公交車(chē)車(chē)門(mén)防夾系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

孫悅超 李曼 楊雯鈴

摘 要：為實(shí)現(xiàn)通過(guò)聲音提醒和控制車(chē)門(mén)自動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)達(dá)到車(chē)門(mén)對(duì)乘客防夾的目的，以單片機(jī)AT89C52為控制模塊、語(yǔ)音芯片ISD1700及蜂鳴器、指示燈作為語(yǔ)音提醒和報(bào)警裝置、紅外線傳感器為檢測(cè)裝置、以繼電器、電磁閥作為控制車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)裝置來(lái)設(shè)計(jì)公交車(chē)車(chē)門(mén)防夾系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以使公交車(chē)車(chē)門(mén)處，在有人或物的情況下既能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音報(bào)警提醒駕駛員和乘客，又能及時(shí)自動(dòng)地打開(kāi)車(chē)門(mén)，防止夾到乘客或者物體，確保乘客出行的安全。

關(guān)鍵詞：車(chē)門(mén)防夾;傳感器;報(bào)警系統(tǒng);語(yǔ)音提醒

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.9 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）06-43-04

Abstract： In order to achieve the purpose of door-to-passenger anti-clamping through sound warning and control door automatic switch， the AT89C52 of single chip microcomputer as control module， voice chip ISD1700 and buzzer， indicator lamp as voice warning and alarm device， infrared sensor as detection device， relay， solenoid valve as control door switch device to design bus door anti-clamping system. The system can make the bus door， in the case of people or things can not only achieve voice alarm to remind drivers and passengers， but also can automatically open the door in time to prevent clamping passengers or objects， to ensure the safety of passengers travel.

Keywords： Door anti-clamp; Sensor; Alarm system; Voice alert

CLC NO.： U463.9 ?Document Code：A ?Article ID： 1671-7988（2020）06-43-04

前言

由于城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，目前很多城市道路交通網(wǎng)負(fù)荷嚴(yán)重。公交車(chē)作為一種廣泛使用、價(jià)格實(shí)惠、實(shí)用性強(qiáng)的交通工具，越來(lái)越多的人將公交車(chē)作為出門(mén)首選工具。為避免公交車(chē)門(mén)在關(guān)閉或開(kāi)啟時(shí)夾傷乘客，目前的公交車(chē)門(mén)處通過(guò)加裝攝像頭，方便司機(jī)觀察車(chē)門(mén)處是否有人，但若在乘客擁擠的情況下，可能存在司機(jī)無(wú)法從攝像頭中看清車(chē)門(mén)處的情況，給駕駛員帶來(lái)不便，為此常設(shè)有車(chē)門(mén)防夾裝置[1]。

目前大多數(shù)車(chē)門(mén)防夾裝置是通過(guò)安裝在車(chē)門(mén)邊沿處的傳感器來(lái)檢測(cè)車(chē)門(mén)是否夾到人或物，當(dāng)傳感器一旦檢測(cè)到車(chē)門(mén)夾到人或物時(shí)，就會(huì)向控制器發(fā)送信號(hào)，控制器再控制車(chē)門(mén)再次打開(kāi)或者關(guān)閉，以達(dá)到安全防護(hù)的效果。但是，上述防夾裝置在開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)，較容易發(fā)生夾傷在車(chē)門(mén)處附近的乘客。因此，通過(guò)在車(chē)門(mén)關(guān)閉前設(shè)計(jì)語(yǔ)音提醒乘客，并且在紅外線傳感器的檢測(cè)下先確保車(chē)門(mén)處無(wú)人或物后再進(jìn)行關(guān)門(mén)操作，可以有效防止乘客被夾傷[2]。所以本文的設(shè)計(jì)思路是通過(guò)聲音提醒乘客及駕駛員和自動(dòng)控制車(chē)門(mén)的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)防夾功能。以單片機(jī)AT89C52為控制模塊、語(yǔ)音芯片ISD1700及蜂鳴器、指示燈作為語(yǔ)音提醒和報(bào)警裝置、紅外線傳感器為檢測(cè)裝置、以繼電器、電磁閥作為控制車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)裝置。當(dāng)乘客或物品被夾，使車(chē)門(mén)處在有物體的情況下不僅能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音報(bào)警提醒駕駛員和乘客，而且能及時(shí)自動(dòng)地打開(kāi)車(chē)門(mén)，以防夾到乘客或者物體。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 防夾系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該系統(tǒng)由紅外傳感器檢測(cè)車(chē)門(mén)處是否有障礙，將AT89C52單片機(jī)作為防夾裝置的控制核心，控制語(yǔ)音播報(bào)、蜂鳴器、指示燈、延時(shí)繼電器的工作。由關(guān)門(mén)鍵、紅外傳感器、電源作為輸入，單片機(jī)作為中間處理器，語(yǔ)音播報(bào)、指示燈、蜂鳴器、延時(shí)繼電器、電磁閥作為輸出。當(dāng)司機(jī)按下關(guān)門(mén)鍵時(shí)，關(guān)門(mén)鍵作為輸入端，通電觸發(fā)語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)開(kāi)始播放錄音，其中語(yǔ)音芯片播報(bào)語(yǔ)音內(nèi)容由單片機(jī)AT89C52控制輸出。在語(yǔ)音播報(bào)的同時(shí)，紅外傳感器開(kāi)始工作，紅外傳感器檢測(cè)信號(hào)作為輸入，檢測(cè)車(chē)門(mén)處是否有人或物等障礙，接著將信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)AT89C52處，單片機(jī)對(duì)紅外傳感器傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)檢測(cè)情況分別輸出到延時(shí)繼電器和蜂鳴器、指示燈處[3]。若判斷出車(chē)門(mén)處有人或物等障礙，單片機(jī)控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)（嘀—）和指示燈亮起;若判斷出車(chē)門(mén)無(wú)障礙，則控制蜂鳴器發(fā)出準(zhǔn)備關(guān)門(mén)信號(hào)（嘀-嘀-嘀）以及使車(chē)門(mén)延時(shí)關(guān)閉。

