室内人流量监测系统设计

王存娥 ，杨延宁 ，任新成 ，张 雄

(1.延安大学图书馆,陕西 延安 716000；2.延安大学物理与电子信息学院,陕西 延安 716000)

0 引言

近年来，随着高校学生人数的急剧增加，学校的图书阅览室、自习室等地人潮拥挤[1]。在图书馆经常能够看到许多同学为寻找一个学习的座位，穿梭于各个楼层间。造成这种情况的原因一方面是阅览室面积少，另一方面的原因是阅览室的人数分布不均。有的阅览室人满为患，而有的阅览室则空余座位较多。学生不了解当前各个阅览室的人数情况，往往浪费了大量时间去寻找阅览室的空余座位而影响了学习。传统的视频监控通过在阅览室中安装摄像头的方式来对读者流量进行统计，但这种方式受人流量密集程度影响较大，只能达到监控的目的，不能对室内的读者流量进行统计，而且成本较高，不适合广泛应用[2]。因此，有必要在阅览室面积一定的条件下设计一套全新的阅览室人流量监测系统来自动监测阅览室人数，以提高阅览室的管理效率[3]。

1 设计思路

1.1 设计要求

设计要求包括四个方面：①对进入阅览室的人数进行统计，并在液晶显示屏(liquid crystal display,LCD)上显示；②对离开阅览室的人数进行统计，并在LCD上显示；③对阅览室内实时人数进行统计，并在LCD上显示；④当阅览室内人数超过所预定的人数时，蜂鸣器报警。

1.2 设计原理

本文设计的人流量计数器安装在房屋的出入口处。当传感器探测到有人进出时，产生的低电平会在单片机内部进行脉冲计数。在单片机的驱动下，LCD显示进出的人数和室内实时的人数。当阅览室内部的实时人数超过预设值时，蜂鸣器就会报警。使用复位按键对LCD进行清零。系统主要由单片机、报警电路、红外光电传感器、显示电路、按键电路等模块组成。系统设计原理如图1所示。

图1 系统设计原理图

1.3 方案选择

系统的核心控制单元选用STC89C52单片机，按键电路用来设定系统的阀值，即报警值。时钟电路与复位电路是单片机正常工作所不可或缺的。本文选用成熟的字符型显示器LCD1602。与传统的LED数码管显示相比，LCD1602机身薄，显示信息量丰富，节省电力，占用系统I/O口少，能够有效节约系统资源[4]。光电检测模块是本设计的关键。与对射式光电传感器相比，反射式红外传感器的发射器与接收器集成，具有探测距离远、受可见光干扰小、易于装配和使用方便等特点。因此，光电检测模块选择反射式红外传感器E18-D50NK[5]。该传感器具有监测分辨率高、响应时间短、非接触等优点。

2 硬件电路设计

硬件电路由电源电路、键盘电路、红外检测电路、单片机的复位电路和晶振电路、LCD显示电路以及报警电路构成。核心模块为STC89C52单片机，红外发射与接收电路E18-D50NK、显示模块LCD1602。

将人流量计数器安装在阅览室的出入口处，E18-D50NK可以实现对进入人员和离开人员的检测。当传感器探测到有人进出时，低电平会在单片机内部进行脉冲计数。E18-D50NK反射式红外传感器的发射器与接收器集成。当有人从阅览室出入口通过时，发射器发出的红外光束会被人体反射，然后被接收器接收。随着光信号的变化，光电元件的电信号也会随之改变，形成脉冲信号。该信号送到单片机STC89C52内计数。LCD1602在单片机的驱动下显示人数信息，实现了人数的实时统计。工作前，通过复位电路使系统进行初始化。与自动复位电路相比，手动复位不需要编写程序。当系统电路在工作电压下进行正常工作时，通过手动方式使单片机系统复位。当阅览室的人数达到预先设置的报警值时，系统会进行报警。管理人员根据报警信息采取相应的措施，限制阅览室的人流量。

自然界中的太阳光中存在一定量的红外光线。除此之外，一些特定的人工光源也存在红外光线，如篝火火焰、日光灯和广告灯等。这些红外线会干扰接收器的正常工作[6]。因此，必须尽可能地减小这些红外光线的干扰。分析发现，尽管杂散的红外光线很多，但是其波长却有一定的差异。本文采用调制解调法来解决这个问题。具体来说，就是用发射器发射频率固定的红外光束，然后再让接收器来区分某一个频率已知的红外光束，最终解决了杂散光束的干扰[7]。

3 软件设计

系统总流程如图2所示[8]。

图2 系统总流程图

软件控制程序主要由主程序、液晶显示程序和设置计数报警程序三部分组成。它们主要实现计数加减、键盘扫描、LCD显示以及设定超值就报警等功能。软件编程部分包括对键盘电路的按键识别、报警人数的预设、LCD显示内容以及室内人数超过预设值时报警等。

当处于正常的工作电压下时，系统首先会进行初始化操作。根据图书阅览室的实际情况，给系统设定阀值，即报警值。接着红外光电传感器检测有无人进出。若无人进出，则继续等待；如果有人进出，则读取进出人数的数值。通过单片机的驱动在LCD上显示具体的数值，当达到预设的报警值时，系统就会报警。如果要使系统停止报警，可以按复位按键停止报警，主程序初始化，系统再次正常工作。系统主流程如图3所示。

图3 系统主流程图

LCD1602液晶是字符型液晶，它内部自带有字符库，可以写两行，每行16个字符。写显示服务程序时，要先写命令，然后设定字符的显示，最后写数据。每写一次命令或数据，都要判断液晶是否忙。液晶显示程序流程如图4所示。

图4 液晶显示程序流程图

4 系统调试

系统设计由软件和硬件两部分组成，两者相辅相成。调试是确保系统正常工作的关键步骤。系统的调试过程由三个阶段组成，分别为硬件电路调试、软件总体程序调试和软硬件结合调试。

首先，进行硬件电路调试。在蜂鸣器的供电端接+5 V的电压，并在与单片机相连的一端加上低电平，蜂鸣器可以连续发出响声，表明蜂鸣器能够正常工作，报警电路正常。用万用表分别检测复位电路、时钟电路、程序下载接口以及电源各部分的连线是否有问题，经测试，一切正常。软件调试是整个系统调试过程中不可缺少的一部分。只有当软件调试成功时，系统才有可能实现其功能。在KEIL软件中，用C语言编写程序;然后用KEIL的编译功能编译，来检查程序是否有语法等错误。根据编译完的下方提示进行分析，反复修改程序一直到编译成功为止[9]。将编译好的程序下载到PROTEUS仿真软件中测试，仿真结果符合要求。在硬件电路和软件调试都完成以后，最后对整个系统进行整机软硬件结合调试。

5 结束语

本文设计的阅览室人流量监测系统能够准确、快速地统计进入和离开阅览室人数以及室内的实时人数。当超过预设值时,蜂鸣器进行报警。本设计还存在一些缺陷，比如不能准确区分进入室内的物体和人。因此，有必要进一步完善设计，提高系统的抗干扰性，使系统更加适应环境，扩展应用场合。