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超聲波傳感器陣列式人數(shù)自動(dòng)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)0 引言 隨著現(xiàn)代社會(huì)信息化的飛速發(fā)展，公共場所人數(shù)自動(dòng)識(shí)別在交通、商業(yè)、公共安全等領(lǐng)域有著非常重要的實(shí)用價(jià)值和廣闊的前景。通過對(duì)某一區(qū)域的人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以方便地對(duì)資源進(jìn)行分配和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。例如，對(duì)高層建筑電梯外候車人數(shù)的檢測，可以根據(jù)候車人數(shù)與時(shí)間的差異，改變電梯的調(diào)度策略。統(tǒng)計(jì)在公共交通車站等候巴士的人數(shù)，調(diào)整工作車輛的數(shù)目，并監(jiān)察交通情況。統(tǒng)計(jì)公共車輛和其他交通工具上的人數(shù)，檢測進(jìn)出固定區(qū)域的人數(shù)。 目前，人群人數(shù)檢測系統(tǒng)主要包括:采用圖像識(shí)別原理的人數(shù)檢測系統(tǒng)、采用紅外體感器的人數(shù)檢測系統(tǒng)、采用光電開關(guān)檢測的人數(shù)檢測系統(tǒng)。圖像識(shí)別的人數(shù)檢測系統(tǒng)選取大量含有人體特征的圖片，利用圖像處理分離器對(duì)樣本進(jìn)行分析，檢測出固定區(qū)域圖像中的人數(shù)。紅外人體傳感器檢測系統(tǒng)受環(huán)境陰影噪聲影響明顯，誤差較大。由于重疊人群的限制和檢測面積小，采用光電開關(guān)檢測方式的系統(tǒng)檢測誤差也較大。 超聲波在空氣中傳播不易受到周圍環(huán)境的干擾，且衰減速度慢，傳播距離長，還具有易于實(shí)現(xiàn)、成本低、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。目前，超聲波傳感器陣列廣泛應(yīng)用于障礙物定位、車輛避碰系統(tǒng)和機(jī)器人避障系統(tǒng)中。 這些系統(tǒng)不具備測量人數(shù)的功能，其結(jié)構(gòu)、測量原理和安裝方式與本系統(tǒng)不同。 1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 超聲波傳感器陣號(hào)自動(dòng)檢測系統(tǒng)是基于超聲波測距原理研制的。 該系統(tǒng)主要由微處理器、電源模塊、輸出通信接口模塊、輸出數(shù)字接口模塊、按鍵盤模塊、顯示驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、超聲波信號(hào)放大電路模塊、超聲波發(fā)射陣列、超聲波接收陣列、超聲波信號(hào)接收與切換陣列、超聲波接收信號(hào)處理電路陣列等組成。 2 系統(tǒng)工作原理 超聲波發(fā)射陣列組和超聲波接收陣列組安裝在人群上方的區(qū)域，超聲波發(fā)射陣列組和超聲波接收陣列組與人群所在區(qū)域的支撐平面之間的距離為2 ~ 5m。人群上方的區(qū)域根據(jù)蜂巢劃分為六邊形。六角形區(qū)域的中心安裝超聲波發(fā)射器和超聲波接收器，兩個(gè)超聲波發(fā)射器和兩個(gè)超聲波接收器之間的間距為200 ~ 400nlm。選擇發(fā)散角較小的超聲波傳感器。傳感器離地面越高，就越需要對(duì)傳感器進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)備之間的距離。 蜂窩六邊形劃分的意義示意圖如圖2所示。在圖2中，每個(gè)六邊形按排列順序編號(hào)。按行號(hào)將超聲波傳感器陣列分為四組:奇數(shù)行奇數(shù)列組、偶數(shù)行偶數(shù)列組、奇數(shù)行偶數(shù)列組、偶數(shù)行奇數(shù)列組。系統(tǒng)使用40kh、50kh、60kh或70kh的超聲波接收器和超聲波發(fā)射器。
圖2超聲波傳感器劃分示意圖 系統(tǒng)工作時(shí)，由微處理器單元產(chǎn)生超聲波電壓信號(hào)，超聲波電壓信號(hào)持續(xù)時(shí)間為1雉。超聲波驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)經(jīng)超聲波信號(hào)放大電路模塊放大后，再驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射陣列。安裝在上方的超聲波發(fā)射陣列發(fā)出超聲波信號(hào)，超聲波傳感器采用直接反射的檢測方式。超聲波在空氣中傳播，遇到地面或地面上的人，超聲波會(huì)被反射。反射的超聲波被超聲波接收器陣列接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。不同超聲波接收器陣列中每個(gè)超聲波接收器發(fā)出的電信號(hào)由超聲波開關(guān)電路選擇，傳送到超聲波接收信號(hào)處理模塊進(jìn)行信號(hào)處理。