基于單片機(jī)控制的紅外人流量感應(yīng)門系統(tǒng)設(shè)計

李澤軒，秦卓鑫

（東莞城市學(xué)院，廣東東莞，523419）

0 引言

高鐵的迅速發(fā)展不僅改變了人民的生活模式、出行習(xí)慣，而且為區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展注入了巨大的推動力。隨著高鐵提速，高鐵生活圈的出現(xiàn)，人民對高鐵出行的需求越來越高。據(jù)交通運輸部門統(tǒng)計，2023 年春運期間全國鐵路累計發(fā)送旅客3.48 億人次，同比增加9473 萬人次、增長37.4%，日均發(fā)送870 萬人次，恢復(fù)至2019 年的85.5%，其中有11 天單日旅客發(fā)送量超千萬。2023 年是過去3 年鐵路發(fā)送旅客最高的一年，也是歷史上鐵路春運客運量第四高。自2017 年鐵路春運發(fā)送旅客突破3.5 億人次后，歷年春運客運量均呈上漲態(tài)勢，至2019 年突破4 億人次，達(dá)到4.1 億人次。

隨著疫情防控的逐漸好轉(zhuǎn)，出門旅游、就業(yè)和探親的人數(shù)也會越來越多。高鐵憑借正點率高、安全性好、舒適方便等優(yōu)勢，已成為人民中遠(yuǎn)途出行的首選。以廣州南站為例，2023 年春運期間，累計發(fā)送旅客924.8 萬人次，日均客流量超23 萬人次，客流最高峰日達(dá)34.9 萬人次。不斷攀升的客流量，對高鐵站的基礎(chǔ)設(shè)施提出了新的要求，尤其是進(jìn)站設(shè)施。高鐵乘車的一般流程是：查驗車票進(jìn)站--安檢--進(jìn)入候車廳--檢票上車。通常情況下，安檢處是人員最為密集的地方，排隊隊伍也是最長，走動最慢的。現(xiàn)行的措施是，安檢處入口安排工作人員限制進(jìn)入安檢的人數(shù)（通常每次放行10 人），待安檢完畢繼續(xù)放行，多個安檢處并排設(shè)置，同時并排設(shè)置彎曲的排隊通道，以分隔各個安檢處排隊的人員。由于多個隊伍的并排設(shè)置，導(dǎo)致無法快速地分辨出隊伍較短的通道，旅客往往無法合理選擇最快速的通道，降低了通道的通行效率。在此排隊通道的入口處，還要設(shè)置多名工作人員疏導(dǎo)旅客，這無疑增加了高鐵站的運行成本。

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)了統(tǒng)計人數(shù)和測量隊伍的長度，完成對門的自動控制，并能做出相應(yīng)的提示，并實時顯示系統(tǒng)參數(shù)和排隊人數(shù)。減少安檢通道的人為干預(yù)，提升通行效率和合理疏散人群。

1 系統(tǒng)設(shè)計

經(jīng)過現(xiàn)場勘查，一些人流量較大的高鐵站安檢通道通常都是并排設(shè)置，排隊通道彎曲布置。本系統(tǒng)模擬了單個通道的使用情況，系統(tǒng)總設(shè)計圖如圖1 所示。其中，光電傳感器分別設(shè)置在通道入口、安檢入口、通道出口，用于檢測各點的人數(shù)；通道入口處設(shè)置有LED 燈（紅色和綠色）和顯示屏，用于提示通道的擁擠狀況和顯示通道內(nèi)排隊人數(shù)以及安檢人數(shù)；安檢入口處設(shè)置有步進(jìn)電機(jī)，用于控制門的開關(guān)，以限制進(jìn)入安檢處的人數(shù)。

圖1 系統(tǒng)總設(shè)計圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明如下：①光電傳感器；②步進(jìn)電機(jī)及門；③顯示屏及指示燈；④通道入口；⑤安檢等候通道；⑥安檢處；⑦通道出口。

