基于ATmega128單片機的非機動車電子警示閘設計

鹿龍奇 郭林

摘 要：非機動車體積小，自由度高，管理困難，容易引發(fā)交通事故;路口處非機動車大量匯集，隨意越線亂停，嚴重危害道路安全。針對非機動車在路口越線的問題，本文設計了一種基于ATmega128單片機的紅外檢測閘門。這種電子閘門依靠紅外線來檢測非機動車的位置，能夠自動判斷非機動車是否越線，管理非機動車。紅燈時，若有超線的非機動車，則會給予警示對其提醒，以達到規(guī)范行為、保障安全的目的。整個設計由單片機最小系統(tǒng)、紅外線發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、人體檢測系統(tǒng)和警示系統(tǒng)組成。設計人員按照電路要求將電子閘門各部分焊接組裝起來，然后進行模擬測試，驗證了該設計的可行性和準確性。

關鍵詞：非機動車;紅外線;交通管理

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：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

非機動車亂象已經(jīng)成為危害交通安全的重要因素。非機動車體積小，行駛自由，識別困難，難以有效處罰。非機動車在交叉路口極易發(fā)生占道、搶道、闖紅綠燈等事件。非機動車洪流會像液體一樣擴散，一旦越過停車線，沒有隔離阻攔就會散開成一大片[1]。非機動車與右轉車輛的矛盾、非機動車與行人的矛盾嚴重，整治、管理非機動車迫在眉睫[2]。然而，非機動車數(shù)量龐大，目前沒有一套有效的檢測與處罰系統(tǒng)，交通秩序維持依靠自覺、提醒與警示。管理非機動車主要依靠路口交通員。這種管理手段消耗人力資源，且在時間、空間的覆蓋率較低。若能夠有一套準確、高效的非機動車管理設備，以機器代替人工，則可擴大管理面積，節(jié)約勞動力，規(guī)范交通出行[3]。本文利用紅外線傳感器測量非機動車路口壓線、過線情況，輔以紅外熱釋電傳感器測量人體的位置，精確判斷非機動車是否違規(guī)，再對違規(guī)非機動車予以提醒和警示，以有效治理非機動車路口亂象。

1 系統(tǒng)整體設計方案

系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)分為主體和發(fā)射器兩個部分，主體部分設計選用AVR單片機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，應用廣泛。非機動車電子警示閘主要由人體感應系統(tǒng)、紅外線發(fā)射系統(tǒng)、紅外線接收系統(tǒng)、警示系統(tǒng)和單片機及其支持結構構成。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)、單片機及其支持結構;發(fā)射器包括人體感應系統(tǒng)和紅外線發(fā)射系統(tǒng)。整個系統(tǒng)構成如圖1所示。

整個設計結構以單片機作為控制與通信的核心，由單片機處理檢測信號，并發(fā)出命令[4]。當紅綠燈接入紅燈信號且人體感應系統(tǒng)有感應時，單片機控制紅外線發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射紅外線掃描;根據(jù)接收情況判斷檢測情況，確定是否觸發(fā)警示系統(tǒng)。系統(tǒng)整體運行流程如圖2所示，系統(tǒng)的工作示意圖如圖3所示。

2 硬件結構設計

2.1 紅外線發(fā)射系統(tǒng)

紅外線是介于微波與可見光之間的、肉眼不可見的電磁波。紅外線的不可見性和沿直線傳播的特點使得它成為線檢測的優(yōu)秀手段。本文中，整體方案以紅外線作為主要的檢測方式，實現(xiàn)電子閘門設計。

本文選用最常用的940 nm波長紅外線作為閘門的檢測方式。

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

為了實現(xiàn)紅外線的調制，人們要構建以NE555芯片為核心的電路系統(tǒng)，使其工作時能夠產(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)頻率與占空比設計的電路如圖4所示。模擬中顯示的頻率結果為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)射管作為負載，在控制端與單片機相連，構成整個紅外發(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，只能透過一定波長的紅外線，抗干擾能力強。940 nm波長的紅外線對其穿透性好。紅外線接收管VS1838B集成了帶通濾波器和放大器，使用方便，只需要構建支持電路并連入單片機即可工作，如圖5所示。

由于帶通濾波器的存在，該接收管只接收38 kHz左右的調制紅外線，并根據(jù)接收的紅外線信號強度輸出電壓信號[6]。經(jīng)過放大，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單片機相連，便可根據(jù)接收的信號來判斷是否有物體遮擋。

2.3 人體感應系統(tǒng)

本文選用HC-SR505微型人體感應模塊作為人體感應系統(tǒng)。這種模塊體積小，功耗低，工作電壓足夠低，能夠自動觸發(fā)，重復觸發(fā)，符合設計需求。

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，僅可透過一定波長的紅外線，透過的紅外線會對熱釋電材料加熱，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一定范圍內(nèi)紅外輻射量的變化，能夠檢測人體移動，常用于自動感應門等需要感應人體的裝置。有人經(jīng)過時，紅外熱釋電傳感器會釋放微弱的電流。傳感器探頭外裝有菲涅爾透鏡，用于聚焦紅外線，增強紅外線的變化，使其更易檢測[8]。

傳感器探頭輸出的電信號經(jīng)過集成運放的多級放大，無人時輸出0 V，檢測到人時輸出3.3 V的電壓。由于ATmega128單片機的輸入口電壓要求保持在3.6～5.0 V，因此在HC-SR505微型人體感應模塊輸出端后面再加一個放大器，將電信號輸出到單片機，完成識別。人體感應系統(tǒng)的結構如圖6所示。

除了對人體進行檢測，提高準確度，人體感應系統(tǒng)還需要控制整個電子閘的工作狀態(tài)。一定時間內(nèi)沒有檢測到人時，要控制電子閘待機。極長時間沒有檢測到人時，設備可能出現(xiàn)故障，要向上位機反應。

2.4 警示系統(tǒng)

警示系統(tǒng)主要用于給違規(guī)者警示。在確定有非機動車違規(guī)后，警示系統(tǒng)會發(fā)出警報聲和提醒聲，并閃爍警燈。聲光警報能夠有效地吸引非機動車駕駛人及周邊人的注意，提高安全性[9-10]。警示系統(tǒng)結構簡單，主要由蜂鳴器和LED警燈組成。它們通過繼電器接入單片機，由單片機控制工作。

2.5 試驗結果

為了保證本設計的準確性與可靠性，設計人員對非機動車電子閘進行了模擬環(huán)境試驗，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。

本設計利用按鍵模擬紅綠燈信號，紅燈時上4顆LED燈亮起;警示系統(tǒng)啟動時，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”。試驗結果如圖8、圖9所示。

通過對非機動車電子警示閘的仿真測試，本研究驗證了本設計的準確性與可靠性，其能夠識別非機動車的越線情況并予以警報，符合設計預期。

3 結論

針對非機動車路口越線亂象，本文設計了基于ATmega128單片機的非機動車電子警示閘。本設計利用紅外線來實現(xiàn)對人體的檢測和對非機動車位置的檢測，再對違規(guī)者予以警示，能夠緩解非機動車亂象，規(guī)范騎行者的行為，維護道路安全。此外，本設計雖然是針對非機動車的設計，但在一些場景下對于行人也同樣適用。在一些固定寬度的通道，如排隊窗口，其對于控制人流也有效果。因此，這種電子警示閘的應用前景廣闊。

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