處理后的超聲波電信號(hào)傳送到微處理器單元，微處理器單元自動(dòng)測量從超聲波發(fā)射機(jī)傳來的超聲波，使超聲波被超聲波接收器反射和接收。通過軟件計(jì)算某一超聲波發(fā)射器和超聲波接收器與地面或人在超聲波發(fā)射器和超聲波接收器下的距離。 在系統(tǒng)正式運(yùn)行之前，需要在地面空的情況下保存測量距離。如果在系統(tǒng)運(yùn)行過程中測量到的距離小于保存的距離，并且超出了設(shè)定的范圍，則判斷超聲波發(fā)射器和超聲波接收器下面有人。根據(jù)測得的每組超聲波發(fā)射器和超聲波接收器之間的距離，判斷其下方是否有人，然后將所有超聲波發(fā)射器和超聲波接收器下方的人數(shù)相加。這個(gè)數(shù)字乘以一個(gè)人口聚集系數(shù)，得到該地區(qū)的人口總數(shù)。人數(shù)組合系數(shù)一般在系統(tǒng)安裝現(xiàn)場通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)表明，根據(jù)傳感器離地面高度的不同，人數(shù)的綜合系數(shù)一般為0。2 - 0。5人的房間。根據(jù)超聲波發(fā)射器和超聲波接收器的位置確定該地區(qū)人口的分布位置。 3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 3.1微處理器 系統(tǒng)的微處理器采用ST公司生產(chǎn)的ST C89C52單片機(jī)，并采用最小系統(tǒng)的單片機(jī)作為電源模塊。STC 89C52在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片上資源方面與標(biāo)準(zhǔn)8052單片機(jī)完全兼容，DIP40封裝系列與8051引腳兼容。stc89系列單片機(jī)速度快(時(shí)鐘頻率最高90m H z)，功耗低。在單片機(jī)最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，主要對(duì)代碼顯示電路、超聲波發(fā)射接收電路和通信接口電路進(jìn)行了擴(kuò)展。 3.2信號(hào)處理電路 采用集成電路芯片cx20106作為信號(hào)處理的主電路。電路如圖3 U S-R所示。對(duì)于超聲波接收頭，UT-INT在接收到超聲波時(shí)會(huì)產(chǎn)生下降沿，該下降沿與單片機(jī)的外部中斷連接。由微處理器計(jì)算下降沿產(chǎn)生的發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)之間的時(shí)間長度，然后通過數(shù)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)換成距離，再顯示在顯示器上。
圖3信號(hào)處理電路 3.3超聲波信號(hào)接收開關(guān)陣列 為了避免相鄰的超聲波接收器與超聲波發(fā)射器或超聲波收發(fā)器之間的相互干擾，系統(tǒng)設(shè)置了分時(shí)測量模式和分頻測量模式兩種工作模式。當(dāng)采用分時(shí)測量方法時(shí)，超聲波接收器和超聲波發(fā)射器選擇一個(gè)頻率裝置。超聲波信號(hào)接收與開關(guān)電路如圖4所示。
圖4 超聲波信號(hào)接收切換 電路 由微處理器發(fā)送 的邏輯 電平 控制 74／_5 126 選 通超聲波接收器陣列組中的奇數(shù)行 奇數(shù)列組 、偶數(shù)行偶數(shù)列組 、奇數(shù)行偶數(shù)列組 、偶數(shù)行奇數(shù)列組依次工作 ，分 4 次測量得到整個(gè) 區(qū)域 的人數(shù) 。 系統(tǒng)工作采 用分頻測 量方式時(shí) ，超聲波接收器和超聲波發(fā)送器或超聲波收發(fā)器選用 4 種不 同頻率 的器件 ，奇數(shù)行奇 數(shù)列組 、偶數(shù) 行偶 數(shù)列組 、奇數(shù)行偶數(shù)列 組 、偶 數(shù)行奇數(shù)列組 的器件 的每組之間 的頻率各 不相 同 ，組 內(nèi)所有器件 的頻率相 同。 3.4 顯示驅(qū)動(dòng)模塊 顯示驅(qū)動(dòng)包括一個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219電路和4個(gè)數(shù)碼管顯示器，其與單片機(jī)的連接只需要3條線：LOAD ( CS ) 片選引腳、 CLK串行時(shí)鐘引腳、DIN串行數(shù)據(jù)引腳。顯示驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖5。
