障礙物主動(dòng)報(bào)警器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

呂 亮 李鵑偉

（上海地鐵維護(hù)保障有限公司車輛分公司，上海 200232）

0 引言

道路、橋梁及交通設(shè)備經(jīng)常需要維修保養(yǎng)，例如地鐵電梯等，經(jīng)常要在公共場合隔離維修，有時(shí)很多建材要臨時(shí)堆放在路邊。而由于現(xiàn)在人們的生活節(jié)奏快，做事爭分奪秒，很多人在走路時(shí)看書、看手機(jī)，如果在其行走的路線上有障礙物就會(huì)非常危險(xiǎn)。正是由于這個(gè)原因，我們探討設(shè)計(jì)出一個(gè)障礙物主動(dòng)報(bào)警器。當(dāng)人們距障礙物過近時(shí)，主動(dòng)警告人們障礙物的存在。下面將具體對設(shè)計(jì)方案及可實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行介紹。

1 方案設(shè)計(jì)

研究該種障礙物主動(dòng)報(bào)警器的目的就是用其來檢測人員或物體與障礙物的距離，進(jìn)而語音提醒人員與障礙物的安全距離，以此來保障行人的安全。由于環(huán)境不同，所以要求的安全距離也不同，可以跟據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，或?qū)⒛辰嵌鹊奶綔y器關(guān)閉。

首先，我們研究的設(shè)備要能探測人和物體，所以設(shè)備組成肯定要有距離探測元件。其次，要對探測到的信號進(jìn)行收集和處理，所以設(shè)備要有一個(gè)中央控制器單元，進(jìn)行信號的輸入、輸出處理。夜間警示燈要自動(dòng)亮起，所以設(shè)備還需要有感光元件及警示燈。最后我們還需要語音模塊，能夠儲(chǔ)存語音內(nèi)容，可以被中央控制單元控制，可以發(fā)出各種不同的報(bào)警語音。最后報(bào)警器還要有聲音播報(bào)能力的揚(yáng)聲器（喇叭）。

障礙物主動(dòng)報(bào)警器由一個(gè)中央控制單元（MCU）、4 個(gè)距離探測器（4 個(gè)方向360°）、1 個(gè)語音模塊、1 個(gè)感光器及夜間警示燈組成。

1.1 設(shè)備選材討論

障礙物主動(dòng)報(bào)警器為了能實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)目的，我們需要使用一些電子元件來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的功能。

首先，要選擇設(shè)備的中央控制器MCU，PLC 或單片機(jī)因其控制能力優(yōu)秀都可以被選用，但結(jié)合元件的大小、價(jià)格、耗能方面的因素，單片機(jī)優(yōu)勢明顯，所以決定采用AVR單片機(jī)作為設(shè)備的MCU[1]。

其次，電源的選取，因?yàn)槭褂脝纹瑱C(jī)作為中央控制器，所以采用5 V 可充電電池作為設(shè)備電源。

再次，測距探頭可選用激光測距、雷達(dá)測距、紅外線測距等，由于激光測距探頭使用簡單、精度高、探測距離調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，所以最終設(shè)備采用激光測距方法檢測人員及物體。

最后，還有需要1 個(gè)感光器，控制設(shè)備上的夜晚指示燈及一個(gè)語音提醒模塊等。

1.2 設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)

障礙物主動(dòng)報(bào)警器由5 V 電池、ATMEG16A 單片機(jī)、光電探測模塊、語音模塊、光感模塊，警示燈及一些開關(guān)元件等組成。

該障礙物主動(dòng)報(bào)警器設(shè)計(jì)為4 路，4 個(gè)方向進(jìn)行探測（可跟據(jù)需要設(shè)計(jì)成6 路、8 路）。每路探測距離為0.2 m～1.5 m，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)或著關(guān)閉。在該設(shè)備上裝有光感器，在夜間會(huì)有紅色指示燈亮起，指示障礙物的位置，對人員進(jìn)行警示。

2 工作原理驗(yàn)證及說明

如圖1 所示，其為障礙物主動(dòng)報(bào)警器電路原理圖[2]，按原理圖所示，我們進(jìn)行設(shè)備功能驗(yàn)證與說明。

電路圖元件：U1-單片機(jī)，U2～U5-探測器，U6-電源，U7-感光器，U8-語音模塊，U9-數(shù)據(jù)下載，S1～S4-單路開關(guān)，S5-復(fù)位開關(guān)，C1～C4-為調(diào)探測距離電容，B1-擴(kuò)音器，L1-夜晚警示燈，Q1-PNP 三極管，Y1-12 MHz 晶振。

