基于单片机动态容量监控系统毕业设计.doc

毕业设计中图分类号:TP273公共场所动态容量监控系统设计 专业名称：应用电子技术学生姓名：汤志斌导师姓名：张琦职 称：讲师 焦作大学机电工程系2013年 12 月 中图分类：TP273 密级：无UDC： 单位代码：公共场所动态容量监控系统设计Design of Dynamic Monitoring System for Public Place People Flows姓 名汤志斌学制3 年专 业应用电子技术研究方向电子技术导 师张琦职称讲师论文提交日期2013.12.25论文答辩日期2014.01.04焦作大学焦作大学毕业设计 摘要26摘要随着中国社会的发展趋势，城市化建设的步伐加快，城市规模不断扩大人口集中，对城市公共基础设施造成了很大的负担，高强度转和超容量都对基础设施和人身都造成了一定的风险承受，所以说科学的限流和预警是必然的。对于现在科技的发展单片机和传感器的技术日益成熟，成本又相对比较低，维护简单等特点，所以说运用单片机与传感器对公共场所动态容量的监控是可行的，且是优异的。同时可以运用到商场超市的人流量检测.本设计采用STC89C52单片机实现公共场所动态容量监控系统的综合应用了单片机复位系统、定时器、计数器等知识，主要运用了STC89C52单片机，LED1602显示模块，AMS1117稳压模块，激光检测，等元器件运作组成。 关键词：大型公共场所；动态容量监控；灾难预警；焦作大学毕业设计 AbstractAbstractWith the development trend of Chinese society, the accelerated pace of urbanization, expanding urban population is concentrated in urban public infrastructure caused a great burden, and ultra-high-strength transfer capacity and physical infrastructure are all caused some risk tolerance, so that the scientific limit and warning is inevitable. For now microcontroller and sensor technology development of increasingly sophisticated technology, cost and relatively low maintenance and simple, so that the microcontroller and sensors to monitor the use of public places dynamic capacity is feasible, and is excellent. Supermarkets and can be applied to the detection of human traffic.This design uses a public place STC89C52 MCU dynamic capacity monitoring system integrated application of microcontroller advantages reset the system, timers, counters and other knowledge, application of the sensorKeywords: STC89C52 SCM; LED1602 display module; AMS1117 regulator module; laser detection;焦作大学毕业设计 目录目录一 绪论4二 设计功能与结构52.1基本要求及功能52.2设计的初步假想与结构5三 设计设备选择与确定框图73.1单片机的选择73.2显示模块选择73.3语音模块选择73.4检测模块选择83.5总体设计框图9四 系统及各模块工作状态114.1 单片机最小电路114.2 数据采集模块164.3单片机计数模块184.4显示模块194.5语音模块20五 系统软件设计235.1软件流程图235.2软件程序说明24六 设计总结25参考文献26致谢27焦作大学毕业设计 第一章 绪论一 绪论随着中国社会的发展趋势，城市化建设的步伐加快，城市规模不断扩大人口集中，对城市公共基础设施造成了很大的负担，人们的生活水平不断提高，每到节假日，各重点景区，特别是博物馆等地，参观人数激增都会给为景区的文物保护和安全管理工作带来很大的压力。为了应对急剧增加的旅客人数，保护当地的文物和旅游公共设施，维护各个景区或博物馆的正常次序，提高景区游客的旅游质量，许多博物馆和景区都采取了景区游客每天总量限制、限流、分流等措施。为更好实现景区人流量统计管理，需要设计一种人流量统计监控系统可以实时对某区域内的人流量进行实时测量并把数据显示在监控系统上，同时住房办公楼层高度越来越高,近几年发生了多次重大高层火灾,造成了严重的人员伤亡和财产损失,对于高层的救援行动,准确地了解楼宇内人员的分布情况非常重要,可以使救援更有针对性,为救援争取最宝贵的时间. 目前的人流量统计系统采用的大多是单一的探测手段，误差较大。