1.2 公交車(chē)門(mén)防夾裝置設(shè)計(jì)工作原理

防夾裝置工作流程如圖2所示，防夾基本原理如下：

當(dāng)駕駛員按下關(guān)閉車(chē)門(mén)按鍵后，觸發(fā)語(yǔ)音芯片開(kāi)始工作，開(kāi)啟語(yǔ)音播報(bào)：“乘客們，車(chē)門(mén)即將關(guān)閉，請(qǐng)不要站在車(chē)門(mén)處，謹(jǐn)防被夾”;

語(yǔ)音播報(bào)的同時(shí)，紅外線傳感器裝置開(kāi)始工作，紅外線傳感器感應(yīng)出車(chē)門(mén)處是否有人或物。

若檢測(cè)到車(chē)門(mén)處無(wú)人或物，延時(shí)繼電器開(kāi)始工作，直接進(jìn)入準(zhǔn)備關(guān)門(mén)信號(hào)，即蜂鳴器間歇性地發(fā)出嘀嘀嘀提醒乘客即將車(chē)門(mén)關(guān)閉，以防乘客再次出現(xiàn)在車(chē)門(mén)處。此時(shí)延時(shí)繼電器延時(shí)斷開(kāi)電磁閥，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)門(mén);

若檢測(cè)到車(chē)門(mén)處有人或物時(shí)，紅外傳感器的發(fā)射器發(fā)出的紅外線和反射回來(lái)的光束其中一個(gè)被擋住時(shí)，即此時(shí)發(fā)射器和接收器之間沒(méi)有信號(hào)交流，接收器接收不到信號(hào)，以至于信號(hào)不能及時(shí)輸出，則存在有障礙信號(hào)，使控制器控制蜂鳴器發(fā)出急促連續(xù)的響聲和指示燈亮起，此時(shí)報(bào)警電路通電，電磁閥不斷開(kāi)，保持車(chē)門(mén)打開(kāi)狀態(tài)，然后直到傳感器檢測(cè)到車(chē)門(mén)處無(wú)障礙時(shí)再進(jìn)行車(chē)門(mén)關(guān)閉的操作。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 紅外傳感器

通過(guò)比較分析，選用型號(hào)為E18-B03N1的紅外傳感器，其電路如圖3;其性能參數(shù)為I<=300mA;Sn=190cm（檢測(cè)距離）[4]?？紤]到公交車(chē)門(mén)均是折疊門(mén)，采用雙光束，發(fā)射器安裝在距離車(chē)門(mén)頂部中心處，另一對(duì)接收器安裝在車(chē)門(mén)底部中心處，當(dāng)其中一個(gè)對(duì)射器之間的信號(hào)被物體遮擋，則電磁閥接通，打開(kāi)門(mén);當(dāng)對(duì)射器信號(hào)均未被遮擋，傳輸信號(hào)，使電磁閥斷開(kāi)，關(guān)閉車(chē)門(mén)。

2.2 延時(shí)繼電器

選用RZF-D斷電延時(shí)繼電器，延時(shí)繼電器控制電磁閥延時(shí)斷開(kāi)電路如圖4所示。當(dāng)KT線圈通電時(shí)，蜂鳴器BZ1開(kāi)始工作，繼電器KT在線圈的作用下，延時(shí)斷開(kāi)，使電磁閥S斷電。防夾是通過(guò)使用常閉延時(shí)斷電繼電器進(jìn)行延時(shí)斷開(kāi)車(chē)門(mén)處電磁閥從而實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)延遲關(guān)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)紅外線傳感器檢測(cè)到車(chē)門(mén)處有人或物時(shí)，電流直接通過(guò)報(bào)警器，此時(shí)電磁閥保持通電，車(chē)門(mén)保持打開(kāi)狀態(tài); 當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)車(chē)門(mén)處無(wú)人或物時(shí)，電流通過(guò)斷電延時(shí)繼電器，使繼電器線圈通電，當(dāng)準(zhǔn)備關(guān)門(mén)信號(hào)（1s）完成后，延時(shí)繼電器常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，切斷通往電磁閥的電流，導(dǎo)致電磁閥斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)關(guān)門(mén)。延時(shí)繼電器延時(shí)時(shí)間為2s。

