湖南铁道职业技术学院 毕业论文 《基于红外传感器的城市客车人数统计系统的设计与制作》.docx

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湖南铁道职业技术学院毕业论文《基于红外传感器的城市客车人数统计系统的设计与制作》

毕业设计（论文）

题目城市客车客流量统计系统

学生姓名

专业班级工业控制104班

学号

所在系电气工程系

指导教师张文初

完成时间2012年12月12日

摘要

公交系统是城市交通系统的重要组成部分，它的有序高效运行对整个城市交通状况的改善有着举足轻重的作用。

城市客车统计系统作为城市智能公交调度系统的信息采集前端，是车辆调度、运营管理的重要数据来源。

本产品主要利用了热释电红外传感器和反射式红外传感器的光电技术采集客流量，进而区别出乘客与货物，提高准确性；通过该方法将乘客的上、下信息转换为高低电平信号，以单片机为核心器件的主控器对高低电平信号进行分析来判断乘客上、下车的数量。

本文详细阐述了乘客信息采集装置设计、硬件电路设计、软件设计以及它们的使用。

该套客流量统计系统能够自动、智能自动采集各个站点上下车的客流量，得出客流方向、数量规律，是客流量统计、评估的有效办法，提高公共交通的运营管理效率和服务质量。

关键字：

城市公交车；红外传感器；单片机；客流量统计

ABSTRACT

Thepublictransportsystemistheurbantrafficsystemimportantconstituent,itsorderlyandefficientoperationofthewholecitytrafficimprovementhasapivotalrole.Citybusstatisticalsystemasthecitypublictransportintelligentdispatchingsysteminformationacquisitionfrontend,isthevehicleschedulingandoperationmanagementoftheimportantsourcesofdata.

Thisproductismainlyusedthepyroelectricinfraredsensorandreflectiontypeinfraredsensorphotoelectrictechnologyacquisitionpassengerflow,andthenthedifferencebetweenpassengersandgoods,improveaccuracy;Throughthemethodofpassengers,informationintohighandlowlevelsignals,basedonthesinglechipcomputerasthecorecomponentsofthemastercontrollertohighandlowlevelsignalanalysistodeterminethenumberofpassengersonandoffthebus.Thispaperelaboratedonpassengerinformationcollectiondevicedesign,hardwarecircuitdesign,softwaredesign,andhowtousethem.

Thissetofpassengerflowstatisticssystemcanautomatic,intelligentautomaticacquisitioneachsiteofpassengervolumehoponandoff,itisconcludedthatthepassengerflow,quantitypattern,passengerflowstatistics,evaluation,andsomeeffectivemeasurestoimprovethepublictransportfortheoperationandmanagementefficiencyandservicequality.

Keywords:

