董海棠 馬殷元

(蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

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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)

董海棠 馬殷元

(蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

針對當(dāng)前公交車站候車人數(shù)、電梯候梯人數(shù)自動(dòng)檢測困難，已有系統(tǒng)檢測誤差大、設(shè)備復(fù)雜的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于超聲波傳感器陣列的人數(shù)自動(dòng)檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)以STC89C52作為核心控制器，運(yùn)用超聲波的測距原理。超聲波傳感器按照蜂窩狀排列在人群上方，利用微處理器控制多組超聲波傳感器分別測距，最后綜合計(jì)算超聲波傳感器陣列測量的距離數(shù)據(jù)，得到區(qū)域內(nèi)的人數(shù)。系統(tǒng)可為公交車調(diào)度、電梯調(diào)度系統(tǒng)提供人群數(shù)量，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)度或統(tǒng)計(jì)提供支持。

超聲波傳感器 超聲波陣列 人數(shù)自動(dòng)檢測 微處理器 測距

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)信息化的迅速發(fā)展，公共場所人數(shù)自動(dòng)識別在交通運(yùn)輸、商場、公共安全等領(lǐng)域有著非常重要的實(shí)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景[1-2]。通過對某區(qū)域內(nèi)的人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以方便地分配調(diào)度資源，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。例如，高層建筑內(nèi)電梯外等候乘坐電梯人數(shù)的檢測，根據(jù)候梯人數(shù)的不同及時(shí)改變電梯的調(diào)度策略。統(tǒng)計(jì)公交車站候車人數(shù)，調(diào)整工作車輛的數(shù)量及監(jiān)測交通狀況。公交車等交通工具內(nèi)人數(shù)的統(tǒng)計(jì)及某固定區(qū)域內(nèi)進(jìn)入和離開此區(qū)域人數(shù)情況的檢測。

目前,人群人數(shù)檢測系統(tǒng)主要有：采用圖像識別原理的人數(shù)檢測系統(tǒng)、采用紅外人體感應(yīng)器的檢測系統(tǒng)、采用光電開關(guān)檢測方式的系統(tǒng)。圖像識別的人數(shù)檢測系統(tǒng)通過選取大量包含人體特征的圖片，利用圖像處理分選器分析樣本，從而檢測固定區(qū)域圖像中的人數(shù)[3]，這種系統(tǒng)檢測速度相對較低、檢測設(shè)備復(fù)雜。紅外人體感應(yīng)器檢測系統(tǒng)受環(huán)境影響明顯，誤差較大。采用光電開關(guān)式檢測方式的系統(tǒng)，因人群的重疊、檢測面積小等局限，檢測誤差也較大。

超聲波在空氣中傳播不容易受到周圍環(huán)境干擾，并且衰減速度緩慢，傳播距離遠(yuǎn)，還具有容易實(shí)現(xiàn)、成本低、可靠性好的優(yōu)勢。目前，超聲波傳感器陣列廣泛地應(yīng)用于定位障礙物，車輛防撞系統(tǒng)和機(jī)器人躲避障礙物系統(tǒng)等方面[4-6]。

這些系統(tǒng)不具有測量人數(shù)功能，其結(jié)構(gòu)、測量原理、安裝方式均與本系統(tǒng)不同。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

超聲波傳感器陣列式人數(shù)自動(dòng)檢測系統(tǒng)基于超聲波測距原理。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。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)字量接口模塊、鍵盤模塊、顯示驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、超聲波信號放大電路模塊、超聲波發(fā)送器陣列組、超聲波接收器陣列組、超聲波信號接收切換陣列、超聲波接收信號處理電路陣列組成。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)工作原理

