大型场所进出人数自动计数系统设计.docx

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大型场所进出人数自动计数系统设计

摘　要

在大型场所中，往往人流量较大时，为幸免紧急情形发生，需要对进出场所的人数需要进行统计，以把握和操纵人数。

本课题设计了一种某大型场所进出人数自动计数系统，该系统具有设计简单、本钱低廉、安装方便的特点，适合大型场所实现进出人数的自动计数。

本文第一介绍了课题的研究目的及意义，对人数计数系统的应用进行了简要介绍。

对系统的整体设计方案进行了设计，给出了系统硬件电路设计的详细方案，给出了软件设计流程，并对系统调试情形进行了详细论述。

关键词

人数计数系统；光电开关；无线收发模块；串口通信

第一章　绪论

　课题研究目的及意义

某些大型场所人流量较大，若是人数超限，一旦发生紧急情形，将会带来无法估量的损失，如何有效的了解人员数量，加倍有效地治理，及早地操纵人员数量，幸免没必要要的损失，是新一代智能产品的研发基础及最终目的。

基于以上目的，本课题设计了一种某大型场所进出人数自动计数系统，该系统利用红外光电传感器实现检测、无线收发模块将数据送至主机系统，从而完成进出人数的自动计数，该系统既有本钱较低、设计简单的特点，适用于各类场所的进出人数自动计数，具有较高的应用前景。

　人数计数系统应用

应用于公交车辆上的自动乘客计数（APC）系统的组成要紧有红外线监测装置，热量监测装置，光电监测单元，气胎重量监测装置等⋯。

红外线监测装置通常装配在车门口，它通过对红外线光束流的中断次数的计数，来实现对乘客流量的计数，每一次中断代表乘客上车或下车。

西门子的自动乘客计数系统即是利用红外线2，监测系统依照乘客上车或下车时通过两个红外线传感器监测区域的前后顺序不同，可判定出乘客的运动方向。

此系统在于当乘客数量较多且无序通过时，精度不高。

在矿井乘罐人数计数系统中，通过在煤矿安装智能矿井乘罐人数计数器时．针对实际现场空间和布局．以较为美观的栅栏进出口作为计数器的数据搜集点，以保证计数的准确性。

同时，在栅栏通道里口进行了栅栏门设计，由气缸操纵栅栏门的开合，通过对计数器溢出脉冲信号、停罐脉冲信号及平安门闭锁信号的搜集来操纵气缸电磁阀，实现平安门与计数器的联动。

　本文要紧内容安排

第1章要紧介绍了课题的研究目的及意义，对人数计数系统的应用进行了简要介绍。

第2章介绍了人数计数系统的分类、红外检测人数计数系统的原理，并给出了本系统的整体设计方案，结合该设计方案，对实现系统的要紧元器件的选择进行了介绍。

第3章对系统硬件电路进行了设计，包括了整体硬件电路设计和各部份硬件电路设计。

第4章对系统软件设计进行了详细介绍，给出了主模块程序流程图和子模块程序流程图，并详细进行了说明。

第4章对软硬件电路调试进行了简要论述。

最后，对全文进行了总结。

第二章　人数计数系统整体方案设计

　人数计数系统分类

人数计数系统依照检测方式的不同大致能够分为两类，一类利用红别传感器对人员进行检测，通过对红外线光束流的中断次数的计数，来实现对人员流量的计数；另一类应用了视频检测技术，利用摄像头对目标进行图像搜集，将搜集后的图像进行相关算法的处置以实现人数计数。

上述两种方式中，方式一实现简单，本钱低，而方式二技术相对先进，适用性较强。

因此，本文采纳了方式一来实现人数计数系统的设计，即利用红别传感器对人员进行检测的方式。

　红外检测人数计数系统

2.2.1　光电式传感器工作原理

光电式传感器是一种以光电器件作为转换元件，将被测量通过光量的转变转换成电量进行检测的传感器。

光电式传感器一样由光源、光学元件和光电元件三部份组成。

光源发射出必然通量的光线，由光电元件接收，在检测时，被测量使光源发出的光通量发生转变，因此使接收光通量的光电元件的输出电量也作相应的转变，最后用电量来表示被测量的大小。