2.1 電路功能說明

以第1 路探測回路舉例說明其工作原理。在設(shè)備通電后，探測器發(fā)出漫反射信號，當(dāng)有物體進(jìn)入其有效探測距離（調(diào)節(jié)C1 旋鈕，探測可調(diào)距離為0.5 m～1.5 m）后，其會(huì)向單片機(jī)P10 口輸出一路低電平信號，當(dāng)單片機(jī)接收到后會(huì)把P10 ＝0 作為標(biāo)志位，經(jīng)內(nèi)部程序處理，單片機(jī)會(huì)持續(xù)將P23 口置零，向語音模塊輸出一個(gè)低電平觸發(fā)信號，語音模塊接到信號后就會(huì)對外發(fā)出報(bào)警語音（其播報(bào)內(nèi)容可提前設(shè)置在模塊芯片內(nèi)）。

當(dāng)人員或物體離開探測器的有效探測距離后，其向單片機(jī)P10 口輸出的低電平信號消失，單片機(jī)內(nèi)部P10 口電位變成高電平，退出執(zhí)行向P23 口置零的操作，P23 口輸出電平從低電平變?yōu)楦唠娖?，語音模塊的觸發(fā)信號消失，停止語音警報(bào)。同樣其他回路的探測器也是如此工作，當(dāng)探測到物體時(shí)都會(huì)觸發(fā)語音模塊的播報(bào)。

圖1 障礙物主動(dòng)報(bào)警器電路圖

夜間感光模塊（感光度可調(diào)）工作，其輸出低電平信號，使單片機(jī)P22 口置零，當(dāng)單片機(jī)收到P22 ＝0 信號后，會(huì)持續(xù)的向P27 口輸出一個(gè)低電平觸發(fā)信號，使PNP 三極管觸發(fā)導(dǎo)通，這時(shí)紅色指示燈亮。當(dāng)天亮光線好后，P22 口低電平信號消失后，單片機(jī)P27 口的觸發(fā)信號也消失，指示燈熄滅[3]。

2.2 小結(jié)

通過硬件設(shè)計(jì)，電路圖驗(yàn)證，障礙物主動(dòng)報(bào)警器可以達(dá)到其設(shè)計(jì)功能，可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)設(shè)備檢測到人員、物體靠近時(shí)會(huì)主動(dòng)發(fā)出語音報(bào)警的設(shè)計(jì)目的。運(yùn)用AVR Studio 軟件進(jìn)行單片機(jī)的程序編寫，用看門狗程序來增加程序的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

障礙物主動(dòng)報(bào)警器自帶電源，元器件全部集成在箱體內(nèi)，可隨意移動(dòng)、多角度探測。使用單片機(jī)進(jìn)行編程控制，可以關(guān)閉不需要探測方向的探頭。使用起來非常靈活，可跟據(jù)具體地理情況對設(shè)備進(jìn)行方向及探測距離的設(shè)定。其可放置在障礙物內(nèi)或面上，設(shè)備小巧，可以和障礙物融為一體，在人或物接近到障礙物危險(xiǎn)距離時(shí)主動(dòng)向人或物報(bào)警。

障礙物主動(dòng)報(bào)警器，是障礙物主動(dòng)探測報(bào)警，主動(dòng)向行人及物體報(bào)警。與以往障礙物的被動(dòng)、被探測有本質(zhì)區(qū)別，這在安全運(yùn)用上是一個(gè)創(chuàng)新，由一慣的被動(dòng)變主動(dòng)提示報(bào)警來保證人員及物品安全。

圖1 為障礙物主動(dòng)報(bào)警器樣圖，是運(yùn)用單片機(jī)來集中控制測距模塊、光感模塊、語音模塊，是一個(gè)新的技術(shù)嘗試和運(yùn)用，是一次新的實(shí)踐和技術(shù)上的運(yùn)用。

障礙物主動(dòng)報(bào)警器特別適用于公共場所的施工及物品的臨時(shí)堆放處，以及道路、橋梁、交通設(shè)備需要維修保養(yǎng)處。例如地鐵電梯，經(jīng)常要在公共場合隔離維修，工地很多建材要臨時(shí)堆放在路邊，經(jīng)常由于防護(hù)不到位及人員本身疏忽等原因，造成人身傷害，有了障礙物主動(dòng)報(bào)警器可以有效減少人身傷害事故的發(fā)生。