课程设计电子门卫系统之进出人员计数器.docx

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课程设计电子门卫系统之进出人员计数器

沈阳工程学院

课程设计

设计题目：

电子门卫系统之进出人员计数器

系别信息工程系班级通信本101

学生姓名宋岱远学号2010416125

指导教师于源、秦宏职称讲师/副教授

起止日期：

2012年06月11日起——至2012年06月21日止

沈阳工程学院

课程设计任务书

课程设计题目：

电子门卫系统之进出人员计数器

系别信息工程系班级通信本101

学生姓名宋岱远/张弥/张鹤

学号25/16/10

指导教师于源、秦宏职称讲师/副教授

课程设计进行地点：

教学B419

任务下达时间：

2012年5月25日

起止日期：

2012年06月11日起——至2012年06月21止

教研室主任曲延华2012年5月7日批准

电子门卫系统之进出人员计数器的设计

1设计主要内容及要求

1.1设计目的：

（1）掌握进出人员计数器的构成，原理与设计方法；

（2）熟悉集成电路的使用方法。

1.2基本要求

（1）对通过门禁系统同进出的人员数目进行计数显示，从0-9999；

（2）门禁系统里、外分别安装两个传感器（比如红外传感器）A、B，每当有人进入时将顺序经过A、B，每当有人出去时将顺序经过B、A，设计电路区分此人士进入还是出去；

（3）要求分别统计和显示进去的人员人次、出来的人员人次、里面还逗留的人员人数；

（4）当逗留人数超限时报警（比如500人）。

1.3发挥部分

（1）当人次计数器达到9990-9999时，发出溢出报警信号；

（2）考虑有人经过A（或B）却没有继续前进又退出——即连续且只经过两次A（或B）的情况如何处理？

2设计过程及论文的基本要求：

2.1设计过程的基本要求

（1）基本部分必须完成，发挥部分可任选2个方向：

（2）符合设计要求的报告一份，其中包括逻辑电路图、实际接线图各一份；

（3）设计过程的资料、草稿保留并随报告上交；报告的电子档需全班统一存盘上交。

2.2课程设计论文的基本要求

（1）参照毕业设计论文规范打印，文字中的小图需打印。

项目齐全、不许涂改，不少于3000字。

图纸为A3，附录中的大图可以手绘，所有插图不允许复印。

（2）装订顺序：

封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及参数计算（重要）、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（逻辑电路图与实际接线图）。