超聲波發(fā)送器陣列組和超聲波接收器陣列組安裝在人群上方的區(qū)域，超聲波發(fā)送器陣列組和所述超聲波接收器陣列組到人群所在區(qū)域支撐平面的距離為2～5 m。把人群上方的區(qū)域均按照蜂窩狀六邊形劃分，六邊形區(qū)域的中心安裝超聲波發(fā)送器和超聲波接收器，且兩個(gè)超聲波發(fā)送器之間和兩個(gè)超聲波接收器之間的間距均為200～400 mm。選擇發(fā)散角度較小的超聲波傳感器，傳感器距離地面越高，越需要拉大傳感器之間的距離。

蜂窩狀六邊形劃分的示意圖如圖2所示。圖2中,按照排列對每個(gè)六邊形進(jìn)行了編號。按照行列編號，超聲波傳感器陣列分為4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)選用40 kHz或50 kHz或60 kHz或70 kHz的超聲波接收器和超聲波發(fā)送器。

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，超聲波電壓信號時(shí)長為1 ms，超聲波驅(qū)動(dòng)電壓信號由超聲波信號放大電路模塊放大，然后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送器陣列組，使安裝在上方的超聲波發(fā)送器陣列組發(fā)出超聲波信號，超聲波傳感器采用直接反射式的檢測模式。超聲波在空氣中傳播，超聲波遇到地面或地面上的人將被反射，被反射的超聲波由超聲波接收器陣列組接收，并變換成電信號。不同的超聲波接收器陣列組中的各個(gè)超聲波接收器發(fā)出的電信號由超聲波切換開關(guān)電路選中并傳到超聲波接收信號處理模塊進(jìn)行信號處理。處理完成的超聲波電信號傳遞到微處理器單元，微處理器單元自動(dòng)測量超聲波從超聲波發(fā)送器發(fā)射到被反射再到被超聲波接收器接收的時(shí)長，通過其中的軟件計(jì)算出某一個(gè)超聲波發(fā)送器和超聲波接收器下方的地面或人到超聲波發(fā)送器和超聲波接收器的距離。

系統(tǒng)正式工作前首先需要保存地面無人時(shí)測量的距離，系統(tǒng)工作時(shí)若測得的距離小于保存的距離并超出設(shè)定的范圍，則判斷為超聲波發(fā)送器和超聲波接收器下方有人，根據(jù)每組超聲波發(fā)送器和超聲波接收器測量得到的距離判斷其下方是否有人，然后累加所有超聲波發(fā)送器和超聲波接收器下方有人的數(shù)量和，該數(shù)量和乘以一個(gè)人數(shù)綜合系數(shù)得到區(qū)域內(nèi)人數(shù)的總和。人數(shù)綜合系數(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)傳感器距離地面高度不同，人數(shù)綜合系數(shù)取值范圍一般在0.2～0.5之間。區(qū)域中人的分布位置根據(jù)超聲波發(fā)送器和超聲波接收器的位置確定。

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 微處理器

系統(tǒng)的微處理器選用STC生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)，單片機(jī)最小系統(tǒng)作為電源模塊。STC89C52在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標(biāo)準(zhǔn)8052單片機(jī)完全兼容，DIP40封裝系列與8051為引腳兼容。STC89系列單片機(jī)高速(最高時(shí)鐘頻率90 MHz)，低功耗。在單片機(jī)最小系統(tǒng)基礎(chǔ)上主要擴(kuò)展了數(shù)碼顯示電路、超聲波發(fā)射及接收電路、通信接口電路。

3.2 信號處理電路

信號處理電路主要采用集成電路芯片CX20106[7-8]，電路如圖3所示，US_R1為超聲波接收頭，OUT_INT當(dāng)收到超聲波是產(chǎn)生一個(gè)下降沿，接到單片機(jī)的外部中斷上。通過微處理器來計(jì)算出發(fā)射信號到收到信號是產(chǎn)生下降沿這段時(shí)間的長度，再通過數(shù)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)化為距離，然后在顯示器上顯示[9]。