光电式传感器输出的电量能够是模拟量，也能够是数字量。

其工作原理如下图。

图光电式传感器工作原理

2.2.2　光电式传感器组成

光电开关是通过把光强度的转变转换成电信号的转变来实现操纵的。

光电传感器在一样情形下，有三部份组成，它们分为：

发送器，接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一样来源于半导体光源，发光二极管（LED）和激光二极管。

光束不中断地发射，或改变脉冲宽度。

接收器有光电二极管或光电三极管组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

另外，光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。

三角反射板是结构牢固的反射装置。

它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。

它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

光纤（又称光导纤维LWL），它扩大了光电传感器的使用范围，形成了特殊的嵌装式收发装置。

它可以在特殊的环境中使用，检测微小的物体。

它在非常高的外界温度中，在结构受限制的环境里，都可以获得满意的答案。

2.2.3　光电式传感器分类和工作方式

1．槽开光电开关

把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的双侧的是槽形光电。

发光器能发出红外光或可见光，在无阻情形下光接收器能收到光。

但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。

输出一个开关操纵信号，切断或接通负载电流，从而完成一次操纵动作。

槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一样只有几厘米。

2．对射式光电开光

若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。

由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为以射分离式光电开光，简称对射式光电开关。

它的检测距离可达几米乃至几十米。

利历时把发光器和收光器别离装在检测物通过途径的双侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关操纵信号。

3．反光板反射式光电开关

把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电操纵作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。

正常情形下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关操纵信号。

4．扩散反射式光电开关

它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。

正常情形下发光器发出的光收光器是收不到的；当检测物通过时挡住了光，并把光部份反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关操纵信号。

5．光纤式光电开关

把发光器发出的光用光纤引导到检测点，再把检测到的光信号用光纤引导到光接收器就组成光纤式光电。

　系统整体方案设计

关于大型场所进出人数自动统计系统来讲，由于该类场所存在多处出入口，因此每一个出入口都需要放置能够进行人数检测的分机装置，各分机装置将各自人数计数情形可上报总机进行综合处置。

因此该系统整体设计如下图。

整体系统要紧由光电传感器、无线收发模块、单片机系统、串口传输通道和PC机VB显示界面组成。

该系统通过一对光电传感器进行数据的搜集，即识他人员的进出，传感器输出信号经单片机子系统处置后与子系统的相关信息一路编码成数据包，通过无线模块发送至主单片机，在主模块中数据包被解码取得由子模块编号和进出信息组成的数据，主单片机经串口将此数据传送给PC主机，在软件中通过必然算法将从此数据中取得子模块编号和人员进出信息，从而实现整个大型场所的人数计数。

图系统整体设计框图

　要紧器件选择

2.4.1　光电传感器选择

本系统中传感器选用了红外线光电开关中的漫反射式光电开关，它是一种集发射器和接收器于一体的传感器,当有被检测物体通过时,物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，使光电开关就产生开关信号。

由于该产品种类繁多，考虑到作用距离等因素，本设计中漫反射式光电开关选择的是生产的BS-180，该传感器技术参数如下：

1专门双级滤波设计,有效排除变频器等干扰源产生的谐波干扰；

2 红外光调制发射,解调接收,有效避免杂散光干扰,可在强阳光及强日光灯下正常靠得住工作；

3电源反接爱惜,负载过流（200mA）及短路爱惜,大大提高平安性能；

4空载电流:

 小于40mA（电位器阻值为0时,最大空载电流）；

5发散角度:

  小于10度；

6电源电压:

  10-30VDC；

7检测距离:

