障碍物主动报警器的设计与应用

吕 亮 李鹃伟

（上海地铁维护保障有限公司车辆分公司，上海 200232）

0 引言

道路、桥梁及交通设备经常需要维修保养，例如地铁电梯等，经常要在公共场合隔离维修，有时很多建材要临时堆放在路边。而由于现在人们的生活节奏快，做事争分夺秒，很多人在走路时看书、看手机，如果在其行走的路线上有障碍物就会非常危险。正是由于这个原因，我们探讨设计出一个障碍物主动报警器。当人们距障碍物过近时，主动警告人们障碍物的存在。下面将具体对设计方案及可实现的功能进行介绍。

1 方案设计

研究该种障碍物主动报警器的目的就是用其来检测人员或物体与障碍物的距离，进而语音提醒人员与障碍物的安全距离，以此来保障行人的安全。由于环境不同，所以要求的安全距离也不同，可以跟据需要进行调节，或将某角度的探测器关闭。

首先，我们研究的设备要能探测人和物体，所以设备组成肯定要有距离探测元件。其次，要对探测到的信号进行收集和处理，所以设备要有一个中央控制器单元，进行信号的输入、输出处理。夜间警示灯要自动亮起，所以设备还需要有感光元件及警示灯。最后我们还需要语音模块，能够储存语音内容，可以被中央控制单元控制，可以发出各种不同的报警语音。最后报警器还要有声音播报能力的扬声器（喇叭）。

障碍物主动报警器由一个中央控制单元（MCU）、4 个距离探测器（4 个方向360°）、1 个语音模块、1 个感光器及夜间警示灯组成。

1.1 设备选材讨论

障碍物主动报警器为了能实现其设计目的，我们需要使用一些电子元件来实现设备的功能。

首先，要选择设备的中央控制器MCU，PLC 或单片机因其控制能力优秀都可以被选用，但结合元件的大小、价格、耗能方面的因素，单片机优势明显，所以决定采用AVR单片机作为设备的MCU[1]。

其次，电源的选取，因为使用单片机作为中央控制器，所以采用5 V 可充电电池作为设备电源。

再次，测距探头可选用激光测距、雷达测距、红外线测距等，由于激光测距探头使用简单、精度高、探测距离调节方便等优点，所以最终设备采用激光测距方法检测人员及物体。

最后，还有需要1 个感光器，控制设备上的夜晚指示灯及一个语音提醒模块等。

1.2 设备的总体结构

障碍物主动报警器由5 V 电池、ATMEG16A 单片机、光电探测模块、语音模块、光感模块，警示灯及一些开关元件等组成。

该障碍物主动报警器设计为4 路，4 个方向进行探测（可跟据需要设计成6 路、8 路）。每路探测距离为0.2 m～1.5 m，可根据需要调节或着关闭。在该设备上装有光感器，在夜间会有红色指示灯亮起，指示障碍物的位置，对人员进行警示。

2 工作原理验证及说明

如图1 所示，其为障碍物主动报警器电路原理图[2]，按原理图所示，我们进行设备功能验证与说明。

电路图元件：U1-单片机，U2～U5-探测器，U6-电源，U7-感光器，U8-语音模块，U9-数据下载，S1～S4-单路开关，S5-复位开关，C1～C4-为调探测距离电容，B1-扩音器，L1-夜晚警示灯，Q1-PNP 三极管，Y1-12 MHz 晶振。

2.1 电路功能说明

以第1 路探测回路举例说明其工作原理。在设备通电后，探测器发出漫反射信号，当有物体进入其有效探测距离（调节C1 旋钮，探测可调距离为0.5 m～1.5 m）后，其会向单片机P10 口输出一路低电平信号，当单片机接收到后会把P10 ＝0 作为标志位，经内部程序处理，单片机会持续将P23 口置零，向语音模块输出一个低电平触发信号，语音模块接到信号后就会对外发出报警语音（其播报内容可提前设置在模块芯片内）。

当人员或物体离开探测器的有效探测距离后，其向单片机P10 口输出的低电平信号消失，单片机内部P10 口电位变成高电平，退出执行向P23 口置零的操作，P23 口输出电平从低电平变为高电平，语音模块的触发信号消失，停止语音警报。同样其他回路的探测器也是如此工作，当探测到物体时都会触发语音模块的播报。

图1 障碍物主动报警器电路图

夜间感光模块（感光度可调）工作，其输出低电平信号，使单片机P22 口置零，当单片机收到P22 ＝0 信号后，会持续的向P27 口输出一个低电平触发信号，使PNP 三极管触发导通，这时红色指示灯亮。当天亮光线好后，P22 口低电平信号消失后，单片机P27 口的触发信号也消失，指示灯熄灭[3]。

2.2 小结

通过硬件设计，电路图验证，障碍物主动报警器可以达到其设计功能，可以实现当设备检测到人员、物体靠近时会主动发出语音报警的设计目的。运用AVR Studio 软件进行单片机的程序编写，用看门狗程序来增加程序的稳定性。

3 结语

障碍物主动报警器自带电源，元器件全部集成在箱体内，可随意移动、多角度探测。使用单片机进行编程控制，可以关闭不需要探测方向的探头。使用起来非常灵活，可跟据具体地理情况对设备进行方向及探测距离的设定。其可放置在障碍物内或面上，设备小巧，可以和障碍物融为一体，在人或物接近到障碍物危险距离时主动向人或物报警。

障碍物主动报警器，是障碍物主动探测报警，主动向行人及物体报警。与以往障碍物的被动、被探测有本质区别，这在安全运用上是一个创新，由一惯的被动变主动提示报警来保证人员及物品安全。

图1 为障碍物主动报警器样图，是运用单片机来集中控制测距模块、光感模块、语音模块，是一个新的技术尝试和运用，是一次新的实践和技术上的运用。

障碍物主动报警器特别适用于公共场所的施工及物品的临时堆放处，以及道路、桥梁、交通设备需要维修保养处。例如地铁电梯，经常要在公共场合隔离维修，工地很多建材要临时堆放在路边，经常由于防护不到位及人员本身疏忽等原因，造成人身伤害，有了障碍物主动报警器可以有效减少人身伤害事故的发生。