超聲波傳感器陣列式人數自動檢測系統設計

董海棠 馬殷元

(蘭州交通大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

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超聲波傳感器陣列式人數自動檢測系統設計

董海棠 馬殷元

(蘭州交通大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

針對當前公交車站候車人數、電梯候梯人數自動檢測困難，已有系統檢測誤差大、設備復雜的現狀，設計了一種基于超聲波傳感器陣列的人數自動檢測系統。系統以STC89C52作為核心控制器，運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，最后綜合計算超聲波傳感器陣列測量的距離數據，得到區域內的人數。系統可為公交車調度、電梯調度系統提供人群數量，為實現自動調度或統計提供支持。

超聲波傳感器 超聲波陣列 人數自動檢測 微處理器 測距

0 引言

隨著現代社會信息化的迅速發展，公共場所人數自動識別在交通運輸、商場、公共安全等領域有著非常重要的實用價值和廣闊的發展前景[1-2]。通過對某區域內的人數進行統計，可以方便地分配調度資源，實現資源的高效利用。例如，高層建筑內電梯外等候乘坐電梯人數的檢測，根據候梯人數的不同及時改變電梯的調度策略。統計公交車站候車人數，調整工作車輛的數量及監測交通狀況。公交車等交通工具內人數的統計及某固定區域內進入和離開此區域人數情況的檢測。

目前,人群人數檢測系統主要有：采用圖像識別原理的人數檢測系統、采用紅外人體感應器的檢測系統、采用光電開關檢測方式的系統。圖像識別的人數檢測系統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，從而檢測固定區域圖像中的人數[3]，這種系統檢測速度相對較低、檢測設備復雜。紅外人體感應器檢測系統受環境影響明顯，誤差較大。采用光電開關式檢測方式的系統，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境干擾，并且衰減速度緩慢，傳播距離遠，還具有容易實現、成本低、可靠性好的優勢。目前，超聲波傳感器陣列廣泛地應用于定位障礙物，車輛防撞系統和機器人躲避障礙物系統等方面[4-6]。

這些系統不具有測量人數功能，其結構、測量原理、安裝方式均與本系統不同。

1 系統總體設計

超聲波傳感器陣列式人數自動檢測系統基于超聲波測距原理。

系統總體結構框圖如圖1所示。系統主要由微處理器、電源模塊、輸出通信接口模塊、輸出數字量接口模塊、鍵盤模塊、顯示驅動模塊、顯示模塊、超聲波信號放大電路模塊、超聲波發送器陣列組、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 系統總體結構框圖

2 系統工作原理

超聲波發送器陣列組和超聲波接收器陣列組安裝在人群上方的區域，超聲波發送器陣列組和所述超聲波接收器陣列組到人群所在區域支撐平面的距離為2～5 m。把人群上方的區域均按照蜂窩狀六邊形劃分，六邊形區域的中心安裝超聲波發送器和超聲波接收器，且兩個超聲波發送器之間和兩個超聲波接收器之間的間距均為200～400 mm。選擇發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,按照排列對每個六邊形進行了編號。按照行列編號，超聲波傳感器陣列分為4組：奇數行奇數列組、偶數行偶數列組、奇數行偶數列組、偶數行奇數列組。系統選用40 kHz或50 kHz或60 kHz或70 kHz的超聲波接收器和超聲波發送器。

圖2 超聲波傳感器劃分示意圖

系統工作時，由微處理器單元產生超聲波電壓信號，超聲波電壓信號時長為1 ms，超聲波驅動電壓信號由超聲波信號放大電路模塊放大，然后驅動超聲波發送器陣列組，使安裝在上方的超聲波發送器陣列組發出超聲波信號，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超聲波接收器發出的電信號由超聲波切換開關電路選中并傳到超聲波接收信號處理模塊進行信號處理。處理完成的超聲波電信號傳遞到微處理器單元，微處理器單元自動測量超聲波從超聲波發送器發射到被反射再到被超聲波接收器接收的時長，通過其中的軟件計算出某一個超聲波發送器和超聲波接收器下方的地面或人到超聲波發送器和超聲波接收器的距離。

