基于ATmega128单片机的非机动车电子警示闸设计

鹿龙奇 郭林

摘 要：非机动车体积小，自由度高，管理困难，容易引发交通事故;路口处非机动车大量汇集，随意越线乱停，严重危害道路安全。针对非机动车在路口越线的问题，本文设计了一种基于ATmega128单片机的红外检测闸门。这种电子闸门依靠红外线来检测非机动车的位置，能够自动判断非机动车是否越线，管理非机动车。红灯时，若有超线的非机动车，则会给予警示对其提醒，以达到规范行为、保障安全的目的。整个设计由单片机最小系统、红外线发射系统、接收系统、人体检测系统和警示系统组成。设计人员按照电路要求将电子闸门各部分焊接组装起来，然后进行模拟测试，验证了该设计的可行性和准确性。

关键词：非机动车;红外线;交通管理

中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：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

非机动车乱象已经成为危害交通安全的重要因素。非机动车体积小，行驶自由，识别困难，难以有效处罚。非机动车在交叉路口极易发生占道、抢道、闯红绿灯等事件。非机动车洪流会像液体一样扩散，一旦越过停車线，没有隔离阻拦就会散开成一大片[1]。非机动车与右转车辆的矛盾、非机动车与行人的矛盾严重，整治、管理非机动车迫在眉睫[2]。然而，非机动车数量庞大，目前没有一套有效的检测与处罚系统，交通秩序维持依靠自觉、提醒与警示。管理非机动车主要依靠路口交通员。这种管理手段消耗人力资源，且在时间、空间的覆盖率较低。若能够有一套准确、高效的非机动车管理设备，以机器代替人工，则可扩大管理面积，节约劳动力，规范交通出行[3]。本文利用红外线传感器测量非机动车路口压线、过线情况，辅以红外热释电传感器测量人体的位置，精确判断非机动车是否违规，再对违规非机动车予以提醒和警示，以有效治理非机动车路口乱象。

1 系统整体设计方案

系统总体设计框图如图1所示。整个系统分为主体和发射器两个部分，主体部分设计选用AVR单片机ATmega128 MCU作为核心控制芯片。该芯片具有7路8位I/O口，并带有1组模拟输入端口，内存容量大，性能稳定，应用广泛。非机动车电子警示闸主要由人体感应系统、红外线发射系统、红外线接收系统、警示系统和单片机及其支持结构构成。其中，主体部分包括红外线接收系统、警示系统、通信系统、单片机及其支持结构;发射器包括人体感应系统和红外线发射系统。整个系统构成如图1所示。

整个设计结构以单片机作为控制与通信的核心，由单片机处理检测信号，并发出命令[4]。当红绿灯接入红灯信号且人体感应系统有感应时，单片机控制红外线发射系统发射红外线扫描;根据接收情况判断检测情况，确定是否触发警示系统。系统整体运行流程如图2所示，系统的工作示意图如图3所示。

2 硬件结构设计

2.1 红外线发射系统

红外线是介于微波与可见光之间的、肉眼不可见的电磁波。红外线的不可见性和沿直线传播的特点使得它成为线检测的优秀手段。本文中，整体方案以红外线作为主要的检测方式，实现电子闸门设计。

本文选用最常用的940 nm波长红外线作为闸门的检测方式。

在自然环境下，光的成分复杂，易产生干扰，人们需要对检测用红外线进行调制。NE555时钟震荡芯片能够产生一定频率的方波电压，能够使负载按照一定的调制频率工作。调制红外线的发射与接收频率需要保持一致。本文一致采用调制频率为38 kHz的红外线作为扫描方式。

为了实现红外线的调制，人们要构建以NE555芯片为核心的电路系统，使其工作时能够产生38 kHz的方波，占空比以30%～40%为宜。NE555产生的方波周期为：

依据频率与占空比设计的电路如图4所示。模拟中显示的频率结果为37.6 kHz，占空比为35.5%，在误差允许范围内。组装电路，在输出端接入与电阻串联的红外线发射管作为负载，在控制端与单片机相连，构成整个红外发射系统[5]。