感應(yīng)門控制裝置以STC89C52 為核心，具備入口人數(shù)檢測、安檢人數(shù)檢測、出口人數(shù)檢測、液晶顯示參數(shù)、報警等功能。系統(tǒng)還加入了WiFi 模塊，實現(xiàn)管理員對系統(tǒng)狀態(tài)的實時查看和感應(yīng)門的遠(yuǎn)程控制。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，分為多個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間聯(lián)動處理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 軟件程序流程圖

圖4 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

圖5 步進(jìn)電機(jī)連接電路圖

圖6 光電傳感器連接電路圖

圖7 LCD12864 液晶模塊連接電路圖

各模塊功能如下：（1）步進(jìn)電機(jī)—控制門的開關(guān)；（2）報警模塊—聲光報警提示；（3）按鍵—可手動控制門的開關(guān)；（4）光電傳感器—記錄通過的人數(shù)；（5）LCD 模塊—數(shù)據(jù)顯示；（6）WiFi 模塊—數(shù)據(jù)傳輸。

2 硬件設(shè)計

（1）STC89C52 單片機(jī)：STC89C52 是一個低功耗，高性能的51 內(nèi)核的CMOS 8 位單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容，擁有32 個雙向I/O 口，接口豐富。使用簡單且價格低廉。

（2）紅外光電傳感器：對射型紅外光電傳感器，發(fā)光器和收光器相互分離，可拓寬檢測距離，且檢測速度快、非機(jī)械接觸、檢測精度較高等優(yōu)點，同時，傳感器結(jié)構(gòu)簡單，用于設(shè)置時也比較靈活多樣。傳感器安裝于通道的兩側(cè)，當(dāng)檢測物通過時，阻擋光路，即輸出可用于計數(shù)的開關(guān)信號。

（3）顯示模塊：LCD12864 漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192 個中文漢字、128 個字符。系統(tǒng)通過液晶顯示排隊人數(shù)、隊伍擁擠狀況、系統(tǒng)工作狀態(tài)等信息，方便用戶實時了解系統(tǒng)工作狀態(tài)。

（4）WiFi模塊：ESP8266 WiFi模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11b/g/n 協(xié)議，內(nèi)置完整的TCP/IP 協(xié)議棧，可以直接為現(xiàn)有設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能。該模塊有三種模式，分別是AP、STA、AP+STA，有AP 指令集控制模式，方便使用，傳輸距離較遠(yuǎn)。

（5）步進(jìn)電機(jī)：本系統(tǒng)采用ULN2003A 電機(jī)驅(qū)動，是一款高電壓、大電流達(dá)林頓晶體管陣列，由7 個NPN 達(dá)林頓對組成。選用型號為28BYJ-48 的步進(jìn)電機(jī)，是無刷直流電機(jī)，能以固定的步距角旋轉(zhuǎn)，一般采用200 步完成360 度旋轉(zhuǎn)，即每一步旋轉(zhuǎn)1.8 度。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，即將步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)到任何特定的角度，從而達(dá)到精準(zhǔn)控制感應(yīng)門的開和關(guān)。

（6）報警模塊：使用不同顏色的LED 指示燈，直觀顯示通道的擁擠程度，引導(dǎo)旅客合理選擇通道。結(jié)合蜂鳴器，在緊急情況下，進(jìn)行聲光報警，提示旅客快速離開通道。

3 系統(tǒng)軟件

該感應(yīng)門控制系統(tǒng)的控制單元采用STC89C52 單片機(jī)，主程序中完成系統(tǒng)初始化和開始的顯示部分，即進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。單片機(jī)讀取步進(jìn)電機(jī)、LCD12864 模塊、光電傳感器以及串口信息，判斷串口信息與特定字符是否一致。然后執(zhí)行相應(yīng)的指令，獲取電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向、顯示屏寫讀數(shù)據(jù)的地址、光電傳感器接收和發(fā)射信號的狀態(tài)；判斷計數(shù)數(shù)值是否到達(dá)設(shè)定數(shù)值，控制電機(jī)開（或關(guān)）和入口處紅（或綠）燈亮。最后獲取數(shù)值，寫入LCD12864 顯示出來。控制程序使用編程軟件Keil，C 語言編寫，采用模塊化編寫方法，使程序調(diào)用和修改方面更為靈活。