系統正式工作前首先需要保存地面無人時測量的距離，系統工作時若測得的距離小于保存的距離并超出設定的范圍，則判斷為超聲波發送器和超聲波接收器下方有人，根據每組超聲波發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送器和超聲波接收器下方有人的數量和，該數量和乘以一個人數綜合系數得到區域內人數的總和。人數綜合系數一般在系統安裝現場通過實驗標定。實驗表明，根據傳感器距離地面高度不同，人數綜合系數取值范圍一般在0.2～0.5之間。區域中人的分布位置根據超聲波發送器和超聲波接收器的位置確定。

3 系統軟硬件設計

3.1 微處理器

系統的微處理器選用STC生產的STC89C52單片機，單片機最小系統作為電源模塊。STC89C52在指令系統、硬件結構和片內資源上與標準8052單片機完全兼容，DIP40封裝系列與8051為引腳兼容。STC89系列單片機高速(最高時鐘頻率90 MHz)，低功耗。在單片機最小系統基礎上主要擴展了數碼顯示電路、超聲波發射及接收電路、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當收到超聲波是產生一個下降沿，接到單片機的外部中斷上。通過微處理器來計算出發射信號到收到信號是產生下降沿這段時間的長度，再通過數學計算轉化為距離，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送器或超聲波收發器之間相互干擾，系統工作設置了兩種工作模式：分時測量方式、分頻測量方式。采用分時測量方式時，超聲波接收器和超聲波發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

由微處理器發送的邏輯電平控制74LS126選通超聲波接收器陣列組中的奇數行奇數列組、偶數行偶數列組、奇數行偶數列組、偶數行奇數列組依次工作，分4次測量得到整個區域的人數。系統工作采用分頻測量方式時，超聲波接收器和超聲波發送器或超聲波收發器選用4種不同頻率的器件，奇數行奇數列組、偶數行偶數列組、奇數行偶數列組、偶數行奇數列組的器件的每組之間的頻率各不相同，組內所有器件的頻率相同。

3.4 顯示驅動模塊

顯示驅動包括一個顯示驅動芯片MAX7219電路和4個數碼管顯示器，其與單片機的連接只需要3條線：LOAD(CS)片選引腳、CLK串行時鐘引腳、DIN串行數據引腳[10]。顯示驅動模塊電路如圖5所示。

圖5 顯示驅動模塊電路

4 軟件設計

系統軟件包括主程序、超聲波發送和接收子程序、數碼顯示子程序、輸出結果子程序。主程序完成初始化及子程序的調用。系統工作流程如圖6所示。

圖6 系統工作流程圖

系統啟動程序后首先進行初始化，再對應用的定時器進行參數設置，之后單片機產生系列40 kHz的超聲波，同時啟動定時器。由于采用超聲波發射和接收反射型結構，它們處在同一直線上且兩個探頭距離比較近，為避免發射探頭對接收探頭的影響，需要延遲啟動超聲波接收檢測程序；微處理器切換開關陣列選擇相應的通道，開始準備接收超聲波信號，有多個接收信號，選用循環掃描查詢的方式；之后對其距離進行計算，取在設定范圍的個數之和，直到切換開關依次切換一次為止。得出的數據通過數碼顯示管顯示。

5 結束語

本文介紹的人數自動檢測系統是基于超聲波傳感器陣列的，具有安裝簡單、測量精度高、穩定性好的特點，適用于公交車、電梯等人數統計需要根據人數調度的場所，這樣可以使車輛或電梯調度達到最優，避免資源的浪費。該系統設計已獲得專利授權[11]。

系統測量一次區域內的人數的時間周期為0.5 s，根據前后兩次測量的人的位置的數據的變化，經過后續處理可得到區域內人的運動情況，以及人進入和走出區域的情況。

超聲波目前在倒車雷達、導盲系統[4]、自引導車輛等領域已有不少應用，本系統與其他系統的兼容性等方面有待繼續研究。

[10]王喜軍,姜軍,孫福東,等.顯示驅動芯片MAX7219在單片集中的應用[J].自動化技術與應用,2009,28(10)：121-123.

[11]馬殷元,廖理.超聲波傳感器陣列式人數自動檢測系統: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

甘肅省自然科學基金資助項目(編號：1212RJZA052)。

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

TH7；TP274+.5

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10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601011

修改稿收到日期：2015-05-27。