大型消费场所的人流监控系统（设计成果+说明书+任务书+开通报告）

摘要人流监控系统广泛用于购物场所，娱乐场所，工厂和车站等场所的人流量检测，为企业决策者提供准确的人流信息，进而有效组织运营工作，最大限度降低商业成本。本文介绍了一种低成本，性能可靠的人流监控系统的设计和实现。本系统基于热释电红外探测原理，以微控制芯片MCU为核心，并结合工业组态软件组态王实现的人流监控系统。系统由上位机和下位机两部分组成，下位机用于人流的检测和提供标准的RS232通信接口，主控芯片使用了ATMEL公司的AT89S52，人流检测部分采用热释电红外检测模块。上位机采用通用PC，在PC端，使用工业组态王软件（组态王）编制友好的界面。便于管理者了解监控区域的现场信息，及时进行相关人员的合理调度，同时实现了自动控制现场的灯光系统、空调系统及其他相关设备。本课题完成了整个系统的硬件和软件的设计，设计出了适用于大型消费场所的人流监控系统。关键词：热释电红外传感器组态王单片机MAX232DS1302DS18B20IAbstractThestreampeoplemonitoringsystemiswidelyusedintheshoppingplace,apublicplaceofentertainment,factoryandstationandsoon.Itcansupplytheexactinformationofthestreampeopletothedecision-makerofEnterprise,andthentoorganizetherightworkineffectively,tomakethecommercialcostaslowasitpossible.Thisarticleweintroduceawaywhichthecostislowbutthepropertiesisreliabletodesignandrealizationthestreampeoplemonitoringsystem.Thissystemisbaseontheinfraredacquisitionprinciple,regardingcontrollingthechipMCUasthecore,combinewithconfigurationking,aindustrialconfigurationsoftwareconfigurationtobringaboutthestreampeoplemonitoringsystem.Thesystemconsistsofupperandlowercrewtwomajorcomponents.ThelowercrewisusedtomonitorstreamofpeopleandprovidestandardRS232communicationinterface,thetopmanagementchiphasusedAT89S52ofATMELCompany,thestreamofpeoplemeasurementadoptsthemoduleofinfraredheatexplainselectricitydetect.TheupperadoptsthegeneralPC,inthePCend,useindustrialconfigurationsoftware(configurationking)todesignafriendlyinterface.Itisconvenientforadministratortounderstandtheon-the-spotinformationofcontrollingthearea,carryonthemanagingrationallyofrelevantpersonnelintime,andatthesametimerealizedtheautomaticallycontrolledofthelightsystem,theairconditionersystemandotherrelevantequipmentinscene.Thisdesignhasaccomplishedboththehardwareandthesoftware,andbroughtforwardakindofstreamofpeoplemonitoringsystemsuitablefortheplaceoflarge-scaleconsumption.Keywords:HeatiscleareduptheelectricinfraredtransducerkingviewOne-chipcomputerMAX232DS1302DS18B20II目录前言.1第一章系统结构及工作原理.21.1常用检测人员流动的测量方法及比较.21.1.1方案一.21.1.2方案二.21.1.3方案三.21.2系统的组成.3第二章系统的单元模块电路设计.52.1电源模块.52.2键盘输入模块.52.3数码显示模块.62.4温度检测模块.102.5时钟模块.122.6语音报警模块.152.7电器控制模块.182.8通信模块.192.9主控芯片的选择.202.10人流检测模块原理和设计.22第三章系统软件设计.253.1下位机软件.253.1.1主程序方案.253.1.2各模块子程序设计.263.2PC界面.303.2.1上位机监控软件简介.303.2.2在组态王中定义设备地址的格式.333.2.3组态王与单片机通信的命令格式.343.2.4人流监控系统界面简介.35第四章系统测试.394.1人流检测模块.394.2与组态王通信模块.404.3电器控制模块.404.4语音提示模块.404.5温度和时钟模块.40第五章结论.41致谢.42参考文献.43III0前言人流量作为衡量公共场所繁忙程度的重要指标，日益受到人们的重视，业已成为商业决策和公共安全监控的有效工具。对于商业企业而言，人流量是衡量企业经营决策的重要指标。人流量与销售额存在相关的正比关系，已经成为商业企业投资决策、发展前景和经营效果评估的重要依据。随着商业竞争的日趋加剧，商业模式也由传统的被动营销向主动营销转变，日常的人流规律分析日益受到重视。对于政府公共服务部门而言，人流量可以提供精确衡量公共设施使用效率，分析人流规律，预测发展趋势，及时准确的制定公共政策。人流监控系统广泛使用于商场、超市、博物馆、图书馆、酒吧、电影院、机场、火车站、客运码头等各类人流场所。但现有的人流监控系统中，不少系统因为其价格的原因或不易安装等原因不为人们所接受，本文介绍的人流监控系统基于热释电红外探测原理,以微控制器AT89S52为核心，并结合工业组态软件实现的。系统硬件具有安装便捷、精度高、误判率低、实时性好和功耗低等优点。系统分析软件是采用的是工业组态软件组态王，友好的界面，可以为管理人员提供更及时、更精确的客流信息。协助决策者实施有效管理，提高企业效益。软件具有帮助企业优化管理流程、减低耗损、提升服务质量、降低营运成本、提高净收益、控制经营风险、提升公司行业竞争力的作用。该系统适用于监控不做很特殊要求，单向门进出，但须能在通用PC机端直观监测的场合。1第一章系统结构及工作原理人流量对一个企业，特别是对大型消费场所是非常重要的，某一特定的时间里，知道某区域里面的人流量的多与少，对企业的经营者做出相应的决策提供非常可靠的基础。1.1常用检测人员流动的测量方法及比较1.1.1方案一此方案采用红外测障原理的检测，用一对普通的红外发射管，当有障碍物挡住的时候，就向主控芯片（如单片机）发送一个高或低电平的信号，还可通过用定时器产生或直接用单片机产生38KHZ的方波给发射管提供电压，进一步提高其稳定性。此方案电路简单，但要求做到很稳定时不易实现，而且不能满足本设计的要求，因为只要用障碍物经过检测的区域，不管是不是人都将会有反应，造成错误的判断。1.1.2方案二此方案采用高可靠微波感应人体传感器，其工作原理如下：微波感应控制器使用直径9厘米的微型环形天线作微波探测，其天线在轴线方向产生一个椭圆形半径为05米（可调）空间微波戒备区，当人体活动时其反射的回波和微波感应控制器发出的原微波场（或频率）相干涉而发生变化，这一变化量经HT7610A进行检测、放大、整形、多重比较以及延时处理后输出电压控制信号。高可靠微波感应控制器工作非常可靠，一般没有误报，是以往红外线、超声波、热释电元件组成的报警电路以及常规微波电路所无法比拟的，具有安装隐蔽、监控范围大等优点。其缺点是成本太高，高可靠微波感应人体传感器TX982模块每个65元，使用时，高可靠微波感应控制器产生的微波信号在传输、反射接收以及放大处理过程中可能引起微量噪波，过分提高灵敏度将引起噪波误触发，并且对安装位置要求很严格，不利于自己制作。1.1.3方案三此方案采用热释电红外检测模块实现人流的检测。热释电人体红外线2传感器由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成其工作原理是：通过热释电探头敏感单元采集到的环境温度的变化，并把其转换成相应的电信号输出。