3时间进度安排

顺序

阶段日期

计划完成内容

备注

1

2012.6.11

布置课设题目讲解，分组

打分

2

2012.6.12

开题答辩

打分

3

2012.6.13

小组查找资料开始设计原理图

打分

4

2012.6.14

仿真软件学习，绘制原理图

打分

5

2012.6.15

仿真软件学习，绘制原理图

打分

6

2012.6.18

完成原理图主体

打分

7

2012.6.19

原理图仿真运行

打分

8

2012.6.20

布置报告要求

打分

9

2012.6.21

正式答辩

打分

10

2012.6.22

上交报告

打分

沈阳工程学院

数字电子技术课程设计成绩评定表

系（部）：

信息工程系班级：

通本101学生姓名：

宋岱远

指导教师评审意见

评价

内容

具体要求

权重

评分

加权分

调研

论证

能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。

0.1

5

4

3

2

工作能力

态度

工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作，

0.2

5

4

3

2

工作量

按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。

0.2

5

4

3

2

说明书的质量

说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。

0.5

5

4

3

2

指导教师评审成绩

（加权分合计乘以12）

分

加权分合计

指导教师签名：

年月日

评阅教师评审意见

评价

内容

具体要求

权重

评分

加权分

查阅

文献

查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力

0.2

5

4

3

2

工作量

工作量饱满，难度适中。

0.5

5

4

3

2

说明书的质量

说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。

0.3

5

4

3

2

评阅教师评审成绩

（加权分合计乘以8）

分

加权分合计

评阅教师签名：

年月日

课程设计总评成绩

分

中文摘要

时代在发展，人类在进步。

随着电子技术的日新月异，各行业对电子学科人才的需求也越来越大。

如今的电子技术已经在各个领域都得到了充分的利用，并且得到了人们的一致认可。

如何为社会培养更多的具有创新能力、解决实际问题能力和高素质的电子学科人才，是目前高等教育的重要任务之一。

为此，本学期我们专业开设了数字电子技术基础这门重要专业技术基础课。

本次课程设计的题目为电子门卫系统之进出人员计数器。

此计数器主要是对进出、逗留在图书馆里人员数目进行时刻的智能统计并显示出来。

当进入人员和逗留人员达到一定的数目时要求系统能自动报警。

电路中分别包括光电传感系统、计数系统、报警系统。

光电传感系统由发光二极管、三极管、电阻构成。

分别在门内外装有发光二极管，人员的走到可以控制二极管的亮暗，即可转化为电信号送入主电路中去，使整个系统开始工作。

计数统计电路中分为进入人员计数器，外出人员计数器和逗留人员加减可逆计数器。

所谓智能控制的关键是在于设计一个合适的CP脉冲在人员进入只驱动进人员计数器工作和逗留人员计数器加计数工作；在人员出去时只驱动出人员计数器工作和逗留人员计数器减计数工作。

在此报告中采用两个D触发器解决此问题，而D触发器的信号输入端是由传感系统传入的信号进而工作。

报警系统，电路中采用555单稳态电路和多谐电路共同作用，控制报警声音的长短和频率，另外报警系统中还使用了三态门和数据比较器。

关键词光电传感系统，计数系统，报警系统

课程设计（论文）任务书…………………………………..……….………………..…………….I

课程设计（论文）成绩评定表…………………………………………………………………Ⅱ

1设计任务描述

1.1设计题目：

电子门卫系统之进出人员计数器

1.2设计要求

1.2.1设计目的

（1）掌握进出人员计数器的构成、原理与设计方法；

（2）熟悉集成电路的使用方法。

1.2.2基本要求

（1）对通过门禁系统进出的人员数目进行计数显示，从0-9999；

（2）门禁系统里、外分别安装两个传感器（比如红外传感器）A、B，每当有人进入时将顺序经过A、B，每当有人出去时将顺序经过B、A，设计电路能够区分此人士进入还是出去；

（3）要求分别统计和显示进去的人员人次、出来的人员人次、里面还逗留的人员人数；

（4）当逗留人数超限时报警（比如500人）。

1.2.3发挥部分

（1）当人次计数器达到9990-9999时，发出溢出报警信号；

（2）考虑有人经过A（或B）但没有继续前进又退出——即连续且只经过两次A（或B）的情况如何处理；

（3）设置逗留人员计数器一键清零装置。

2设计思路

初次尝试电子技术数字设计，困难重重，经过大家的琢磨与商量，其次是到图书馆查阅相关资料，最终确定了此次课程设计的思路。

2.1判断人员进出的电路

首先由于设计题目知所设计的装置是一个电子门卫系统之进出人员计数器，该装置可以对通过门禁系统进出的人员数目进行计数显示，从0-9999；所以我们要考虑区别进去、出来、没完全进入又折回、没完全出去又折回的四种情况，所以此电路中要有2个传感器发出脉冲和2个触发器。

而且它们是联合起作用的，将A触发器安装在门外，B触发器安装在门内。

通过触发脉冲时间差来区分进入、出去以及没有完全进入又折回、没有完全出去又折回这四种情况。

然后将人员的进出动作转化为电信号送入主电路中去。

2.2人员进出计数器

接下来要记录进来和出去的人的数量，这样就需要两个计数器A和B，来记录人数，又因为需要记录的人数从0-9999，所以可以用一个一万进制计数器来实现此功能，由所学知识，可以设计出一个一万进制计数器，有很多元件可以用来实现此功能，在这里我用的是计数器74HC161，具体实现方法是用一个与非门将一个计数器的清零端与另一个计数器CP端连接起来，这样就构成了聚四个计数器为一体的一万进制计数器。

同样A和B两个计数器均可用这种方式实现。

再由所做的发挥部分的要求知，当计数器达到9990-9999时，报警器会发出报警信号，指出计数器已经要达到溢出值。

然后通过显示器显示数据。

2.3逗留人员计数器

由设计要求知设计出一个能测量出里面逗留人员人数的装置。

因为要考虑到逗留人数，所以还需要可逆计数器，我选择了74LS192，它有2个输入端口，能分别实现加减法。

这个电路就是当有人经过的时候就会有一个脉冲会给这个计数器提供一个高低电平的翻转，然后通过计数器的功能实现计数，再通过显示器,实现十进制的计数功能。

当然这个计数器分两种，一种是可加计数器，一种是可逆计数器。

2.4发挥部分

最后为实现发挥部分“

（1）当人次计数器达到9990-9999时，发出溢出报警信号;