   12米（漫反射,电位器可调）。

2.4.2　系统CPU选择

单片机是把CPU、内存及I/O紧缩在同一块芯片上，再外加一些电子元件即能够组成一套简易的操纵系统。

如此一来能够降低硬件本钱，由于单片机芯片设计及制造技术的限制，在面积有限的芯片上无法设计出太大的内存空间，因此单片机上ROM及RAM的容量都比较小，只是却也加入了位输入输出操纵，计时计数器及外部中断的操纵功能，有些单片机还有串行传输的接口，乃至还提供AD/（模拟至数字转换）及D/A（数字至模拟转换）的接口，真可谓麻雀虽小五脏俱全。

8051是INTEL公司开发出来的一块相当做功的单片机，此刻已普遍地应用在工业界中，由于其利用的普及，因此目前有好几家设计半导体芯片的公司也制造与8051兼容的单片机，有些公司所制造出来的单片机其执行速度更快，能够高达40MHz。

Atmel公司的AT89C51RBZ单片机是8051的兼容机，是一种低功耗、高性能的8位CMOS单片机。

片内含有16KBFlashROM，1280字节RAM，8位数据总线，4个串行工/O端口，32条工/O线，3个16位按时/计数器，9个中断源，片内振荡器和时钟电路，工作频率40MHz工作电压范围为

.5V（实际利用+5V供电）。

其要紧特性为：

一、高速构架，具有多种工作频率

二、具有SIP（In-systemProgramming）串行在线下载擦写功能，可直接在电路板上进行程序修改、烧录等操作。

3、具有一片IO24ByteS的扩展RAM（XRAM）

4、具有键盘中断接口P1

五、主从模式的同步串行SPI（SerialPeripheralInterface）接口

六、8bit的时钟预换算装置

7、改良的X2模式，能够独立选择CUP和每一个外设

八、可编程的5通道计数阵列

九、异步RESET端口

10、全双工增强型通用串行接口UART

1一、UART专用的波特率发生器

2.4.3　无线收发模块选择

由于无线收发芯片的种类很多，如表所示。

表无线收发芯片

如安在设计当选择所需要的芯片超级关键。

正确的选择能够使开发工作少走弯路，以下几点是在选择芯片时注意的问题。

1、收发芯片数据传输的编码方式

采纳曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技术和体会，需要更多的内存和程序容量，而且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一样仅能达到标称速度的1/3。

而采纳串口传输的芯片，如Nordic公司RnF2401系列的芯片，因为串口的编程相对简单，应用及编程超级简单，而且传送的效率很高，标称速度确实是实际速度。

二、外围元件数量

芯片外围元件的数量决定了模块的体积和重量，和整个系统的复杂性。

因此应该选择外围元件少的收发芯片。

这方面RnF2401是一个较为理想的选择。

外围元件仅需2个，无需声表面滤波器、变容管等昂贵的元件，只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路。

3、功耗

由于无线收发芯片是应用在一些移动的产品上，因此功耗超级重要，应该依照需要选择综合功耗较小的模块。

4、发射功率

在一样条件下，为了保证有效和靠得住的通信，应该选用发射功率较高的产品。

五、收发芯片的封装和管脚数

较少的引脚和较小的封装，有利于减少PCB的面积，适合测控系统的设计。

考虑各类因素，本系统中无线收发模块选用nRF2401芯片。

nRF2401是单片射频收发芯片，工作于~ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块,输出功率和通信频道可通进程序进行配置。