热释电人体红外线传感器具有低频响应（一般为0.110Hz）和对特定波长红外线（一般为515um）的响应。确切地说传感器对人体的移动或运动敏感，对静止或移动很缓慢的人体不敏感；它可以抗可见光和大部分红外线的干扰。当没有人进入传感器的检测区域时，传感器稳定输出低电平。相反，当有人进入热释电人体红外线传感器的检测范围内时，人体发射的10um左右的红外线感应到红外感应源上。红外感应源在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，在传感器的输出端输出一个12MV的正弦波信号，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到10米。实践证明，一些传感器对远在20米处快速行驶的汽车里的人体也能可靠地检测到。热释电红外传感器的特点：本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。相比前两种方案，传感器后续处理电路容易实现，解决了方案一不能解决的问题。并且此方案对外围的电路要求不高，而且性能稳定，完全符合本设计的要求。因此，本设计中采用方案三。基于方案三的工作原理，分别在入口和出口那里分别装用一个热释电红外传感器检测模块，实现对消费区域里的人流监控的目的。下图是被动式热释电红外传感器检测模块的工作原理。被动式红外传感器高、低通放大器电压比较器整形电路MCUAT89S52人流信息图1-1人流检测模块的工作原理图正常的情况下，传感器稳定的输出低电平信号，当有人进入传感器检测区域的时候，传感器就有电平信号输出，经过后续电路处理后向单片机发送一个跳变信号。1.2系统的组成系统以单片机AT89S52作为整个系统的控制核心（包括键盘、LED显示），结合涓流充电时钟芯片DS1302、单线数字温度传感器DS18B20、语音芯3片ISD4004，电平转换芯片MAX232和热释电红外检测模块，并连同工业组态软件组态王组成的人流监控系统。能对场所里的人流和场所的相关设备进行时时监控，超人数上限报警和存储预报警值的功能实际采用电路方案如下图1-2所示。图1-2系统框图MCUAT89S52前门人体红外检测模块电源部分语音报警模块键盘输入电器控制电路后门人体红外检测模块数码显示模块PC工业组态王软件界面温度检测模块时钟电路模块MAX232通信电路4第二章系统的单元模块电路设计根据系统框图图1-2，系统可分为10个部分：电源模块，键盘输入模块，数码显示模块，温度检测模块，时钟电路模块，语音报警模块，电器控制模块，MAX232通信模块，主控芯片的选择以及人体红外检测模块。下面依次介绍各个模块的详细设计。2.1电源模块整个电路的供电电源如图2-1所示，由220V交流电经变压、整流、滤波后，由78L12和78L05三端稳压器向系统提供+12V和+5V电压。图2-1电源部分对于+12V是向继电器控制电器模块提供的。即继电器的G2B-2D的工作电压。2.2键盘输入模块由图2-2可以看出电路图非常的简单，只用四个按键就可以完成各个状态的转换和模式切换，在单片机内部用动态扫描的方法对P20、P21、P22和P23进行低电平扫描即可，S1是进入调整模式选择键,总共有4种模式,分别为：1调整用电器等级,2设定当前工作人员人数，3.设定系统时间;4设定场所的顾客人数上限值，当调到尽头时又返回开始从新顺序循环；而S2则是实现累加1的功能，即实现对不同的模式状态下变量的状态值调整；S3是移位功能键，既实现在一种模式下选择不同变量的调整，S4是确定功能键，每当选择修改好一种模式下的变量后，比如设定好顾客人数上限值5后，只有按下该键后才能把新的数值保存并且恢复到常态显示。图2-2键盘接线图2.3数码显示模块电路如图2-3：图2-3数码显示电路在本设计中采用共阴数码管专用驱动芯片MAX7219来完成八位数码管6的显示，对于数码管的显示原理做一下简单的介绍：MAX7219是一款串行共阴数码管动态扫描驱动芯片,其峰峰值电流可以达到40mA,最高串行扫描频率为100MHz,典型扫描频率为1.3KHz,仅使用三线串行接口传送数据,可直接与单片机接口,用户可以方便地修改其内部参数以实现多位LED的显示.它内含动态扫描显示控制电路,每片芯片可以驱动8位共阴数码管或64个独立的LED,当多片MAX7219级联时,可控制更多的LED.总的来说,本设计采用MAX7219是基于以下考虑的.1.MAX7219可以驱动8个共阴LED,可方便地对每位进行单独刷新,不需要写整个显示器寄存器.2.