（2）考虑有人经过A（或B）但没有继续前进又退出——即连续且只经过两次A（或B）的情况如

何处理？

”的要求，在这里还应实现当人员顺序经过传感器A、B时应由传感器B发出

控制进入人数计数器工作的CP脉冲；当人员顺序经过传感器B、A时应由传感器A发出控制进入人数计数器工作的CP脉冲；当进入人数计数器达到9990和逗留人数计数器达到500时应分别发出CP脉冲信号激活溢出报警电路和超限报警电路。

总体思路如上所述，详细的电路控制在下文有介绍，看似简单，但当真正付诸于实践画图时才发现其中的微小部分都需要我们仔细揣摩。

3设计方框图

4各部分电路设计及参数计算

4.1传感器电路

4.1.1传感器电路分析

电子门卫系统的门外和门内分别装有两个传感器。

当有人通过传感器时，人的身影将二极管发出的光遮挡住，此时三极管处于截至区，输出电平为电源Vcc的高电平（即为“1”）；人完全通过传感器时，人的身影不遮挡住三极管发出的光，此时三极管处于导通区，输出电平为接地的低电平（即为“0”）。

两个传感器分别为A和B，当有人从电子门卫系统的门外进入时，即从A到B时，电平的变化依次为00，10，11，01，00，当有人从电子门卫系统的门内出去到门外时，即从B到A时，电平的变化依次为00，01，11，10，00，进出人员的实际情况转化为电平的高低变化，然后再传送给下一个单元的逻辑控制电路中的边沿D触发器。

4.1.2传感器电路图

传感器电路图如图4-1所示。

图4-1传感器电路

4.2触发脉冲控制电路

4.2.1触发脉冲控制电路分析

电子门卫系统中门内和门外分别安装两个传感器A、B，与A相连的触发器为D1，与B相连的触发器为D2，无人经过时传感器输出信号为低电平，有人经过时输出变为高电平，

当接通电源后，无人经过时传感器输出为低电平，与传感器相连的D触发器的R端有效，Q端输出为0此时不计数。

当有人经过A时而未经过B时，A输出变为高电平，D1清零端无效，但此时D1触发器无时钟脉冲信号输入，Q1端输出保持不变仍为0，而由于触发器B没有信号变化，D2的状态不发生变化输出Q2也为0，当有一时刻人既经过A又经过B传感器时，B传感

器输出变为高电平，该电平脉冲上升沿触发D1，使Q1端输出变为高电平，此脉冲信号的上升沿触发进人计数器加一，说明有一人进入，而此时D2无时钟脉冲输入，Q2端输出仍

为0。

当有人经过B而未经过A时，由于此时A触发器没有状态变化输出为0，D2触发器无时钟脉冲信号输入，Q2端输出保持不变仍为0，而D1的状态不发生变化输出Q1也为0，当有一时刻既经过B又经过A传感器时，A传感器输出变为高电平，该电平脉冲上升沿触发D2，使Q2端输出变为高电平，此脉冲信号的上升沿触发出去计数器加一说明有一人出去，而此时D1无时钟脉冲输入，Q1端输出仍为0。

图4-2触发控制脉冲电路

4.2.2触发脉冲控制电路输入波形分析

为了进一步说明，现画图说明。

图4-3脉冲输入波形

当人只过A时，由于输出为1，D1清零端无效，无脉冲，Q不计数，当同时经过B时，给A沿，A计数。

由于经过A时，给D2的上升沿超前于经过B的动作，当然上升沿已经无效了，B不计数。

由于我这部分的巧妙设计，使得发挥部分：

人员二次经过A或B，但没有继续前进，退出的情况，得到了有效的解决。

即人只有同时经过A又经过B时计数器才计数。

4.3进出人员计数电路和显示电路

4.3.1进出人员计数和显示电路分析

进门人次统计器与出门人次统计器的原理相同。

它们分别是由4个74HC161十六进制加法计数器级联组成四位十进制加法计数器。

如图4-4所示，当CP输入一个低电平时74161计一次数直到加计数达到最大值（1001）时，与非门输出低电平控制清零端口清零，然后传给下一个74161作为CP输入信号。