芯片能耗超级低，节能设计更方便。

nRF2401利用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。

nRF2401通过ShockBurstTM收发模式进行无线数据发送，收发靠得住，其外形尺寸小，需要的外围元器件也较少。

2.4.4　电源芯片选择

作为整个系统的电源，选用LMI117。

它只需2个外围电阻，即可提供，而且它能够提供5个固定电压、、、和5V。

LM1117是一个低压差电压调剂器系列。

其压差在输出，负载电流为800mA时为。

它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。

LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现～输出电压范围。

另外还有5个固定电压输出（、、、和5V）的型号。

LM1117提供电流限制和酷爱惜。

电路包括1个齐纳调剂的带隙参考电压以确保输出电压的精度在±1%之内。

LM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252D-PAK封装。

输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳固性。

特性如下：

􀁺一、提供、、、、5V和可调电压的型号

􀁺二、节省空间的SOT-223和LLP封装

􀁺3、电流限制和酷爱惜功能

􀁺4、输出电流可达800mA

􀁺五、线性调整率：

%（Max）

􀁺六、负载调整率：

%（Max）

􀁺7、温度范围：

－LM1117：

0℃~125℃

－LM1117I：

-40℃~125℃

在给单片机的复位信号，选用MAX708。

MAX708微处置器监控电路减少

P系统中为操纵电压供给和电池功能所需要组件的复杂性和数量。

这些设备和独立的ICs或离散组件相较可显著增强系统的靠得住性和准确性。

MAX708用一个有效高电平来代替看门狗按时器.当供给电压低于时，MAX708产生一个复位脉冲，复位脉宽200ms。

第三章　系统硬件电路设计

　系统硬件电路整体设计

系统整体硬件电路如下图。

要紧包括了光电传感器电路、单片机电路、无线收发模块、串口通信和电源电路。

图系统硬件电路图

　系统各部份硬件电路设计

3.2.1　单片机电路设计

单片机AT89C51RBZ的设计要紧包括电源、晶振和指示灯3部份，具体如下图。

AT89C51RBZ的电源由MAX708提供，MAX708给AT89C51RBZ提供复位信号，减少微处置器系统中为操纵电压供给和电池功能所需要组件的复杂性和数量。

它和独立的CIS或离散组件相较可显著增强系统的靠得住性和准确性。

MAX708用一个有效高电平来代替看门狗按时器。

当供给电压低于时，MAX708产生一个复位脉冲，复位脉宽200ms。

3个发光二极管是为了指示工作状态。

通进程序设置，可使系统不同的状态，不同的指示灯亮，便于调解。

图单片机操纵部份电路

3.2.2　nRF2401电路设计

无线收发模块nRF2401的引脚排列如图（顶视图）所示。

它采纳5mmx5mm的24引脚QNF封装。

图nRF2401引脚排列图

nRF2401的要紧特点如下:

一、采纳全世界开放的频段，有125个频道，可知足多频及跳频需要；

二、速度（1MbpS）高于蓝牙，且具有高数据吞吐量；

3、外围元件极少，只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路；

4、发射功率和工作频率等所有工作参数可全数通过软件设置；

五、电源电压范围为~，功耗很低；

六、电流消耗很小，-5dBm输出功率时的典型峰值电流为；

7、芯片内部设置有专门的稳压电路，因此利用任何电源（包括DC/DC开关电源）均有专门好的通信成效；

八、每一个芯片均能够通过软件设置最多40bit地址，而且只有收到本机地址时才会输出数据（提供一个中断指示），同时编程也很方便；

九、内置CRC校验硬件电路和协议；

10、采纳DuoCeiverTM技术可同时接收两个nRF2401的数据;