外围电路只需一个电阻即可设定峰值段电流,可用于亮度调节,同时也支持软件方式调节显示器亮度.3.通信方式采用串行方式,可与任何一种单片机方便进地接口,仅使用单片要的三个I/O口,即可完成8位LED的显示控制与驱动.4.可以设置为低功耗模式,此模式下单片机人仍可对其进行数据传送与操作,而且芯片电流仅为150uA。MAX7219的内部结构图2-4MAX7219的内部结构图MAX7219的内部结构如图2-4所示。MAX7219内部主要包括移位寄存器、控制寄存器、译码器、数码管驱动器、段驱动器以及亮度调节和多路扫描电路等。MAX7219的数据格式MAX7219采用串行格式接口方式，7只需要LOAD、DIN和CLK三个引脚便可实现数码管的串行传送。MAX7219的16位串行数据格式如表2-1所示：下表MAX7219的16位串行数据格式其中，低八位表示显示数据本身，最高的四位没有使用，D11-D8用于寻址内部寄存器地址。MAX7219内部具有14个可寻址数据位和寄存器，8个数位寄存器由一个片内8X8双端口SRAM实现。它们可直接寻址，因此，可对单个数据位进行更新，并且通常只要超过数据就可以保存下来。除个数位寄存器外，MAX7219内部还有无操作，译码方式，亮度调整、扫描位数、低功耗模式和显示测试6个控制寄存器，它们的功能如下：无操作寄存器:用于多片MAX7219串联；译码方式寄存器：用于设置每个数位工作于译码格式或是非译码方式。亮度寄存器：用于显示亮度的数字化调整。显示器的亮度可以通过模拟和与数字两种方式进行调整。模拟方式在VCC与ISET引脚之间接一个电阻，调整这个电阻就可以调整数码管的每段的电流，从而调整亮度；数字方式是使用亮度调整寄存器，此时芯片内部启用一个脉宽调制器，它受亮度调整寄存器低半字节D3-D0的控制，产生16种占空比不同的输出脉冲，形成16级亮度调整。MAX7219的工作时序和部分驱动程序MAX7219的数据传输时序如图2-5所示。图2-5MAX7219数据传输时序图DIN引脚上的16位串行输入数据包在每个CLK的上升沿被移入到内部816位移位寄存器中，此过程不受LOAD状态的影响。然后，在LOAD的上升沿，数据被锁存到数位或控制寄存器中。注意，LOAD必须中第16个时钟上升沿到不之后，第17个时钟沿上升沿之前变高，否则将会丢失数据。DIN端的数据通过移位寄存器传送，并在16.5个时钟周期后出现在DOUT端，在CLK的下降沿输出。MAX7219送数据函数voidwrite(charcom,charda)/max7219chartemp,i,j;load=0;clk=0;for(i=0;ii)!=0)din=1;elsedin=0;clk=1;/上升沿存入for(j=0;ji)!=0)din=1;elsedin=0;clk=1;for(j=0;j=100？人数=暂存人数)水平移动标志=1;出门标志=0;if(人数变量60)水平移动距离=0;水平移动标志=0;if(出门标志=1)/出门人的模型控制水平移动距离=水平移动距离+20;if(水平移动距离60)水平移动距离=0;出门标志=0;在动画连接的动画连接框做如下图3-11设置：38图3-11动画连接图完成了以上的两个步骤之后，我们可以实现以下的功能（1）在立体图中直接查看当前顾客人数和用电器的等级。（2）在立体图中生动地看到人员进、出消费场所的画面。（3）知道当前消费场所里的工作人员和是否还需加派工作人员（4）在立体图中可以直接设定用电器的等级。（5）设定场所预报警的顾客人数上限值。第四章系统测试系统在硬件设计和软件编程完成后进入调试阶段，调试部分的工作主要包括三部分:系统的测试采用分模块进行测试，主要分为五个部分：394.1人流检测模块这部分是调式很重要，如果这部分不成功，就完成不了本系统功能，热释电人流检测模块主要完成检测场所里面目前的人数。例如：有人经过其检测区域后，模块就输出高电平信号，无人的时候，就稳定的输出低电平信号，结果无人时候，热释电人流检测模块也有输出，严重受到干扰。检查电路后，发现LM324运放的放大倍数设置得太大了，使得电路产生了自激，后来将运放的反馈电阻R9阻值改小了以后，重新进行调式，电路无人的时候，已经稳定的输出低电平，当人只一次经过检测模块的检测区域，在其输出端出现几次输出，再次检查电路后，发现模块的电路中门槛电压设置过低，将R12阻值调大后，解决了以上的问题，但是有发现了模块检测距离不远，达不到系统的要求，后来在传感器探头前加有菲涅尔透镜，并且用黑色的胶布遮住不想让传感器检测的方向，再次对模块进行调式，这时候发现模块正常工作了，问题已经解决。