thecitybus;Infraredsensor;SCM;Passengerflowstatistics

摘要………………………………………………………………………………………………1

英文摘要…………………………………………………………………………………………2

第一章引言…………………………………………………………………………………….6

1.1客流量统计系统的意义………..........................................6

1.2客流量统计系统现状……….............................................7

1.3客流量统计系统的确定………...........................................7

1.4章节安排……….......................................................7

第二章客流量统计系统概述

2.1客流量统计系统要实现的功能……….....................................8

2.2硬件系统的总体构成……….............................................8

2.3硬件系统的方案……….................................................9

2.4硬件系统方案的确定………............................................12

第三章红外传感器部分……….............................................13

3.1热释电红外传感器………..............................................13

3.1.1热释电效应原理………..............................................13

3.1.2内部电路及工作原理………..........................................13

3.1.3热释电红外传感器的主要参数………..................................15

3.1.4正确的安装要求………..............................................15

3.2光电传感器………....................................................16

3.2.1光电传感器简介………..............................................16

3.2.2红外发射二极管………..............................................16

3.2.3红外接收模块………................................................17

第四章单片机及其他芯片………..........................................17

4.1单片机的选择及应用………............................................17

4.1.1单片机芯片的发展概况及选择………..................................17

4.1.2单片机的基本结构………............................................18

4.1.3STC89C52RC的引脚说明……….......................................19

4.1.4上电按钮复位电路………............................................21

4.1.5晶振电路………....................................................22

4.1.6下载端口………....................................................22

4.1.7显示电路………....................................................23

4.2BISS0001芯片简介……….............................................23

4.2.1BISS0001性能特点………...........................................23

4.2.2BISS0001功能引脚图及说明………...................................24

4.3555定时器………....................................................25

第五章LED显示电路………................................................27

5.1LED数码管引脚及符号………..........................................27

5.2LED数码管使用条件………...........................................29

第六章系统的软件程序设计………........................................29

6.1系统软件的总体设计刘程………........................................30

6.2系统程序设计说明………..............................................30

6.3程序的模拟调试………................................................31

第七章调试及安装使用说明………........................................31

7.1热释电红外传感器模块的调试………....................................31

7.2反射式红外传感器模块的调试………....................................31

7.3单片机硬件系统的调试………..........................................31

7.4客流量统计系统的安装使用说明………..................................32

第八章结束语………......................................................32

谢辞……….................................................................39

参考文献………............................................................40

附录1单片机程序……….....................................................41

附录2探测部分电路图.......................................................43

附录3单片机系统电路图

第1章引言

随着我国国民经济的飞速发展，城市建设日新月异，随之而来的交通问题也是日益严峻。

影响城市交通的主要因素之一，是城市的公交车辆，公交车辆也是直接反映着城市形象的问题。

目前，公交车辆的调度管理还存在一些问题，公交企业在行车计划的制定、线路的调整及规划等方面的决策还缺乏一定数据基础，从而出现了公交车有时空车行驶，有时又挤得密密麻麻，造成交通拥堵的情况，这样就会加大了燃料的消耗及设备损耗，给城市的发展留下了不好的印象，间接地增加了公交企业的运营成本。

1.1客流量统计系统的意义

公交车客流量统计系统是公交车上能够自动、智能准确地采集每个时段上下车的客流量，并对每个站点的客流量信息进行汇总，得出得出客流方向、数量规律，为公交企业的管理者提供实时、准确的旅客统计数据作为规划、车辆调度、运营管理的依据。

从而可以提高公交车的载客率、降低公交车的空驶率、减少燃料的消耗和设备的损坏，进而可以提高公交企业的经营效益，提高公共服务水平，改善城市的交通状况，为市民出行提供便利，提升城市的形象。

1.2客流量统计系统现状

目前，现有的统计系统采用的方法很多但其大都功能单一，统计任务的准确性较差，所以，乘客流量统计系统在应用中要达到理想目的是有相当大难度的。

乘客流量统计系统的国内外现状

目前国内统计乘客流量的方式主要有下边四种：

①机械式，靠乘客踏在机械踏板上来计数，机械踏板为单开关模式，乘客踏在机械踏板上，开关闭合；乘客离开机械踏板时，开关断开，但是由于这种方法只能笼统地统计出通过的乘客数量而不能区分乘客上、下车状态，所以仅能判断乘客是否通过而不能判断乘客的上、下车情况，故采用这种方法采集的数据错误率较高，不能满足公交公司的线路安排及票款管理的需要。

②依据编码调制的光电感应式，靠人上、下遮挡光线感应传输来计数，该方法虽然采用编码调制方法在信号源处清除干扰，但是无法解决被测对象本身的干扰，自然光、树影都有可能引起误动作，更为严重的是乘客之间的相互干扰，它将引起判断乘客上、下车的逻辑错误，造成记录不准确，故该方法也很难适应我国当前大客流量的现状。

③在公交车门两侧安装红外线探头，上海遥薇实业有限公司发明的乘客自动计数仪（发明专利申请号为20030314），就是采用这种方法，经过试验分析，这种方法的缺点也是前后两个人容易相互干扰，造成乘客上、下车判断过程中的逻辑错误，使计数结果不准确，这种方法同样难以适应我国大客流量的现状。

④城市公交IC卡应用系统，采用IC卡刷卡消费这种方法可以很准确的记录上、下车乘客数量，但是，由于现阶段我国城市发展迅速，流动人口大，无法完全普及IC卡的使用，故采用IC卡也无法满足公交公司的实际要求。

在国际上，瑞士、美国、德国等国家采用的是特定编码调制红外技术，其特点是借助反射和对射红外线探测人的信息，再经过信息处理来完成计数功能。

由于国外乘客少，并且规定只能前门上车、后门下车，所以无需判断乘客上、下情况，这样就对计数器的要求大大降低，乘客数量的统计数据可以满足公交公司的参考要求，但是，国内的乘车环境、条件、大客流量等都决定了这种方法无法在国内应用。

所以，目前国内外均无适合我国大客流量特点的乘客流量统计系统，并且价格也想到昂贵，很难在国内广泛使用。

1.3客流量统计系统的确定

通过对国内外现状的分析，我们根据现有的知识，设计出一款价格较低，性能稳定的客流量统计系统。

系统通过红外传感器将信息转换为高低电平信号输入到主控器，由主控器的核心器件根据高低电平信号来进行数据统计。

客流量统计系统设计的重点及难点是主控器的核心器件的程序编程，如何才能实现这一功能。

1.4章节安排

本文共有八个章节，其中，第一章主要介绍设计本产品的背景及它在生活中的重要意义；第二章至第七章主要介绍该产品的原理和设计方案，以及一些硬件的功能；第八章是对该产品的一个总结和未来的展望。