2.2 红外线接收系统

红外线接收模块以红外线接收管VS1838B为主体。这种接收管体积小，接收角度广，表面涂有选择性透光物质，只能透过一定波长的红外线，抗干扰能力强。940 nm波长的红外线对其穿透性好。红外线接收管VS1838B集成了带通滤波器和放大器，使用方便，只需要构建支持电路并连入单片机即可工作，如图5所示。

由于带通滤波器的存在，该接收管只接收38 kHz左右的调制红外线，并根据接收的红外线信号强度输出电压信号[6]。经过放大，该器件表现的性能十分稳定。将元件电源用电容稳定，输出脚与AVR单片机相连，便可根据接收的信号来判断是否有物体遮挡。

2.3 人体感应系统

本文选用HC-SR505微型人体感应模块作为人体感应系统。这种模块体积小，功耗低，工作电压足够低，能够自动触发，重复触发，符合设计需求。

系统核心为红外热释电传感器探头。红外热释电传感器有红外线滤光片，仅可透过一定波长的红外线，透过的红外线会对热释电材料加热，使其表面的电荷增加，产生电子，形成电流[7]。红外热释电传感器可以探测一定范围内红外辐射量的变化，能够检测人体移动，常用于自动感应门等需要感应人体的装置。有人经过时，红外热释电传感器会释放微弱的电流。传感器探头外装有菲涅尔透镜，用于聚焦红外线，增强红外线的变化，使其更易检测[8]。

传感器探头输出的电信号经过集成运放的多级放大，无人时输出0 V，检测到人时输出3.3 V的电压。由于ATmega128单片机的输入口电压要求保持在3.6～5.0 V，因此在HC-SR505微型人体感应模块输出端后面再加一个放大器，将电信号输出到单片机，完成识别。人体感应系统的结构如图6所示。

除了对人体进行检测，提高准确度，人体感应系统还需要控制整个电子闸的工作状态。一定时间内没有检测到人时，要控制电子闸待机。极长时间没有检测到人时，设备可能出现故障，要向上位机反应。

2.4 警示系统

警示系统主要用于给违规者警示。在确定有非机动车违规后，警示系统会发出警报声和提醒声，并闪烁警灯。声光警报能够有效地吸引非机动车驾驶人及周边人的注意，提高安全性[9-10]。警示系统结构简单，主要由蜂鸣器和LED警灯组成。它们通过继电器接入单片机，由单片机控制工作。

2.5 试验结果

为了保证本设计的准确性与可靠性，设计人员对非机动车电子闸进行了模拟环境试验，将电路焊接组装，并模拟各种情况。组装完成的系统如图7所示。

本设计利用按键模拟红绿灯信号，红灯时上4颗LED灯亮起;警示系统启动时，数字显示器显示“555”，下4颗LED灯亮起;若不满足警示状态，则显示“000”。试验结果如图8、图9所示。

通过对非机动车电子警示闸的仿真测试，本研究验证了本设计的准确性与可靠性，其能够识别非机动车的越线情况并予以警报，符合设计预期。

3 结论

针对非机动车路口越线乱象，本文設计了基于ATmega128单片机的非机动车电子警示闸。本设计利用红外线来实现对人体的检测和对非机动车位置的检测，再对违规者予以警示，能够缓解非机动车乱象，规范骑行者的行为，维护道路安全。此外，本设计虽然是针对非机动车的设计，但在一些场景下对于行人也同样适用。在一些固定宽度的通道，如排队窗口，其对于控制人流也有效果。因此，这种电子警示闸的应用前景广阔。

参考文献：

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[8]ZHANG S，WANG G，GUO X.Sleep-pose Recognition Based On Pyroelectric Infrared Sensing Technology[C]//2018 13th World Congress on Intelligent Control and Automation （WCICA）.2018.

[9]WU Y，ZHANG C，WANG P.Sound-Light Alarm System for Traffic Based on Human Factors Engineering[C]//2019 4th International Conference on Electromechanical Control Technology and Transportation （ICECTT）.2019.

[10]安玲玲.基于RFID的非机动车管理系统设计[D].泉州：华侨大学，2013：12-13.