基于单片机控制的红外人流量感应门系统设计

李泽轩，秦卓鑫

（东莞城市学院，广东东莞，523419）

0 引言

高铁的迅速发展不仅改变了人民的生活模式、出行习惯，而且为区域经济的发展注入了巨大的推动力。随着高铁提速，高铁生活圈的出现，人民对高铁出行的需求越来越高。据交通运输部门统计，2023 年春运期间全国铁路累计发送旅客3.48 亿人次，同比增加9473 万人次、增长37.4%，日均发送870 万人次，恢复至2019 年的85.5%，其中有11 天单日旅客发送量超千万。2023 年是过去3 年铁路发送旅客最高的一年，也是历史上铁路春运客运量第四高。自2017 年铁路春运发送旅客突破3.5 亿人次后，历年春运客运量均呈上涨态势，至2019 年突破4 亿人次，达到4.1 亿人次。

随着疫情防控的逐渐好转，出门旅游、就业和探亲的人数也会越来越多。高铁凭借正点率高、安全性好、舒适方便等优势，已成为人民中远途出行的首选。以广州南站为例，2023 年春运期间，累计发送旅客924.8 万人次，日均客流量超23 万人次，客流最高峰日达34.9 万人次。不断攀升的客流量，对高铁站的基础设施提出了新的要求，尤其是进站设施。高铁乘车的一般流程是：查验车票进站--安检--进入候车厅--检票上车。通常情况下，安检处是人员最为密集的地方，排队队伍也是最长，走动最慢的。现行的措施是，安检处入口安排工作人员限制进入安检的人数（通常每次放行10 人），待安检完毕继续放行，多个安检处并排设置，同时并排设置弯曲的排队通道，以分隔各个安检处排队的人员。由于多个队伍的并排设置，导致无法快速地分辨出队伍较短的通道，旅客往往无法合理选择最快速的通道，降低了通道的通行效率。在此排队通道的入口处，还要设置多名工作人员疏导旅客，这无疑增加了高铁站的运行成本。

本系统主要实现了统计人数和测量队伍的长度，完成对门的自动控制，并能做出相应的提示，并实时显示系统参数和排队人数。减少安检通道的人为干预，提升通行效率和合理疏散人群。

1 系统设计

经过现场勘查，一些人流量较大的高铁站安检通道通常都是并排设置，排队通道弯曲布置。本系统模拟了单个通道的使用情况，系统总设计图如图1 所示。其中，光电传感器分别设置在通道入口、安检入口、通道出口，用于检测各点的人数；通道入口处设置有LED 灯（红色和绿色）和显示屏，用于提示通道的拥挤状况和显示通道内排队人数以及安检人数；安检入口处设置有步进电机，用于控制门的开关，以限制进入安检处的人数。

图1 系统总设计图

系统结构说明如下：①光电传感器；②步进电机及门；③显示屏及指示灯；④通道入口；⑤安检等候通道；⑥安检处；⑦通道出口。

感应门控制装置以STC89C52 为核心，具备入口人数检测、安检人数检测、出口人数检测、液晶显示参数、报警等功能。系统还加入了WiFi 模块，实现管理员对系统状态的实时查看和感应门的远程控制。本系统采用模块化设计，分为多个子系统，子系统之间联动处理数据。系统结构框图如图2 所示。

图2 系统结构框图

图3 软件程序流程图

图4 单片机最小系统电路图

图5 步进电机连接电路图

图6 光电传感器连接电路图

图7 LCD12864 液晶模块连接电路图

各模块功能如下：（1）步进电机—控制门的开关；（2）报警模块—声光报警提示；（3）按键—可手动控制门的开关；（4）光电传感器—记录通过的人数；（5）LCD 模块—数据显示；（6）WiFi 模块—数据传输。

2 硬件设计

（1）STC89C52 单片机：STC89C52 是一个低功耗，高性能的51 内核的CMOS 8 位单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，拥有32 个双向I/O 口，接口丰富。使用简单且价格低廉。

（2）红外光电传感器：对射型红外光电传感器，发光器和收光器相互分离，可拓宽检测距离，且检测速度快、非机械接触、检测精度较高等优点，同时，传感器结构简单，用于设置时也比较灵活多样。传感器安装于通道的两侧，当检测物通过时，阻挡光路，即输出可用于计数的开关信号。

（3）显示模块：LCD12864 汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192 个中文汉字、128 个字符。系统通过液晶显示排队人数、队伍拥挤状况、系统工作状态等信息，方便用户实时了解系统工作状态。