圖3 信號處理電路

3.3 超聲波信號接收切換陣列

為避免相鄰的超聲波接收器和超聲波發(fā)送器或超聲波收發(fā)器之間相互干擾，系統(tǒng)工作設(shè)置了兩種工作模式：分時(shí)測量方式、分頻測量方式。采用分時(shí)測量方式時(shí)，超聲波接收器和超聲波發(fā)送器選用一種頻率的器件。超聲波信號接收切換電路如圖4所示。

圖4 超聲波信號接收切換電路

由微處理器發(fā)送的邏輯電平控制74LS126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[10]。顯示驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖5所示。

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、超聲波發(fā)送和接收子程序、數(shù)碼顯示子程序、輸出結(jié)果子程序。主程序完成初始化及子程序的調(diào)用。系統(tǒng)工作流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)工作流程圖

系統(tǒng)啟動(dòng)程序后首先進(jìn)行初始化，再對應(yīng)用的定時(shí)器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，之后單片機(jī)產(chǎn)生系列40 kHz的超聲波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器。由于采用超聲波發(fā)射和接收反射型結(jié)構(gòu)，它們處在同一直線上且兩個(gè)探頭距離比較近，為避免發(fā)射探頭對接收探頭的影響，需要延遲啟動(dòng)超聲波接收檢測程序；微處理器切換開關(guān)陣列選擇相應(yīng)的通道，開始準(zhǔn)備接收超聲波信號，有多個(gè)接收信號，選用循環(huán)掃描查詢的方式；之后對其距離進(jìn)行計(jì)算，取在設(shè)定范圍的個(gè)數(shù)之和，直到切換開關(guān)依次切換一次為止。得出的數(shù)據(jù)通過數(shù)碼顯示管顯示。

5 結(jié)束語

本文介紹的人數(shù)自動(dòng)檢測系統(tǒng)是基于超聲波傳感器陣列的，具有安裝簡單、測量精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，適用于公交車、電梯等人數(shù)統(tǒng)計(jì)需要根據(jù)人數(shù)調(diào)度的場所，這樣可以使車輛或電梯調(diào)度達(dá)到最優(yōu)，避免資源的浪費(fèi)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)已獲得專利授權(quán)[11]。

系統(tǒng)測量一次區(qū)域內(nèi)的人數(shù)的時(shí)間周期為0.5 s，根據(jù)前后兩次測量的人的位置的數(shù)據(jù)的變化，經(jīng)過后續(xù)處理可得到區(qū)域內(nèi)人的運(yùn)動(dòng)情況，以及人進(jìn)入和走出區(qū)域的情況。

超聲波目前在倒車?yán)走_(dá)、導(dǎo)盲系統(tǒng)[4]、自引導(dǎo)車輛等領(lǐng)域已有不少應(yīng)用，本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的兼容性等方面有待繼續(xù)研究。

[10]王喜軍,姜軍,孫福東,等.顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219在單片集中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2009,28(10)：121-123.

[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,201420073600.6[P].2014-05-11.

Design of the Automatic Detection System Based on Ultrasonic Sensor Array for Quantity of Crowd

At present,it is difficult to automatically detect the number of persons waiting for public transportation or elevators,and the existing detection systems are featuring poor accuracy and device complexity,thus the automatic detection system based on ultrasonic sensor array is designed for quantity of crowd.The system is equipped with STC89C52 as the kernel controller,and using ultrasonic ranging principle.The ultrasonic sensors are arranged above the crowd in accordance with cellular form,multiple groups of ultrasonic sensors are controlled by microprocessor to measure the distance; the distance data measured by ultrasonic sensor array are calculated comprehensively,to obtain the number of persons in the region.The system can provide the number of crowd for public transportation scheduling and elevators dispatching systems,to support implementation of automatic scheduling or statistics.

Ultrasonic sensor Ultrasonic array Automatic detection for quantity of crowd Microprocessor Ranging

甘肅省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號：1212RJZA052)。

董海棠(1973-)，女，2001年畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院車輛工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，副教授；主要從事測控技術(shù)方面的研究。

TH7；TP274+.5

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601011

修改稿收到日期：2015-05-27。