王 賀，高 峰，范吉軍

（武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430023）

基于Proteus 的一種人員分布計(jì)數(shù)裝置的設(shè)計(jì)及仿真

王 賀，高 峰，范吉軍

（武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430023）

文中設(shè)計(jì)了一種基于壓電傳感器的人員分布計(jì)數(shù)裝置。該裝置以人體坐在座位上產(chǎn)生的壓力作為檢測信號，單片機(jī)接收各區(qū)域壓電傳感器輸入的高低電平信號并存儲，判斷會場的人數(shù)。還可以對人員的分布情況實(shí)現(xiàn)可視化分析。當(dāng)有人坐在座位上時(shí)，壓電傳感器會產(chǎn)生壓電信號，經(jīng)過放大和檢測后，輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理，最后在液晶顯示屏上顯示人員人數(shù)和分布情況。本設(shè)計(jì)基于Proteus軟件根據(jù)電路設(shè)計(jì)，搭建電路平臺最后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真。

壓電傳感器；人員計(jì)數(shù)；單片機(jī)；Proteus

當(dāng)前，國內(nèi)外對某些公共場合的人員數(shù)量和人員分布情況的統(tǒng)計(jì)，仍采用比較傳統(tǒng)的手工統(tǒng)計(jì)方式。這種純手工作業(yè)的統(tǒng)計(jì)方法，得到的數(shù)據(jù)存在很多缺陷，準(zhǔn)確度低、人為的影響因素多，而且不可能做到二十四小時(shí)的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，同時(shí)還浪費(fèi)了大量的人力資源。本文基于上述情況，設(shè)計(jì)了一種便捷、高效和低廉的人員分布計(jì)數(shù)裝置，實(shí)現(xiàn)人員計(jì)數(shù)功能，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

1　設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)本裝置的目的在于提供一種基于壓電材料的可視化人員分布系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，而且可以通過AMPIRE128X64在顯示屏上詳細(xì)的顯示人員分布情況。

如圖1所示，本裝置由壓電傳感器、比較器、放大器、單片機(jī)和顯示器構(gòu)成。其特征是每個(gè)座位上安裝有壓電傳感器，放大器，比較器。壓電傳感器輸出的信號比較微弱，需要經(jīng)過放大之后才能被檢測，所以在每個(gè)壓電傳感器之后連接放大器[1]。壓電傳感器輸出的電信號與壓力有關(guān)，壓力越大輸出的電信號的電壓幅值越高[2]。為了方便單片機(jī)檢測，將信號輸入比較器，比較器輸出的信號只有高低電平信號，此時(shí)單片機(jī)就可以檢測到人員分布的信號了[3-4]。由于單片機(jī)每個(gè)輸入輸出接口對應(yīng)一個(gè)座位，因此可以確定人員的分布信息。顯示界面上可以實(shí)時(shí)的顯示當(dāng)前人員的分布信息和人員的總數(shù)。

圖1　某會場里的人員分布計(jì)數(shù)裝置

本裝置的效果是：

1）該實(shí)用新型可以統(tǒng)計(jì)人數(shù)，還可以對于人員的分布情況圖形可視化；

2）易于實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡單；

3）實(shí)用效果精確度高，準(zhǔn)確性強(qiáng)。

本設(shè)計(jì)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

這是一種基于壓電傳感器的可視化人員分布和計(jì)數(shù)的控制系統(tǒng)，它包括壓電傳感器（1）、放大器（2）、比較器（3）、單片機(jī)（4）、顯示器（5）組成。壓電傳感器連接放大器，放大器連接比較器，比較器連接到單片機(jī)，單片機(jī)連接接顯示屏。

圖2　本設(shè)計(jì)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

2　設(shè)計(jì)的實(shí)施方式

如圖2所示，本裝置是這樣實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)座位上面安裝有壓電傳感器（1）、放大器（2）、比較器（3）。壓電傳感器（1）連接放大器（2），放大器（2）連接比較器（3），再連接到單片機(jī)（4）上，單片機(jī)（4）連接顯示器（5），顯示器可以顯示人員分布和人員總數(shù)。如圖1所示，如會場座位分布所示，分為A、B、C3個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域有N個(gè)座位。在顯示屏上顯示著人員的座位分布，有人坐時(shí)，該座位顯示為燈亮，沒有人時(shí)，顯示為黑色。使用時(shí)，當(dāng)人坐上安裝有壓電傳感器的座位上時(shí)，壓電傳感器（1）會產(chǎn)生電壓，經(jīng)過放大器（2）將壓電傳感器（1）產(chǎn)生的電壓放大，放大后的電壓經(jīng)過比較器（3）處理后，此電壓處在單片機(jī)（4）的能檢測的范圍內(nèi)，傳輸給單片機(jī)（4），通過顯示屏（5）來查看座位是否有人。這樣便可以實(shí)現(xiàn)座位的可視化。

3　人員分布計(jì)數(shù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)