有一些复杂的系统，例如基于图像传感器（Charge Coupled Device，CCD）的图像采集系统，操作复杂、获取信息困难、数据量大、成本较高，不适合大面积的使用和推广。开发一套成本低、应用范围广、操作简便的系统显得十分必要。因此，针对目前现有系统的不足，本设计提出设计一套基于人流量统计的灾害救援的系统。该系统将采用多传感器的探测方式，使采集的数据更加准确；数据传送采用无线传输模式，节约成本、减少布线；供电系统采用直接供电和蓄电池供电双路供电的方式，保证系统在突发事件导致主电源被切断的情况下仍然可以继续工作，当灾害来临的时候数据传输不会中断。焦作大学毕业设计 第二章 设计功能与结构二 设计功能与结构2.1基本要求及功能 本文设计了一种基于单片机的人流量统计器, 利用激光传感器对进入和离开空间内的人流量进行计数,然后把计数值送入单片机进行分析, 计算出特定时段公共场所内人流量、人流方向、数量规律等, 之后将数据存储到存储器中, 并将相关数据送到显示器显示。同时系统能够统计某天进入公共场所总人数, 并可以将每天的人流量保存起来, 供需要时查询, 从而得到比较理想的测量效果。 首先确定公共场所的额定容量,不可以超过的上限,以及目前的容量的统计;因此人的出入都要精确的识别好正确的记录.同时当记录值达到额定上限或接近时提前做出预警,以及限流,只出不进等控制指令.图 1-1动态监控系统入口检测1、设计双激光传感器检测电路，分别监测进入、走出场所的人，如图1-1；2、再设计出单片机最小系统，用来接收信号、计数处理和发出指令；3、最后设计出预警系统，接收单片机指令，对公共场所内的人流量控制。2.2 设计的初步假想与结构该系统首先需要一个中央数据处理系统初步决定使用单片机完成,与之配套需要有电源模块,复位模块,时钟模块,和下载模块来组成一个单片机的最小单元；其次需要数据采集,首选技术相对成熟而且高效低廉的的传感器技术；然后还需要显示和报警两个模块来完成整个系统功能的运行；如图1-2所示。显示模块语音报警模块单片机最小单元传感器检测模块图1-2主要模块组成焦作大学毕业设计 第三章 设计设备选择与确定框图三 设计设备选择与确定框图3.1单片机的选择方案一:选择8031单片机芯片8031芯片内部无ROM,需要外扩程序存储器,由此造成电路焊接的困难,况且使用8031还需要另外购买其他的芯片,从而造成成本较高,性价比低。方案二：选择AT89C52AT89C52芯片内部有ROM,且片内ROM全部采用Flash ROM,它能于3V的超低压工作, 片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元与MCS-51系列单片机完全兼容。结合实际，选择AT89C52单片机来设计。3.2显示模块选择方案一：LED点阵显示，是由八行八列的发光二极管集成在一块电路上组成，主要用来显示汉字，同时也能显示数字和少量图象,但它的焊接较麻烦,价格高，鉴于所设计的题目要求它不切实际。所以排除此方案。方案二：LED七段数码管静态显示，电路容易理解且驱动的程序简单，多片七段译码器驱动显示，这不仅增加了成本，还需要占用单片机多个I/O口，也给电路的焊接带来一定的困难，因此不选用这种方案作为显示模块。方案三：采用LED数码管动态扫描显示，价格低廉，不仅减少了对I/O口的浪费，而且能够同时驱动多个数码管。其驱动程序容易编写和理解。但显示内容太多时，显示就变得困难。方案四:LCD数码管液晶显示,由单片机驱动.它主要用来显示大量数据、文字、图形，能够显示的位数多，显示得清晰多样、美观。经过四种方案的比较以及本系统实际，由于该系统需要显示两个内容，上述的LCD液晶显示比较妥善，我们选择各方面性价比都比较高的LCD1602液晶。3.3语音模块选择方案一：采用APR9600语音芯片台湾公司最新推出的APR9600语音录放芯片，是继美国ISD公司以后采用模拟存储技术的又一款音质好、噪音低、不怕断电、可反复录放的新型语音电路，单片电路可录放32-60秒，串行控制时可分256段以上，并行控制时最大可分8段。它较ISD系列语音芯片易于控制且价格也较便宜。方案二：选择WT588语音芯片WT588系列语音芯片是中国广州唯创科技有限公司中国台湾华邦共同研发出来的集单片机与语音电路与一体的可编辑语音芯片。可控制的语音地址位能达到220个，每个地址位里能加载可组合语音为128段，总共28160段语音，足以应对商场的巨大客流量。其特点：1、 持2M32M的SPI-Flash内存，播放时长较大；2、内嵌DSP高速音频处理器，处理速度快；3、内置13Bit/DA转换器，以及12Bit/PWM输出，音质好；4、可通过专业上位机操作软件，随意组合语音；5、USB下载方式，支持在线下载/脱机下载，即便在WT588通电的情况下，也一样可以正常下载数据到SPI-Flash；抗干扰能力强，可用于公共或者工业场合。由于本系统要求语音准确好时效性，所以综合考虑所以选择WT588作为语音播报的主控芯片。3.4检测模块选择方案一：红外漫反射传感器1 抗干扰能力强 2 检测敏感度高 3 价格便宜，成本低但是最高测量距离在二至三米,对于较大的公共场所来说有点不切实际。方案二: 热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出1020米范围内人的行动。