下一个74161计数器计一位数，后面的级联同理。

4.3.2进出人员计数和显示电路图

进出人员计数和显示电路如图4-4所示。

图4-4进出人员计数与显示电路

4.4逗留人员可逆计数电路和显示电路

4.4.1逗留人员计数电路分析

逗留人员计数电路的计数器由74LS192级联组成，当有人进入时，Q2非端的输出始终保持为1，Q1端输出信号从低电平变为高电平，则此脉冲信号的上升沿触发74192使其进行加法运算，个位计数器加一，当再有人进入时同样原理加一，当进入超出10人后，个位的计数器产生进位信号，进位信号端从低电平变为高电平，产生的脉冲信号的上升沿

触发十位的计数器加一，十位进位原理也相同，当有人出去时，Q1非端输出始终保持为1，则此脉冲信号的上升沿触发74192使其进行减法运算，个位计数器减一，当再有人出去时同样原理减一，当出去人数超出10人后，个位的计数器产生借位信号，使产生的脉冲信号的上升沿触发十位的计数器减一，十位向百位借位原理相同。

电路如图4-5所示。

74LS192输出端与显示器四个端口相连，当有数据变化时，显示器得以显示数据。

4.4.2逗留人员计数电路图

逗留人员计数电路如图4-5所示。

图4-5逗留人员计数电路

4.5超限报警电路

4.5.1超限报警电路及分析

此电路的组合效果就是当室内滞留人数超过500以后，系统便由喇叭发出报警信号。

要完成此功能，先要知道室内到底有多少人，而这一点由前面的电路都已实现，要使得室内滞留人数超过500以后一直报警，这里我们需要使用74LS85数值比较器，只需进行百位的比较，即当百位上的数值大于预设的4位二进制数0100，电路被触发报警。

所以此电路非常节省器件，降低了电路成本，实现此电路，只需将百位位置的可逆计数器的QA输出端引出，若人数滞留达到500，则此输出端将发出高电平信号，该高电平信号通过三态门，使原本处于高阻状态的三态门导通，单稳态555电路输出高电平给下一个多谐555电路，喇叭端口输出高电平，发出声音报警。

单稳态555电路用来控制发声时间，多谐555电路用来控制发声频率。

电路如图4-7所示。

图4-7超限报警电路

4.5.2参数计算

上图所示为应用555触发器实现多频震荡器功能的电路连接方法。

设多谐555电路7-8管角之间电阻为R1,7-6管角间电阻为R2,2-5管角之间电容为C。

则输出低电平时间TL=0.7CR2。

输出高电平时间为TH=0.7C（R1+R2）。

信号总周期为T=0.7（2R2+R1）C。

所以得电路输出信号频率为f=1.43/（R1+2R2）C。

对应人耳可以听到的声音频率设计参数即可。

4.6发挥部分

传感器电路见图4-2，当有人经过A时而未经过B时，A输出变为高电平，D1清零端无效，但此时D1触发器无时钟脉冲信号输入，Q1端输出保持不变仍为0，而由于触发器

B没有信号变化，D2的状态不发生变化输出Q2也为0，当有一时刻人既经过A又经过B传感器时，B传感器输出变为高电平，该电平脉冲上升沿触发D1，使Q1端输出变为高电平，此脉冲信号的上升沿触发进人计数器加一，说明有一人进入，而此时D2无时钟脉冲输入，Q2端输出仍为0。

当有人经过B而未经过A时，由于此时A触发器没有状态变化输出为0，D2触发器

无时钟脉冲信号输入，Q2端输出保持不变仍为0，而D1的状态不发生变化输出Q1也为0，当有一时刻既经过B又经过A传感器时，A传感器输出变为高电平，该电平脉冲上升沿触发D2，使Q2端输出变为高电平，此脉冲信号的上升沿触发出去计数器加一说明有一人出去，而此时D1无时钟脉冲输入，Q1端输出仍为0。

脉冲输入波形如图4-3所示。

5工作过程分析

经过查阅有关资料，同小组人员讨论，最后把这系统定格在以下几部分，即判断人员进出部分电路、人员进出计数与显示部分电路、逗留人员计数与显示部分电路以及两个报警部分电路。

然后把这几部分电路逐个实现，其具体实现如下：

无人进入时边沿D触发器的R、S、D端至1实现保持。

当有人进入的时候，AB分别产生触发脉冲信号D触发器是上升沿发生翻转，因为Q2非初始值为1，A信号脉冲与Q2非经过与门后，产生脉冲流过D1触发器CP端，使其Q端产生信号脉冲翻转，这个时候人走到B处产生一个触发脉冲信号与Q1经过与门后产生脉冲翻转提供给进入计数器，以此来实现进入人员计数的，由于Q1首先被触发,所以当人走到B的时候Q1非变为0，与B产生的脉冲信号经过与门后并不发生翻转，所以Q2无脉冲信号产生.不能对出去人员进行计数。