1一、采纳ShockBurstTM模式时，能适用极低的功率操作和不严格的MUC执行；

1二、无需外部ASW滤波器；

13、可100%RF查验；

14、带有数据时隙和数据时钟恢复功能。

nRF2401的内部结构原理及外部组成框图如下图。

图nRF2401内部结构原理

nRF2401的管脚功能如表所示。

表nRF2401的管脚功能

nRF2401的一些管脚具体功能如下：

PWR-UP为上电端，CE为工作状态使能端，CS为片选端，操纵器通过对nRF2401的PWR-UP、CE和CS管脚状态组合设置，操纵nRF2401的主工作方式。

当状态组合为一、一、0、一、0、l或一、0、0时，芯片别离处于激活、配置或维持方式。

当PWR-UP置0时，芯片处于掉电状态。

CLK一、CLK2为通道一、2时钟信号端。

由操纵器提供，在突发模式下，在时钟信号的下降沿从nRF2401的DATA管脚读出数据。

DATA、DOUT为通道一、2数据端，操纵器与nRF2401由CLK、DR和DATA组成的三线接口互换传输的数据。

通道1可接收和发送数据，通道2只能接收数据。

nRF2401共有4种工作模式，为了实现系统的低功耗设计，需要将nRF2401切换到不同的工作模式，下面具体介绍一下nRF2401的四种工作模式：

掉电模式（PowerDownMode）、待机模式（StandByMode）、配置模式（ConfigurationMode）、工作模式（ActiveMode）。

关于nRF2401的工作模式的选择是通过PWR＿UP、CE、CS来进行配置的如表所示。

表nRF2401工作模式选择

掉电模式：

低功耗模式下，nRF2401被禁止，具有最小的电流消耗，典型的电流值小于1uA；待机模式：

维持模式下配置字的内容被保留，同时

功耗降低至平均的电流消耗，消耗电流取决于晶体的频率。

配置模式：

配置模式配置了nRF2401的工作状态。

nRF2401有一个配置寄放器，配置内容能够达到15Byte，对nRF2401工作状态的配置是通过一个三线SPI接口来完成的。

工作模式：

nRF2401有两种通信模式：

直接模式（DirectMode）和突发模式（ShockBurstTMMode）。

直接模式的利用与其它传统射频收发器的工作一样，需要通过软件在发送端添加校验码和地址码，在接收端判定是不是为本机地址并检查数据是不是传输正确。

突发模式利用芯片内部的先入先出堆栈区，数据

可从低速微操纵器送入，高速（1Mb／s）发射出去，地址和校验码硬件自动添加和去除，这种模式的优势是：

①可利用低速微操纵器操纵芯片工作；②减小功耗；③射频信号高速发射，抗干扰性强：

④减小整个系统的平均电流。

因此，利用nRF2401芯片特有的ShockBurstTMMode使得系统整体的性能和效率提高。

无线收发模块nRF2401及其外围电路如下图。

图nRF2401硬件电路设计

3.2.3　串口通信电路设计

串口通信电路采纳的是MAX3232芯片，MAX3232是MAXIM公司的一种RS-232C接口芯片，单一电源供电，电压值从十~+都可正常工作。

它完成TTL与RS-232C两种电平之间的转换。

各引脚功能如下:

C1+、C1-:

电压倍增充电泵电容正端和负端；

CZ+、CZ-:

反向充电泵电容正端和负端；

V+、V-:

充电泵产生的+和电压；

R1IN、RZIN:

RS-232C接收器输入；

TIOUT、长OUT:

RS-232C发送器输出；

T1IN、TZIN:

TTL发送器输入；

R10UT、RZOUT:

TTL接收器输出；

VCC:

电源电压~；

GND:

接地。

MAX3232内部有一对调整充电泵，电源电压在~之间都可正常工作，由增压充电泵产生+电压，反向充电泵产生的输出电压，充电泵以非持续方式工作，如输出电压低于+，那么充电泵开始工作，输出电压高于，充电泵停止工作，其典型连接图如下图