2.3 單片機(jī)的選用

選取單片機(jī)AT89C52為控制核心，其任務(wù)有兩個(gè)，一是控制語(yǔ)音芯片進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，二是接收紅外傳感器的信號(hào)之后進(jìn)行處理，根據(jù)處理紅外線傳感器的信號(hào)，控制蜂鳴器的頻率實(shí)現(xiàn)報(bào)警和提醒，以及延時(shí)繼電器的工作[5]。

2.4 蜂鳴器

蜂鳴器在系統(tǒng)中一是進(jìn)行報(bào)警信號(hào)的輸出，二是提醒乘客準(zhǔn)備關(guān)門(mén)信號(hào)的輸出[6]。通過(guò)單片機(jī)AT89C52對(duì)蜂鳴器分別進(jìn)行鳴響和發(fā)聲頻率的控制。單片機(jī)控制蜂鳴器、指示燈報(bào)警電路見(jiàn)圖6。其中，蜂鳴器電路由三極管、蜂鳴器組成，電路中使用了單片機(jī)I/O口P3.7來(lái)控制三極管的導(dǎo)通與截止來(lái)實(shí)現(xiàn)蜂鳴器的響聲頻率。

2.5 語(yǔ)音播放系統(tǒng)

選用ISD1700芯片為防夾系統(tǒng)的語(yǔ)音播放模塊。該模塊操作簡(jiǎn)單、工作可靠、聲音優(yōu)質(zhì);其芯片工作電壓為2.4V- 5.5V，最高不可以超過(guò)6V，工作電流為20mA[7]。

以AT89C52單片機(jī)為控制核心，ISD1007語(yǔ)音芯片作為語(yǔ)音信號(hào)輸出。單片機(jī)控制語(yǔ)音芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音的儲(chǔ)存和播放。為了實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)所需的功能，即需要按下語(yǔ)音模塊中的開(kāi)始鍵，啟動(dòng)錄音功能，通過(guò)話筒進(jìn)行錄音，錄音內(nèi)容為“乘客們，車(chē)門(mén)即將關(guān)閉，請(qǐng)不要站在車(chē)門(mén)處，謹(jǐn)防被夾”，待錄音結(jié)束后松開(kāi)按鍵，結(jié)束錄音。此段錄音文件將會(huì)儲(chǔ)存在語(yǔ)音芯片中作為永久的工作音頻，以便于工作上播放。在司機(jī)按下關(guān)門(mén)鍵時(shí)，觸發(fā)語(yǔ)音模塊中PLAY鍵進(jìn)行放音功能，開(kāi)始播放該錄音。

3 仿真設(shè)計(jì)與調(diào)試

3.1 仿真設(shè)計(jì)方案

以Keil uVision4開(kāi)發(fā)環(huán)境為編程平臺(tái)進(jìn)行代碼的編譯和運(yùn)行，并在proteus軟件上進(jìn)行電路仿真，仿真設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖8。以單片機(jī)AT89C52為控制核心，蜂鳴器、指示燈為報(bào)警信號(hào)輸出。由于本設(shè)計(jì)是運(yùn)用紅外線傳感器進(jìn)行檢測(cè)，但考慮到此次為軟件仿真，無(wú)法實(shí)施紅外線傳感器的仿真，故采用開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)模擬紅外線傳感器的狀態(tài)，用液晶顯示屏LM016L來(lái)顯示紅外傳感器的檢測(cè)情況。

3.2 仿真設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

圖9為仿真總電路圖，由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、按鍵模塊、液晶顯示屏LM016L、蜂鳴器、指示燈、三極管、電阻等組成。

在模擬仿真過(guò)程中，紅外傳感器開(kāi)始檢測(cè)車(chē)門(mén)處是否有人或物，若液晶顯示屏顯示“Some one is here”，見(jiàn)圖10 ，此狀態(tài)為紅外傳感器檢測(cè)到車(chē)門(mén)處有人，同時(shí)電路中指示燈開(kāi)始亮起，蜂鳴器發(fā)出連續(xù)響聲，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4 結(jié)束語(yǔ)

該車(chē)門(mén)防夾系統(tǒng)通過(guò)采用紅外線傳感器、單片機(jī)控制模塊、語(yǔ)音芯片、蜂鳴器、報(bào)警指示燈、延時(shí)繼電器這些裝置結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)從語(yǔ)音提醒到實(shí)際車(chē)門(mén)處是否有人來(lái)控制車(chē)門(mén)關(guān)閉，達(dá)到公共汽車(chē)車(chē)門(mén)的防夾功能，確保乘客出行安全。

該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于防夾性能可靠、成本低，防夾功能和結(jié)構(gòu)多樣、全面，使語(yǔ)音提醒和自動(dòng)控制車(chē)門(mén)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)防夾功能。

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