為了便于安裝和使用，文中所設(shè)計(jì)的人員分布計(jì)數(shù)裝置由兩部分組成，一部分是信號采集裝置，主要由壓電傳感器、信號處理電路和接口電路組成；另外一部分是信號處理裝置，主要由接口電路、單片機(jī)和液晶顯示屏組成。兩裝置之間通過有線方式通信，系統(tǒng)的主要硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)的主要硬件結(jié)構(gòu)圖

電路由放大器和比較器組成。當(dāng)人坐在座位上時(shí)，產(chǎn)生的壓力作用在壓電傳感器上，壓電傳感器產(chǎn)生微弱電壓，經(jīng)放大器放大后，能被檢測[5-6]。將放大后的電壓信號輸入到比較器，由于比較器輸出的只有高低電平之分，所以能被單片機(jī)檢測[7-9]。在文中，放大器選用LM258，比較器選用LM393。信號處理電路中的檢測與放大電路如圖4所示。

壓電式傳感器的測量電路：

圖4　壓電傳感器信號檢測電路

圖5　放大器電路

圖6　等效電路

式中：Um為壓電元件的輸出電壓幅值。因此可求得放大器的輸入端電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為

Ui的幅值Uim為

輸入電壓和作用力之間相位差為

在理想的情況下，輸入電阻Ri與傳感器的Ra電阻值都可以看做無限大，即ω（Ca+Cc+Ci）R＞＞1，此時(shí)輸入電壓幅值Uim為

由上式可以得出前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關(guān)，一般在ω/ω0＞3時(shí)，就可以認(rèn)為Uim與ω沒有關(guān)系，ω0表示測量電路時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)，可求得

4　系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真采用 Proteus軟件 （一款電路設(shè)計(jì)與仿真軟件），它包括ISIS、ARES等軟件模塊[10]。ARES模塊主要用來完成PCB的設(shè)計(jì)，而ISIS模塊用來完成電路原理圖的布圖與仿真。Proteus的軟件仿真基于VSM技術(shù)，它與其他軟件最大的不同也是最大的優(yōu)勢就在于它能仿真大量的單片機(jī)芯片，比如MCS-51系列、PIC系列等等，以及單片機(jī)外圍電路，比如鍵盤、LED、LCD等[11]。

由于Proteus軟件沒有壓電傳感器的仿真元器件，而壓電傳感器輸出信號只有高低電平之分，所以這里采用可以仿真的開關(guān)來代替。如果需要有更多的座位，可以再添加開關(guān)，跟使用有更多端口的單片機(jī)。系統(tǒng)仿真的整體電路圖如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)仿真電路圖

在智能儀表操作過程中，需要進(jìn)行人機(jī)對話，它的顯示界面要人性化[12]。常規(guī)的數(shù)碼管顯然不能滿足要求，因此液晶顯示模塊大量應(yīng)用在人機(jī)對話的顯示模塊中[13-15]。文中采用的是12864液晶顯示屏。當(dāng)教室里有若干人就坐時(shí)，閉合相應(yīng)的開關(guān)。我們就能在液晶顯示屏上對應(yīng)的位置看到具體的人員分布位置并在屏幕下方顯示出總?cè)藬?shù)為多少。

如圖7所示，當(dāng)教室里有1人入座，閉合1個(gè)開關(guān)。我們能在液晶顯示屏上看到這個(gè)人坐在教室的哪里，并且人數(shù)為1。一人就坐界面仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8　一人就坐界面

5　結(jié)　論

文中設(shè)計(jì)的壓電式人員分布計(jì)數(shù)裝置，以壓電傳感器為采集信號核心，以51單片機(jī)為信號處理核心器件，在液晶顯示屏上實(shí)現(xiàn)人員人數(shù)和人員分布的統(tǒng)計(jì)。本文給出了該人員分布計(jì)數(shù)裝置的設(shè)計(jì)方案，并且完成了硬件和軟件的設(shè)計(jì)，最后利用Proteus軟件進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果證明該裝置是完全可行的。所設(shè)計(jì)的人員分布計(jì)數(shù)裝置不僅可以統(tǒng)計(jì)人數(shù)，還可以對于人員的分布情況實(shí)現(xiàn)可視化；此外其結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、精確度高，特別適合于大型會議室、教室、體育館等公共場所。

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A personnel distribution based on proteus counting device design and simulation

WANG He，GAO Feng，F(xiàn)AN Ji-jun
（College of Electrical and Electronic Engineering，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China）

This paper designed a kind of piezoelectric sensor based on the personnel distribution of counting device.The pressure to the device in the body seat as a detection signal，piezoelectric sensors in each region of MCU receives the input of the high and low level signal and stored，judge the number of the venue.Can also to personnel distribution of visualization analysis.When someone sitting in the seat，piezoelectric sensor will produce piezoelectric signal，after amplification and detection，the input to the single chip microcomputer，finally displayed on the LCD screen number of personnel and distribution.This design based on Proteus software according to the circuit design，establish the platform circuit finally realize system simulation.

piezoelectric sensor；personnel count；microcontrollers；Proteus

TN206

A

1674－6236（2016）22-0050-03

2015-11-25稿件編號：201511239

王 賀（1990—），男，江蘇宿遷人，碩士研究生。研究方向：控制理論與控制工程。