但是对环境的抗干扰能力还是有限,容易受到光线和温度的影响.方案三:激光传感器利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等激光按能量分累，用于此处的传感器应属于第类激光，是无公害激光。因采用能量不高的激光，对人的身体不会造成伤害.经过以上的综合考虑,决定选用激光传感器。3.5总体设计框图本设计系统主要包括单片机最小单元和驱动系统。单片机最小单元是由供电电路、复位电路、晶振电路、电频转换电路及单片机电路组成，驱动系统部分主要由双激光模块电路和稳压语音模块组成框图如图3-1。STC89C51单片机电路供电电路复位电路晶振电路MAX232电频转换电路激光检测信号LCD1062液晶显示语音模块指令激光检测信号激光检测电路语音模块指令WT588语音模块电路AMS1117稳压模块图 3-1 设计框图 焦作大学毕业设计 第四章 系统及各模块工作状态四 系统及各模块工作状态本系统采用以STC89C52系列单片机为控制中心，以及外围供电、复位、晶振、MAX232构成电平转换电路组成单片机最小系统电路，用AMS1117构成的稳压模块、WT588构成的语音模块以及双激光组成的检测模块共同组成驱动系统电路，激光检测信号传送给单片机，单片机做出计数与判断，给语音模块发出播报相应语音指令，同时让LCD1602液晶显示额定人数与剩余人数。本系统是STC89C52单片机最小系统、LCD1602液晶显示驱动电路、激光检测电路、WT588语音播报电路共同组成的.其中单片机AT89C52为8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。4.1 单片机最小电路单片机最小系统电路主要包括供电电路、复位电路、晶振电路、MAX232电平转换电路和STC89C52单片机电路组成。1、STC89C52单片机电路作为整个系统的控制及数据处理。STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.7， STC89C52主要功能如表3-1所示。表4-1STC89C52主要功能STC89C52主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写FlashROM 32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-Flash Programmable andErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。管脚如下：图4-1图4-1 STC89C52单片机电路2、电平转换电路NAX232是用来做电平转换的,标准 RS232 电平很高，达正负15V常用的 TTL 电平最高5V。相互连接的话，必须进行电平转换,由于电脑串口输出电压高达12V，直接与单片机连接会烧坏芯片。所以用MAX232来进行电平转换。串口电路采用MAX232芯片，MAX232为+3.3V供电，其中RXD为接收数据，TXD为发送数据,供单片机读取和处理，电路如图4.2图 4-2 转换电路图3、复位电路复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表4-2所示。表4-2 一些寄存器复位状态寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTL0OOHPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTP0000HTH100HP0-P3FFHSCONOOHIPXX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0X0000BTMODOOH复位电路，就是 利用它把电路恢复到起始状态。就像计算器的清零按钮的作用一样，当你进行完了一个题目的计算后肯定是要清零的是吧！或者你输入错误，计算失误时都 要进行清零操作。以便回到原始状态，重新进行计算。电路如图4-3图 4-3 复位电路图4、供电电路系统供电原理如图4-4所示，采用+5V电压供电，若选用12V的变压器，整流滤波后输出往往大于12V，会使稳压器功耗大，自身温度较高。故不选着输出电压为12V的变压器，而选用输出电压为9V的变压器。系统接通220V交流电源后，将220V交流电变压到9V，经过二极管全波整流、电解电容C1，C2滤波，再经正输出稳压器LM7805，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端还采用了电容C3，C4，最后得到+5V的直流电压，用于给控制系统中单片机系统及其它外围电路的Vcc端供电。.图4-4 系统供电原理图在硬件时钟模块中，为了在断电后硬件时钟能正常运行，故采用主从双电源供电方式。硬件时钟一般在系统的+5V主电源情况下工作，而只有系统+5V主从电源消失的情况下，为确保硬件时钟的正常运行，设计一个3.6V的可充电锂电池作为备用电源。5、晶振电路 STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图4-5所示，在X1和X2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。 