基于單片機控制的紅外人流量感應門系統設計

李澤軒，秦卓鑫

（東莞城市學院，廣東東莞，523419）

0 引言

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

隨著疫情防控的逐漸好轉，出門旅游、就業和探親的人數也會越來越多。高鐵憑借正點率高、安全性好、舒適方便等優勢，已成為人民中遠途出行的首選。以廣州南站為例，2023 年春運期間，累計發送旅客924.8 萬人次，日均客流量超23 萬人次，客流最高峰日達34.9 萬人次。不斷攀升的客流量，對高鐵站的基礎設施提出了新的要求，尤其是進站設施。高鐵乘車的一般流程是：查驗車票進站--安檢--進入候車廳--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。現行的措施是，安檢處入口安排工作人員限制進入安檢的人數（通常每次放行10 人），待安檢完畢繼續放行，多個安檢處并排設置，同時并排設置彎曲的排隊通道，以分隔各個安檢處排隊的人員。由于多個隊伍的并排設置，導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，還要設置多名工作人員疏導旅客，這無疑增加了高鐵站的運行成本。

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

1 系統設計

經過現場勘查，一些人流量較大的高鐵站安檢通道通常都是并排設置，排隊通道彎曲布置。本系統模擬了單個通道的使用情況，系統總設計圖如圖1 所示。其中，光電傳感器分別設置在通道入口、安檢入口、通道出口，用于檢測各點的人數；通道入口處設置有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排隊人數以及安檢人數；安檢入口處設置有步進電機，用于控制門的開關，以限制進入安檢處的人數。

圖1 系統總設計圖

系統結構說明如下：①光電傳感器；②步進電機及門；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。

感應門控制裝置以STC89C52 為核心，具備入口人數檢測、安檢人數檢測、出口人數檢測、液晶顯示參數、報警等功能。系統還加入了WiFi 模塊，實現管理員對系統狀態的實時查看和感應門的遠程控制。本系統采用模塊化設計，分為多個子系統，子系統之間聯動處理數據。系統結構框圖如圖2 所示。

圖2 系統結構框圖

圖3 軟件程序流程圖

圖4 單片機最小系統電路圖

圖5 步進電機連接電路圖

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）步進電機—控制門的開關；（2）報警模塊—聲光報警提示；（3）按鍵—可手動控制門的開關；（4）光電傳感器—記錄通過的人數；（5）LCD 模塊—數據顯示；（6）WiFi 模塊—數據傳輸。

2 硬件設計

（1）STC89C52 單片機：STC89C52 是一個低功耗，高性能的51 內核的CMOS 8 位單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的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、非機械接觸、檢測精度較高等優點，同時，傳感器結構簡單，用于設置時也比較靈活多樣。傳感器安裝于通道的兩側，當檢測物通過時，阻擋光路，即輸出可用于計數的開關信號。

（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，內置8192 個中文漢字、128 個字符。系統通過液晶顯示排隊人數、隊伍擁擠狀況、系統工作狀態等信息，方便用戶實時了解系統工作狀態。

（4）WiFi模塊：ESP8266 WiFi模塊支持標準的IEEE802.11b/g/n 協議，內置完整的TCP/IP 協議棧，可以直接為現有設備添加聯網功能。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。

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

（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，引導旅客合理選擇通道。結合蜂鳴器，在緊急情況下，進行聲光報警，提示旅客快速離開通道。

3 系統軟件

該感應門控制系統的控制單元采用STC89C52 單片機，主程序中完成系統初始化和開始的顯示部分，即進入待機狀態。單片機讀取步進電機、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。然后執行相應的指令，獲取電機轉動的方向、顯示屏寫讀數據的地址、光電傳感器接收和發射信號的狀態；判斷計數數值是否到達設定數值，控制電機開（或關）和入口處紅（或綠）燈亮。最后獲取數值，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，使程序調用和修改方面更為靈活。

4 電路設計

（1）單片機最小系統電路

最小系統由單片機、外部晶振時鐘振蕩電路、復位電路組成。

（2）步進電機驅動電路

ULN2003A 的1～4 號引腳連接單片機的P2.0～P2.3 號引腳，STC89C52 單片機使用這四個引腳向ULN2003 輸入信號，同時ULN2003 的13～16 號引腳與步進電機相連控制驅動步進電機正反轉動。

（3）光電傳感器電路

光電傳感器的發送端有兩個接口，分別接電源正負極，接收端有三個接口分別為電源正負極和輸出端，輸出端分別與單片機的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 號引腳上串聯一個10Ω 的電阻起到限流作用，用于保護和防止電壓過大而燒壞背光燈；液晶第3 號引腳用于調節液晶顯示的比度，連接一個10kΩ電位器接地用于實現對比度的調節；第4 號引腳RS 為液晶控制器數據/命令選擇端，與單片機的P2.5 號引腳相連；液晶第5 號引腳R/W 為讀數據/寫命令選擇端，高電平時為讀數據端、低電平時寫指令端，與單片機的P2.6 號引腳相連；6 號引腳EN 連接單片機P2.7 號引腳；液晶的數據接口7 號至14 號引腳和單片機P0 口連接。

5 系統調試

實驗過程中，對光電傳感器采集數據進行了測試。

（1）入口處調試。入口處設置的光電傳感器，記錄通過通道入口處的人數，如果隊伍中行李較少，排隊較為密集，則在進入通道的人數大于或等于30 人時（人數可根據通道長度進行設置），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）安檢入口處調試。安檢入口設置有電機控制開關門和光電傳感器，安檢出口設置光電傳感器，記錄通過安檢入口和出口的人數，當安檢人數大于或等于10 人時（人數可根據安檢處空間進行設置），控制電機關門。為避免頻繁開關門和保證旅客行李安全，當安檢人數小于2 人時，控制電機開門。

（3）對通道入口、安檢入口和安檢出口人數進行聯動調試，使系統穩定、可靠地運行。

6 結束語

該紅外感應門達到了預期的目標。設置的3 個光電傳感器聯動記數，測量通道入口處和安檢處的排隊人數，并把數據實時顯示出來，以及作出提醒。經過實驗測試，系統也存在部分問題，比如光電傳感器過于靈敏，抖動的物品經過時，可能會導致重復計數，導致誤差。后期可以通過添加多個光電傳感器進行雙重檢測，數據對比之后再進行計數，可以消除此誤差。

該系統無須人工干預即能實現人員疏散和引導、通道開關、數據顯示等功能。并且系統加入了WiFi 模塊，數據實時上傳到控制端，管理人員可實時查看系統狀態，并在必要時對相關功能進行控制。本系統實用價值高、結構簡單、應用靈活，擁有較好的應用前景。