（4）WiFi模块：ESP8266 WiFi模块支持标准的IEEE802.11b/g/n 协议，内置完整的TCP/IP 协议栈，可以直接为现有设备添加联网功能。该模块有三种模式，分别是AP、STA、AP+STA，有AP 指令集控制模式，方便使用，传输距离较远。

（5）步进电机：本系统采用ULN2003A 电机驱动，是一款高电压、大电流达林顿晶体管阵列，由7 个NPN 达林顿对组成。选用型号为28BYJ-48 的步进电机，是无刷直流电机，能以固定的步距角旋转，一般采用200 步完成360 度旋转，即每一步旋转1.8 度。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，即将步进电机旋转到任何特定的角度，从而达到精准控制感应门的开和关。

（6）报警模块：使用不同颜色的LED 指示灯，直观显示通道的拥挤程度，引导旅客合理选择通道。结合蜂鸣器，在紧急情况下，进行声光报警，提示旅客快速离开通道。

3 系统软件

该感应门控制系统的控制单元采用STC89C52 单片机，主程序中完成系统初始化和开始的显示部分，即进入待机状态。单片机读取步进电机、LCD12864 模块、光电传感器以及串口信息，判断串口信息与特定字符是否一致。然后执行相应的指令，获取电机转动的方向、显示屏写读数据的地址、光电传感器接收和发射信号的状态；判断计数数值是否到达设定数值，控制电机开（或关）和入口处红（或绿）灯亮。最后获取数值，写入LCD12864 显示出来。控制程序使用编程软件Keil，C 语言编写，采用模块化编写方法，使程序调用和修改方面更为灵活。

4 电路设计

（1）单片机最小系统电路

最小系统由单片机、外部晶振时钟振荡电路、复位电路组成。

（2）步进电机驱动电路

ULN2003A 的1～4 号引脚连接单片机的P2.0～P2.3 号引脚，STC89C52 单片机使用这四个引脚向ULN2003 输入信号，同时ULN2003 的13～16 号引脚与步进电机相连控制驱动步进电机正反转动。

（3）光电传感器电路

光电传感器的发送端有两个接口，分别接电源正负极，接收端有三个接口分别为电源正负极和输出端，输出端分别与单片机的P3.2、P3.3、P3.4 号引脚相连接。

（4）LCD12864液晶显示电路

液晶模块的1、2 号引脚连接电源；19、20 号引脚为背光电源，在19 号引脚上串联一个10Ω 的电阻起到限流作用，用于保护和防止电压过大而烧坏背光灯；液晶第3 号引脚用于调节液晶显示的比度，连接一个10kΩ电位器接地用于实现对比度的调节；第4 号引脚RS 为液晶控制器数据/命令选择端，与单片机的P2.5 号引脚相连；液晶第5 号引脚R/W 为读数据/写命令选择端，高电平时为读数据端、低电平时写指令端，与单片机的P2.6 号引脚相连；6 号引脚EN 连接单片机P2.7 号引脚；液晶的数据接口7 号至14 号引脚和单片机P0 口连接。

5 系统调试

实验过程中，对光电传感器采集数据进行了测试。

（1）入口处调试。入口处设置的光电传感器，记录通过通道入口处的人数，如果队伍中行李较少，排队较为密集，则在进入通道的人数大于或等于30 人时（人数可根据通道长度进行设置），入口处亮红灯提示；如果队伍中行李较多，排队较为稀疏，人数小于30，而且入口处检测到有人停留，则入口处也亮红灯提示。

（2）安检入口处调试。安检入口设置有电机控制开关门和光电传感器，安检出口设置光电传感器，记录通过安检入口和出口的人数，当安检人数大于或等于10 人时（人数可根据安检处空间进行设置），控制电机关门。为避免频繁开关门和保证旅客行李安全，当安检人数小于2 人时，控制电机开门。

（3）对通道入口、安检入口和安检出口人数进行联动调试，使系统稳定、可靠地运行。

6 结束语

该红外感应门达到了预期的目标。设置的3 个光电传感器联动记数，测量通道入口处和安检处的排队人数，并把数据实时显示出来，以及作出提醒。经过实验测试，系统也存在部分问题，比如光电传感器过于灵敏，抖动的物品经过时，可能会导致重复计数，导致误差。后期可以通过添加多个光电传感器进行双重检测，数据对比之后再进行计数，可以消除此误差。

该系统无须人工干预即能实现人员疏散和引导、通道开关、数据显示等功能。并且系统加入了WiFi 模块，数据实时上传到控制端，管理人员可实时查看系统状态，并在必要时对相关功能进行控制。本系统实用价值高、结构简单、应用灵活，拥有较好的应用前景。