晶振电路的作用就是为系统数据读写运行提供一个有序的环境，并控制单片机的运算速度。图 4-5 晶振电路4.2 数据采集模块传感器采用激光传感器，设置在场所入口处，两个传感器在同一水平面上，其轴线方向与人体移动方向垂直，当有人经过时，它将人体辐射的红外光变换成电信号，由信号调理电路进行放大、滤波、门限比较，输出脉冲信号，经光电隔离耦合后将2 路脉冲信号并行输入到单片机，通过单片机计数系统进行计数并送到显示器显示。激光发射和接收装置，是采集人员通过时激光的通断，并将结果传输给主控制器。根据系统需要，拟采用2组激光发射接收装置，分别是G1和G2。激光接收器收到低电平时表示端口未接收到激光，相反高电平表示接收到激光。2组激光装置前后并列放置，如下图所示，其中G2内方向。使用2组激光装置有助于判断“入”、“出”。当顾客“入”时，将先阻挡1号激光；当顾客“出”时，将先阻挡2号激光。通过采集激光通断的先后顺序，可以达到判断顾人员进出的目的。实际系统中，激光G1的接收端接单片机的P0.0端口，激光G2的接收端接单片机的P0.1端口。在激光模块电路中增加2个发光二极管实时显示接收器状态，接收器未接收到激光时灯亮G2G11激光发送端激光接收端控制系统图4-6 激光装置结构图接进出激光传感器的3孔排座2个、10K电阻2个、1K电阻2个、LED灯2个及信号输出2孔排座1个组成激光检测电路，如图4-7图 4-7 激光检测电路图传感器易受外界影响，于是要在使用时特别注意抗干扰性能。1.防止小动物干扰 探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上的小动物，不产生信号。2.抗灯光干扰 探测器正常灵敏度范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生信号。4.3单片机计数模块计数采用T0 和T1，采用两个计数器目的是可以判断出人体移动的方向，将T1 路的传感器安装在离场所入口较近处，而T0 路传感器则安装在离场所入口较远处，将T0 和T1 都设置成计数方式2，初值为FFH ，允许中断，T 0 、T 1 自然优先级顺序，当T0 或T1 口有下降沿时会产生中断并执行中断处理程序，如果有人进入场所则计数器加1，相反，如果有人离开场所则计数器减1。当人进入场所时，先进入T0 视场，T0 产生中断，中断服务程序中置位标志位00H，标志位01H 为0，接着进入T1 视场，T1 产生中断，中断服务程序中置位01H 且计数寄存器加1 ,如图4-8(a)当人离开场所时，T1 先产生中断，中断服务程序中置位标志位01H，标志位00H 为0，接着T0 产生中断，中断服务程序中置位00H 且计数寄存器减1,如图4-8(b) 场所实际人数程序流程图如图4-9所示。图4-8 进出信号判断图 4-9人数程序流程图4.4显示模块 显示模块采用已经很普遍的LCD1602，1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：VSS为电源地第2脚：VCC接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。3.3V或5V工作电压，对比度可调内含复位电路提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能有80字节显示数据存储器DDRAM内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM主要由16孔排座、1.8K电阻和0欧电路组成，如图：4-10图4-10 LCD1602液晶显示驱动电路图4.5语音模块WT588语音播报电路包括：以AMS1117芯片为主控，C1、C2电容，R5电阻和LED组成的稳压供电模块；以WT588芯片为核心，J6信号输入双孔排座和J2语音信号输出双孔排座。如图：图 4-11 WT588语音播报电路表4-3 管脚示意图封装引脚引脚标号简述功能描述1/RESET/RESET复位脚，低电平保持5ms有效2DACDACDAC音频输出脚，需要从软件设置DAC输出才生效3PWM+PWM+PWM+音频输出脚，需要从软件设置PWM输出才生效4PWM-PWM-PWM-音频输出脚，需要从软件设置PWM输出才生效5P14DISPI-FLASH数据输入脚6P13DOSPI-FLASH数据输出脚7P16CLKSPI-FLASH时钟脚8GNDGND地线脚9P15CSSPI-FLASH片选脚10P03K4/CLK/DATA按键/三线时钟/一线数据输入脚11P02K3/CS按键/三线片选输入脚12P01K2/DATA按键/三线数据输入脚13P00K1按键输入脚14VCCVCC存储器电源输入脚15BUSYBUSY语音播放忙信号输出脚16VDDVDD数字电源输入脚焦作大学毕业设计 第五章 系统软件设计五 系统软件设计5.1软件流程图整个系统软件运行流程如下图图5-1 系统软件流程图 每当系统需要运行时首先启动系统，单片机开始读取C语言源代码。这是需要使用复位电路使系统状态归零，LED显示模块启动显示归零，激光传感器启动开始检测遮挡物，并向单片机发射脉冲信号。当系统判断为进入时系统开始计数加1，同时发送信号给显示器并储存。当单片机检测判断有人出去，就会同时计数减1，发送信号至显示器并储存。5.2软件程序说明首先“开始”，打开电