè)與處罰系統(tǒng)，交通秩序維持依靠自覺(jué)、提醒與警示。管理非機(jī)動(dòng)車(chē)主要依靠路口交通員。這種管理手段消耗人力資源，且在時(shí)間、空間的覆蓋率較低。若能夠有一套準(zhǔn)確、高效的非機(jī)動(dòng)車(chē)管理設(shè)備，以機(jī)器代替人工，則可擴(kuò)大管理面積，節(jié)約勞動(dòng)力，規(guī)范交通出行[3]。本文利用紅外線傳感器測(cè)量非機(jī)動(dòng)車(chē)路口壓線、過(guò)線情況，輔以紅外熱釋電傳感器測(cè)量人體的位置，精確判斷非機(jī)動(dòng)車(chē)是否違規(guī)，再對(duì)違規(guī)非機(jī)動(dòng)車(chē)予以提醒和警示，以有效治理非機(jī)動(dòng)車(chē)路口亂象。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)分為主體和發(fā)射器兩個(gè)部分，主體部分設(shè)計(jì)選用AVR單片機(jī)ATmega128 MCU作為核心控制芯片。該芯片具有7路8位I/O口，并帶有1組模擬輸入端口，內(nèi)存容量大，性能穩(wěn)定，應(yīng)用廣泛。非機(jī)動(dòng)車(chē)電子警示閘主要由人體感應(yīng)系統(tǒng)、紅外線發(fā)射系統(tǒng)、紅外線接收系統(tǒng)、警示系統(tǒng)和單片機(jī)及其支持結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其中，主體部分包括紅外線接收系統(tǒng)、警示系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、單片機(jī)及其支持結(jié)構(gòu);發(fā)射器包括人體感應(yīng)系統(tǒng)和紅外線發(fā)射系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以單片機(jī)作為控制與通信的核心，由單片機(jī)處理檢測(cè)信號(hào)，并發(fā)出命令[4]。當(dāng)紅綠燈接入紅燈信號(hào)且人體感應(yīng)系統(tǒng)有感應(yīng)時(shí)，單片機(jī)控制紅外線發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射紅外線掃描;根據(jù)接收情況判斷檢測(cè)情況，確定是否觸發(fā)警示系統(tǒng)。系統(tǒng)整體運(yùn)行流程如圖2所示，系統(tǒng)的工作示意圖如圖3所示。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 紅外線發(fā)射系統(tǒng)

紅外線是介于微波與可見(jiàn)光之間的、肉眼不可見(jiàn)的電磁波。紅外線的不可見(jiàn)性和沿直線傳播的特點(diǎn)使得它成為線檢測(cè)的優(yōu)秀手段。本文中，整體方案以紅外線作為主要的檢測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)電子閘門(mén)設(shè)計(jì)。

本文選用最常用的940 nm波長(zhǎng)紅外線作為閘門(mén)的檢測(cè)方式。

在自然環(huán)境下，光的成分復(fù)雜，易產(chǎn)生干擾，人們需要對(duì)檢測(cè)用紅外線進(jìn)行調(diào)制。NE555時(shí)鐘震蕩芯片能夠產(chǎn)生一定頻率的方波電壓，能夠使負(fù)載按照一定的調(diào)制頻率工作。調(diào)制紅外線的發(fā)射與接收頻率需要保持一致。本文一致采用調(diào)制頻率為38 kHz的紅外線作為掃描方式。

為了實(shí)現(xiàn)紅外線的調(diào)制，人們要構(gòu)建以NE555芯片為核心的電路系統(tǒng)，使其工作時(shí)能夠產(chǎn)生38 kHz的方波，占空比以30%～40%為宜。NE555產(chǎn)生的方波周期為：

依據(jù)頻率與占空比設(shè)計(jì)的電路如圖4所示。模擬中顯示的頻率結(jié)果為37.6 kHz，占空比為35.5%，在誤差允許范圍內(nèi)。組裝電路，在輸出端接入與電阻串聯(lián)的紅外線發(fā)射管作為負(fù)載，在控制端與單片機(jī)相連，構(gòu)成整個(gè)紅外發(fā)射系統(tǒng)[5]。

2.2 紅外線接收系統(tǒng)

紅外線接收模塊以紅外線接收管VS1838B為主體。這種接收管體積小，接收角度廣，表面涂有選擇性透光物質(zhì)，只能透過(guò)一定波長(zhǎng)的紅外線，抗干擾能力強(qiáng)。940 nm波長(zhǎng)的紅外線對(duì)其穿透性好。紅外線接收管VS1838B集成了帶通濾波器和放大器，使用方便，只需要構(gòu)建支持電路并連入單片機(jī)即可工作，如圖5所示。