4 電路設(shè)計

（1）單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

最小系統(tǒng)由單片機(jī)、外部晶振時鐘振蕩電路、復(fù)位電路組成。

（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

ULN2003A 的1～4 號引腳連接單片機(jī)的P2.0～P2.3 號引腳，STC89C52 單片機(jī)使用這四個引腳向ULN2003 輸入信號，同時ULN2003 的13～16 號引腳與步進(jìn)電機(jī)相連控制驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)動。

（3）光電傳感器電路

光電傳感器的發(fā)送端有兩個接口，分別接電源正負(fù)極，接收端有三個接口分別為電源正負(fù)極和輸出端，輸出端分別與單片機(jī)的P3.2、P3.3、P3.4 號引腳相連接。

（4）LCD12864液晶顯示電路

液晶模塊的1、2 號引腳連接電源；19、20 號引腳為背光電源，在19 號引腳上串聯(lián)一個10Ω 的電阻起到限流作用，用于保護(hù)和防止電壓過大而燒壞背光燈；液晶第3 號引腳用于調(diào)節(jié)液晶顯示的比度，連接一個10kΩ電位器接地用于實現(xiàn)對比度的調(diào)節(jié)；第4 號引腳RS 為液晶控制器數(shù)據(jù)/命令選擇端，與單片機(jī)的P2.5 號引腳相連；液晶第5 號引腳R/W 為讀數(shù)據(jù)/寫命令選擇端，高電平時為讀數(shù)據(jù)端、低電平時寫指令端，與單片機(jī)的P2.6 號引腳相連；6 號引腳EN 連接單片機(jī)P2.7 號引腳；液晶的數(shù)據(jù)接口7 號至14 號引腳和單片機(jī)P0 口連接。

5 系統(tǒng)調(diào)試

實驗過程中，對光電傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了測試。

（1）入口處調(diào)試。入口處設(shè)置的光電傳感器，記錄通過通道入口處的人數(shù)，如果隊伍中行李較少，排隊較為密集，則在進(jìn)入通道的人數(shù)大于或等于30 人時（人數(shù)可根據(jù)通道長度進(jìn)行設(shè)置），入口處亮紅燈提示；如果隊伍中行李較多，排隊較為稀疏，人數(shù)小于30，而且入口處檢測到有人停留，則入口處也亮紅燈提示。

（2）安檢入口處調(diào)試。安檢入口設(shè)置有電機(jī)控制開關(guān)門和光電傳感器，安檢出口設(shè)置光電傳感器，記錄通過安檢入口和出口的人數(shù)，當(dāng)安檢人數(shù)大于或等于10 人時（人數(shù)可根據(jù)安檢處空間進(jìn)行設(shè)置），控制電機(jī)關(guān)門。為避免頻繁開關(guān)門和保證旅客行李安全，當(dāng)安檢人數(shù)小于2 人時，控制電機(jī)開門。

（3）對通道入口、安檢入口和安檢出口人數(shù)進(jìn)行聯(lián)動調(diào)試，使系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運行。

6 結(jié)束語

該紅外感應(yīng)門達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。設(shè)置的3 個光電傳感器聯(lián)動記數(shù)，測量通道入口處和安檢處的排隊人數(shù)，并把數(shù)據(jù)實時顯示出來，以及作出提醒。經(jīng)過實驗測試，系統(tǒng)也存在部分問題，比如光電傳感器過于靈敏，抖動的物品經(jīng)過時，可能會導(dǎo)致重復(fù)計數(shù)，導(dǎo)致誤差。后期可以通過添加多個光電傳感器進(jìn)行雙重檢測，數(shù)據(jù)對比之后再進(jìn)行計數(shù)，可以消除此誤差。

該系統(tǒng)無須人工干預(yù)即能實現(xiàn)人員疏散和引導(dǎo)、通道開關(guān)、數(shù)據(jù)顯示等功能。并且系統(tǒng)加入了WiFi 模塊，數(shù)據(jù)實時上傳到控制端，管理人員可實時查看系統(tǒng)狀態(tài)，并在必要時對相關(guān)功能進(jìn)行控制。本系統(tǒng)實用價值高、結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用靈活，擁有較好的應(yīng)用前景。