圖5 顯示驅(qū)動(dòng)模塊電路 4 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件包括主程序、超聲波收發(fā)子程序、數(shù)字顯示子程序和輸出結(jié)果子程序。初始化主程序并調(diào)用子程序。 系統(tǒng)啟動(dòng)程序后，首先對(duì)程序進(jìn)行初始化，然后用相應(yīng)的計(jì)時(shí)器設(shè)置參數(shù)。之后，單片機(jī)產(chǎn)生一系列40 KKH z的超聲波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器。由于超聲波發(fā)射和接收的反射結(jié)構(gòu)，它們?cè)谕粭l線上，兩個(gè)探頭彼此相對(duì)較近。為了避免發(fā)射探頭在接收探頭上的陰影，有必要延遲啟動(dòng)超聲波接收檢測程序。微處理器開關(guān)陣列選擇相應(yīng)通道準(zhǔn)備接收超聲波信號(hào)。如果有多個(gè)接收信號(hào)，則選擇循環(huán)掃描的方式。計(jì)算完距離后，取不定范圍內(nèi)的數(shù)字之和，直到逐個(gè)開關(guān)開關(guān)。結(jié)果數(shù)據(jù)通過數(shù)字顯示管顯示。 5 結(jié)束語 本文介紹的數(shù)字自動(dòng)檢測系統(tǒng)是基于超聲波傳感器陣列，具有安裝簡單、測量精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。適用于公交車、電梯等需要按人數(shù)調(diào)度的場所，使車輛或電梯調(diào)度最優(yōu)化。避免資源消耗。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)已獲得專利。 系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)人數(shù)的時(shí)間間隔為0.5s。根據(jù)后續(xù)處理前后兩次測量的人的位置數(shù)據(jù)的變化，可以得到該區(qū)域內(nèi)的人的移動(dòng)情況，以及人進(jìn)入和離開該區(qū)域的情況。 目前，超聲波已應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、盲導(dǎo)系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛汽車等多個(gè)領(lǐng)域。該系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的兼容性有待進(jìn)一步研究。 參考文獻(xiàn) [1] 張春華 ，謝永軍 ，周政 毅 ，等． 公共 場所人 數(shù)檢測 統(tǒng)計(jì) 系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) [J] ，廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) ，20 12 ，29 (3 ) ：63 —67． [2] 趙炯 ，林 旺城 ， 賈 培源 ， 等． 公共 娛 樂場 所 人數(shù) 統(tǒng) 計(jì) 系統(tǒng) 研 究[J] ． 自動(dòng)化儀表 ，2009 ，30 (6 ) ：62 —65． [3] 劉子源 ，蔣承志． 基于 O penCV 和 H aar 特征分 類器 的圖像人 數(shù)檢測 [J] ． 遼寧科技大學(xué)學(xué)報(bào) ，20 11，34 (4 ) ：384 —388． [4] 李妹穎 ，尹軍 ，菠飛 霸 ，等． 基 于超 聲波傳 感器陣 列的 導(dǎo)盲 系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J] ． 中國醫(yī)療設(shè)備 ，20 14 ，29 (10 ) ：28 —31． [5] 劉欽 ，張風(fēng)生，劉大維． 基于超聲波傳感器陣列的障礙物位置計(jì)算方法研究[J]． 青島大學(xué)學(xué)報(bào) ：工程技術(shù)版 ，20O5 ，20 (2 ) ：75 —79． [6] 潘仲明 ，賀漢根． 超聲 陣列 障礙探測技 術(shù)及其 在無人 車輛 中的應(yīng)用 [J] ． 國防科技大學(xué)學(xué)報(bào) ，2009 ，31 (2 ) ：12 1 —125． [7] 秦偉 ，顏文俊 ，基 于 CX 20 106A 的超 聲波 倒車?yán)?達(dá)設(shè) 計(jì) [J] ．電與聲光 ，20 11 ，33 ( 1) ：16 1 —164 ． [8] 郭清． 基 于 STC 89C 52 的超聲波測距 防撞 系統(tǒng)設(shè) 計(jì)[ J] ． 儀 表技術(shù) 與傳感器 ，2011 (6 ) ：74 —77 ． [9] 卜英勇 ，王紀(jì)嬋 ， 趙海鳴 ，等． 基于單 片機(jī) 的高 精度超 聲波 測距系統(tǒng) [J] ． 儀表技術(shù)與傳感器 ，2007 (3 ) ：66 —68 ． [10] 王喜軍 ，姜軍 ，孫福東 ，等． 顯示驅(qū)動(dòng) 芯片 M A X 72 19 在單片集 中的應(yīng)用 [J] ． 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用 ，2009 ，28 (1O ) ：12 1 —123． [11] 馬殷元 ，廖理 ．超聲 波傳感 器陣列式 人數(shù) 自動(dòng)檢 測系 統(tǒng) ： 中國 ，20 14 2 0 0 7 3 6 00 ． 6 『P ] ． 2 0 14 —0 5 —1 1 ．
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