由于帶通濾波器的存在，該接收管只接收38 kHz左右的調(diào)制紅外線，并根據(jù)接收的紅外線信號(hào)強(qiáng)度輸出電壓信號(hào)[6]。經(jīng)過(guò)放大，該器件表現(xiàn)的性能十分穩(wěn)定。將元件電源用電容穩(wěn)定，輸出腳與AVR單片機(jī)相連，便可根據(jù)接收的信號(hào)來(lái)判斷是否有物體遮擋。

2.3 人體感應(yīng)系統(tǒng)

本文選用HC-SR505微型人體感應(yīng)模塊作為人體感應(yīng)系統(tǒng)。這種模塊體積小，功耗低，工作電壓足夠低，能夠自動(dòng)觸發(fā)，重復(fù)觸發(fā)，符合設(shè)計(jì)需求。

系統(tǒng)核心為紅外熱釋電傳感器探頭。紅外熱釋電傳感器有紅外線濾光片，僅可透過(guò)一定波長(zhǎng)的紅外線，透過(guò)的紅外線會(huì)對(duì)熱釋電材料加熱，使其表面的電荷增加，產(chǎn)生電子，形成電流[7]。紅外熱釋電傳感器可以探測(cè)一定范圍內(nèi)紅外輻射量的變化，能夠檢測(cè)人體移動(dòng)，常用于自動(dòng)感應(yīng)門(mén)等需要感應(yīng)人體的裝置。有人經(jīng)過(guò)時(shí)，紅外熱釋電傳感器會(huì)釋放微弱的電流。傳感器探頭外裝有菲涅爾透鏡，用于聚焦紅外線，增強(qiáng)紅外線的變化，使其更易檢測(cè)[8]。

傳感器探頭輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)集成運(yùn)放的多級(jí)放大，無(wú)人時(shí)輸出0 V，檢測(cè)到人時(shí)輸出3.3 V的電壓。由于ATmega128單片機(jī)的輸入口電壓要求保持在3.6～5.0 V，因此在HC-SR505微型人體感應(yīng)模塊輸出端后面再加一個(gè)放大器，將電信號(hào)輸出到單片機(jī)，完成識(shí)別。人體感應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

除了對(duì)人體進(jìn)行檢測(cè)，提高準(zhǔn)確度，人體感應(yīng)系統(tǒng)還需要控制整個(gè)電子閘的工作狀態(tài)。一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到人時(shí)，要控制電子閘待機(jī)。極長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有檢測(cè)到人時(shí)，設(shè)備可能出現(xiàn)故障，要向上位機(jī)反應(yīng)。

2.4 警示系統(tǒng)

警示系統(tǒng)主要用于給違規(guī)者警示。在確定有非機(jī)動(dòng)車(chē)違規(guī)后，警示系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)聲和提醒聲，并閃爍警燈。聲光警報(bào)能夠有效地吸引非機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛?cè)思爸苓吶说淖⒁?，提高安全性[9-10]。警示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由蜂鳴器和LED警燈組成。它們通過(guò)繼電器接入單片機(jī)，由單片機(jī)控制工作。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

為了保證本設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與可靠性，設(shè)計(jì)人員對(duì)非機(jī)動(dòng)車(chē)電子閘進(jìn)行了模擬環(huán)境試驗(yàn)，將電路焊接組裝，并模擬各種情況。組裝完成的系統(tǒng)如圖7所示。

本設(shè)計(jì)利用按鍵模擬紅綠燈信號(hào)，紅燈時(shí)上4顆LED燈亮起;警示系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，數(shù)字顯示器顯示“555”，下4顆LED燈亮起;若不滿足警示狀態(tài)，則顯示“000”。試驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。

通過(guò)對(duì)非機(jī)動(dòng)車(chē)電子警示閘的仿真測(cè)試，本研究驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與可靠性，其能夠識(shí)別非機(jī)動(dòng)車(chē)的越線情況并予以警報(bào)，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

3 結(jié)論

針對(duì)非機(jī)動(dòng)車(chē)路口越線亂象，本文設(shè)計(jì)了基于ATmega128單片機(jī)的非機(jī)動(dòng)車(chē)電子警示閘。本設(shè)計(jì)利用紅外線來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的檢測(cè)和對(duì)非機(jī)動(dòng)車(chē)位置的檢測(cè)，再對(duì)違規(guī)者予以警示，能夠緩解非機(jī)動(dòng)車(chē)亂象，規(guī)范騎行者的行為，維護(hù)道路安全。此外，本設(shè)計(jì)雖然是針對(duì)非機(jī)動(dòng)車(chē)的設(shè)計(jì)，但在一些場(chǎng)景下對(duì)于行人也同樣適用。在一些固定寬度的通道，如排隊(duì)窗口，其對(duì)于控制人流也有效果。因此，這種電子警示閘的應(yīng)用前景廣闊。

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