图MAX3232芯片连接示用意

3.2.4　电源电路设计

系统的电源由外部电源、集成稳压器LM1117和一些外围元件组成。

元件见表。

表电源电路所需元件

其电路如图。

这部份的设计要紧依照前面几部份各个芯片的电源要求，借鉴LM1117的参考设计完成的。

输出3.3V。

一样LM1117不需要外接电容，那个地址考虑到输入端的连线可能超过15厘米，故采纳了2个电容。

如此能够改变瞬态响应。

C2、C4和C23用来储能和滤波。

图系统电源设计

第四章　系统软件设计

　系统软件整体设计

软件是本系统的重要组成部份，要紧包括发送子模块程序，接收主模块程序。

子模块程序及主模块程序的开发主若是在VW（伟福汇编器）和KeiluVision2两种汇编器下完成的，如下图。

图软件整体设计框图

　系统主模块程序设计

图为主模块程序框图，其中函数Inituart（）用于串口初始化，RXEN-HIGH（）配置nRF2401芯片于接收状态，ReceiveShock（）接收数据，将数据处置后通过串口发送给PC机。

在主模块单片机、nRF2401芯片（无线收发模块）和串口完成初始化以后，nRF2401芯片使能并设置为接收状态，然后进入接收数据的循环。

当DR1为1时，表示有数据需要接收，在接收完成后，将接收到的数据包解码，提掏出“子模块编号”和“进出信息”两个数据，通过公式“xx=2×编号+进出信息”取得数据xx，然后将xx通过串口发送到PC机。

图主模块程序流程图

　系统子模块程序设计

子模块程序的功能是依照子模块单片机接收到的传感器信号监测是不是有人通过，然后将信息以数据包的形式发送给主模块。

数据包由14位数据组成，前4位表示主模块地址，第5位为子模块编号，第6位为人进或出的标志，其余8位未概念。

子模块性能参数包括:

（1）灵敏度，每当有一个人通过时，都能监测到，并立刻将信息发送给主模块；

（2）准确度，每当有一个人通过时，都能正确识别是走进场所仍是走出场所。

图为子模块的程序框图，、、、接收传感器监测到的信号，与、连接的两个传感器监视一个出口，与、连接的两个传感器监视另外一个门。

假设或先监测到信号，表示有人进入场所，相反，假设或先监测到信号，表示有人走出场所。

图子模块流程图

从框图中能够看到，当单片机和nRF2401芯片完成一系列初始化工作以后，就进入检查~有无传感器信号输入的循环。

进入循环体后，概念两个数组a[2]、b[2]别离表示两个出入口的两个传感器有无人通过，两个无符号字符型数据point一、point2表示两个门是不是有人进出，初始将point一、point2置零；然后依次检查~口是不是有传感器信号，假设有，那么完成相应的工作后进入下一步；最后，依次检查point一、point2是不是为0，假设不为0，那么向主模块发送数据包，数据包第5个数据为模块编号，第6个数据为a[0]或b[0]。

由流程可知，当查询时无信号而有信号，那么a[0]=0且point1=1，而当有信号时不管有无信号，那么a[0]=1且point1!

=0，事实上，由于两个传感器安装距离与人体厚度相较超级小，因此如此的逻辑判定足以确信人员的进或出。

同理可分析另一个出入口和两个传感器的关系。

于是当得出a[0]=0（b[0]=0）时人出，而a[0]=1（b[0]=1）时人进。

第五章　系统仿真和调试

　伟福仿真系统调试

伟福仿真系统是由伟福仿真器、仿真头和数据线等组成。

具有壮大的逻辑分析和程序跟踪功能。

这次利用的是e6000L仿真器和PODH8X5X仿真头，与其它仿真器相较有自己的优势，它有丰硕的窗口显示方式，多方位、动态地展现仿真的各类进程，利用极为便利。

具有双工作模式：

软件模拟仿真（不用仿真器也能模拟运行用户程序）和硬件仿真。

它集成了编辑器、编译器、调试器，源程序编辑、编译、下载、调试全数能够在一个环境下完成外设治理，能够在调试程序时，观看到端口、按时器、串行口中断、外部中断相关的寄放器的状态，更能够完成这些外设的初始化程序。

逻辑分析仪由交互式软件菜单窗口对系统硬件的逻辑或进序进行同步实时采样，并实时在线调试分析