表4-1下是测试时的数据门槛电压（V）测量距离（米）灵敏度温度（度）3.63低常温3.33符合系统要求常温3.03高常温2.53很高常温由上表的数据可知，检测的距离一定的情况下，R9调得太大了，也就把运放的放大倍数增大，灵敏度固然很高，但容易受到干扰。R12不宜调得太大，这是因为电压的门槛太高，传感器反应迟钝，达不到实际检测要求。所以实际安装的时候，按如下步骤调试即可：（1）根据实际要求的检测距离，调整R12的阻值。（2）调整R9使得其调整其灵敏度达到实际要求的距离。4.2与组态王通信模块该部分应完成单片机和组态王之间的通信，例如：当有一个人进入场所40时，在组态王界面那里就会有一个人的模型从立体图中的入口走进来，相反，有人走出场所的时候，在组态王界面那里就会有一个人的模型从立体图中的出口走出去；在组态王界面中，可以直接设定场所里的最高顾客人数上限值和用电器的等级等相关的信息。在这部分调试中发现根本就不能实现以上的功能，检查电路后没发现什么问题，检查程序发现通信协议的程序是有问题，效验码写错了，更正之后，就解决问题了。4.3电器控制模块这部分的电路主要完成控制开关场所里的用电器，例如：当场所里的人数超过设定的人数后，就自动增开用电器，当人数变少了之后，自动关掉一些用电器，接上电后，发现不能以上自动控制功能，仔细检查电路后，发现是与非门74LS02坏了，换了一个好的芯片之后，问题就解决了。4.4语音提示模块这部分的电路主要完成语音提示功能，例如：当进入场所里的人数已经超过了设定的顾客人数上限值，就自动语音提示后面来的顾客先别进入场所，当工作人员不足时候，自动提醒相关人事管理人员增派工作人员，从而达到了企业合理人员的目的。在这部分调试中会发现提示音不完整的情况，检查电路没发现什么问题，检查程序后发现是放音函数的问题，由于程序中采用的时候分段录音，放完每段录音后都应该检测ISD4004的放音结束标志，并及时的更新放音地址，在每段放音地址后面都加一个一句检测放音结束标志的语句后，就解决了问题。4.5温度和时钟模块这部分的电路主要完成对场所里面的温度进行检测系统时间的设定，调式后，发现单片机读回的温度符合实际的温度，并且时钟也可以正常运行，这部分完全符合系统要求。第五章结论毕业设计终于做完了。在这个过程中，我学会了很多东西。可以说比以41前任何时候学到的东西都要多和实际。过去，这样自己动手的机会很少，大多是潜心于理论上的学习，很脱离实际，当时觉得自己好像懂了。但当自己真正动手做了才知道:理论和实际还是相差很远的，即使理解透的理论也并不一定能够马上用于实践，这还取决于平时积累的实际经验。有了丰富的实际经验才知道如何可以更好地运用理论知识。首先，通过自己设计硬件电路，积累了一些常用的硬件模块电路。比如，单片机的复位电路，显示电路，独立键盘或键盘矩阵等，这些在今后便可直接用了。其次，在调试过程中总结出了一些基本的调试方法，这在今后都是受益无穷的。最好是分模块调试，将各个模块都调试好了再集成调试，这样容易发现问题，对症下药。软件调试也一样，原先认为，事先按照逻辑推理编写的程序基本上是没问题的，当自己实践后才明白，软件调试也是一件很费神的事，需要反复调试和运行才能发现问题，从而解决问题，不断完善软件。最后经过多次测试，本系统运行效果良好，可靠性高，完全达到了预期的设计指标。同时也积累了将过程监测系统应用于生产实际的丰富经验。此外，本系统无论是在硬件上还是在软件上都留有很大的扩展余地，便于增加对消费场所里面的其它运行参数的监测，完善系统功能。本系统的不足之处在于:(1)由于本系统在设计过程中，由于时间比较紧迫，对系统上层管理工作做的相对少一些，希望以后在系统完善过程中，多做一些管理方面的工作，使系统及监测、管理于一体，功能更加强大。(2)系统在报表输出方面还暂时未能与MicrosoftExcel电子表格连接起来进行报表输出，希望在进一步完善系统功能时，能与MicrosoftExcel电子报表连起来，生成报表输出。（3）串口通讯只能短距离采集。我准备在今后的工作过程中进一步完善此设计。致谢42在毕业论文完成之际，我内心十分激动。首先要感谢学校能为我们提供这样好的学习动手环境，还有感谢在各位老师和同学这几个月的毕业设计时间里给予的帮助，在此向他们忠心地表示的感谢!特别要感谢我的导师邓鹰飞老师和我的任课老师梁汉明老师。在我做课题设计的过程中，他们不辞辛劳，与我共同探讨电路调试当中出现的问题，并为我的毕业论文提出了许多具有指导性的建议，使我颇为受益。