有人出去的时候，BA先后产生触发脉冲信号。

因为Q1非是1，B信号在与Q1非经过与门后，产生脉冲留过D2触发器CP端，使Q2产生脉冲翻转，然后人走到A，产生一个触发脉冲信号与Q2经过与门后产生脉冲翻转提供给出去计数器，来实现出去人员计数的，由于Q2首先被出发，所以当人走到A的时候Q2非变为0，与A产生的脉冲信号经过与门后并无翻转，所以被抑制，不能实现进去计数。

人经过A但是没有进去又出来了，A处产生了一个脉冲信号，Q2非是1，两者同过与门后产生脉冲进入D1触发器的CP端，产生翻转信号Q提供给与门然而B没产生脉冲，这样就无翻转信号提供给进入计数器，不计数。

经过B但没经过A与这个分析方法一样。

由Q1与Q2处产生的脉冲翻转信号分别进入进入和出去的计数器，Q1和Q2都进入逗留人员计数器中，当有CP脉冲留入的时候,进入和出去计数器就开始计数，再通过显示器实现数字输出,人员逗留计数器用的是可逆计数器实现的当Q1有效实现加1,Q2有效实现减1。

当计数器到达9990-9999时,逗留计数器达到500的时候,就会对报警系统产生一个低电瓶脉冲,加到单稳触发电路,经过它可以输出高电平既暂稳态,此信号加在多谐振荡起上产生矩形脉冲使扬声器发出报警。

6元器件清单

表6.1元器件清单

元器件名称

元器件型号

数量

显示器

DCD_HEX_BLUE

11

十六进制计数器

74HC161

8

十进制可逆计数器

74LS192

3

数据比较器

74LS85N

1

边沿D触发器

7474N

2

光敏电阻

R

2

发光二极管

LED

2

二输入与非门

74HC00N

8

二输入与门

74HC08N

3

三输入与门

74HC11N

1

555定时器

LM555CM

4

三态门

74126N

2

三极管

2N1711

2

7主要元器件介绍

7.1十六进制计数器74HC161

图7-174HC161管脚图

从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。

当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。

而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。

74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO=Q0·Q1·Q2·Q3·CET。

合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。

表7-174HC161功能表

清零

预置

使能

时钟

预置数据输入

输出

CLRN

LDN

ENP

ENT

CLK

A

B

C

D

QA

QB

QC

QD

L

×

×

×

×

×

×

×

×

L

L

L

L

H

L

×

×

↑

A

B

C

D

A

B

C

D

H

H

L

×

×

×

×

×

×

保持

H

H

×

L

×

×

×

×

×

保持

H

H

H

H

↑

×

×

×

×

保持

7.2可逆计数器74LS192

74LS192的特点是有两个时钟脉冲（计数脉冲）输入端CPU和CPD。

其中CPU为进位输出端，CPD为借位输出端。

在LD=1的条件下，做加计数时，令CPD=1，计数脉冲从CPU输入；作减速计数时，令CPU=1，计数脉冲从CPD输入。

图7.274LS192十进制可逆计数器引脚图

表7.274LS192功能表

清零

预置

时钟

预置数据输入

输出

MR

LD

CPU

CPD

P0

P1

P2

P3

Q0

Q1

Q2

Q3

H

X

X

X

X

X

X

X

L

L

L

L

L

L

X

X

A

B

C

D

A

B

C

D

L

H

↑

H

X

X

X

X

加计数

L

H

H

↑

X

X

X

X

减计数

7.3数字比较器74LS85N

图7-374LS85N逻辑功能表

74LS85N是四位数字比较器，通过其功能表可知，要比较两个4位二进制数，比较结

果用L、G、M表示，且A>B时L=1，A=B时G=1，A

从最高位开始比较，

依次逐次进行，知道比较结束为止。

若A3>B3则A>B，L=1、G=0、M=0。

当A3=B3时，即G3=1时，若A2>B2时则A>B，L=1、G=M=0。

当A3=B3、A2=B2即G3=G2=1时，若A1>B1则A>B，L=1、G=M=0。

当A3=B3、A2=B2、A1=B1即G3=G2=G1=1时，