其详细的章节分布如下：

第1章绪论部分，主要介绍本文设计的背景及国内外现状，确定乘客流量统计系统的设计方法。

第2章系统框架的总体概述及工作原理，通过比较各种元器件功能的优劣，最终确定系统将采用哪一种方案来实现客流量信息采集。

第3章介绍探测部分的硬件构成，包括热释电红外传感器、红外二极管的发射与接收的元器件原理及注意事项。

第4章主要介绍单片机的原理，同时也会介绍人体红外处理芯片、555定时器的功能原理。

第5章介绍LED数码管显示电路的构成。

第6章介绍乘客流量统计系统的软件设计。

第7章介绍该产品的使用及注意事项。

第8章对本文进行总结，并对今后还需要解决问题及系统的扩展应用做进一步展望。

第2章客流量统计系统概述

2.1客流量统计系统要实现的功能

（1）人数采集统计功能

公交车在各个停靠站点上下车的人数都能精确无误地被系统记录。

（2）数据存储功能

每个公交车停靠站点以及该站点的客流量为一对一记录保存，以便公交公司工作人员分析各站点的客流量，合理的制定相应的运营计划。

（3）数据传输功能

车载人数统计系统可以将各个公交停靠站点的客流量数据通过有线或者无线方式传输给计算机。

2.2硬件系统的总体构成

本系统硬件部分主要考虑的功能有：

当有人从热释电红外传感器和反射式红外传感器前面走过时，将同时产生两个高电平，产生的高电平经过与非门处理之后输入单片机，计数系统将加1或减1，同时LED指示灯会闪烁一下。

当有人从旁边经过或只有物体通过时，该计数器将不会计数。

2.3硬件系统的方案

根据我们要实现的功能，我们拟定了三种可供选择的方案：

方案一：

热释电红外传感器模块采用LM324对热释电红外传感器输出的信号放大；反射式红外传感器发射模块采用38k晶振和非门元器件进行红外线发射，接收模块采用红外接收二极管和LM358芯片组成接收端。

方案二：

热释电红外传感器模块采用人体专用红外传感器BISS0001芯片对热释电红外传感器输出的信号进行放大；反射式红外传感器发射模块采用555定时器芯片来发射红外传感器信号，接收模块采用IR3638集成芯片对红外线信号进行接收。

热释电传感器电路

LF0038红外接收电路

方案三：

热释电红外传感器模块采用人体专用红外传感器BISS0001芯片对热释电红外传感器输出的信号进行放大；反射式红外传感器发射模块的红外信号发射采用单片机STC89C52RC内部包含PWM输出控制;接收模块采用IR3638集成芯片对红外线信号进行接收。

2.4硬件系统方案的确定

综合上述的三套系统放案，它们从理论上来说都可以实现对客流量进行统计，但它们也有各自的缺点。

（1）热释电红外传感器模块：

芯片BISS0001相对于LM324而言，其抗干扰的能力比较强。

（2）反射式红外传感器发射模块：

方案一与方案二的反射式红外信号发射模块对电路的影响不大，而方案三采用单片机STC89C52RC内部包含PWM输出控制红外发射二极管发射红外信号很容易实现载波信号的设置，但单片机管脚的输出驱动能力有限，发射的距离不远，并且有可能会影响到单片机的性能。

（3）反射式红外传感器接收模块：

红外传感器接收模块部分，红外接收二极管和LM358芯片组成的接收端电路设计比较复杂且灵敏度不高，因此不予采用。

经过慎重考虑之后，决定采用第二套方案，它的电路设计简单，可靠性高。

第3章电红外传感器部分

3.1热释热释电红外传感器

热释电红外传感器是一种被动式调制型温度敏感元件，它是通过目标与背景的温差来探测目标，其工作原理是利用热释电效应，即在钛酸钡一类晶体的上、下表面设置电极，在上表面覆以黑色膜，若有红外线间歇地照射，其表面温度将上升△T，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷，在上下极之间产生电压△U。

常用的热释电红外光敏元件的材料有陶瓷氧化物和压电晶体，如:

钛酸钡、钽酸锂、硫酸三甘肽及钛铅酸铅等。

3.1.1热释电效应原理

实质上，热释电传感器是对温度敏感的传感器。

它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极。

在环境温度有△T的变化时，由于有热释电效应，在两个电极上会产生电荷△Q，即在两电极之间产生一微弱的电压△U。

由于它输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。

热释电效应所产生的电荷△Q会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，△T=0，则传感器无输出。

当人体进入检测区，因人体温度与环境有差别，产生△T，则有△T输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出。

所以这种传感器也称为人体运动传感器。

由实验证明，传感器不加光学镜（也称菲捏尔透镜）其检测距离小于2米，而加上光学透镜后，其检测距离可增加到10米左右。

3.1.2内部电路及其工作原理

热释电红外传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源（热释电元件）、偏置电阻、EMI电容等元器件组成。

光学滤镜的主要作用是只允许波长在10微米左右的红外线（人体发出的红外线波长）通过，而将灯光、太阳光及其他辐射滤掉，以抑制外界的干扰。

为了抑制自身温度变化产生的干扰，红外感应源通常由两个串联或者并联的热释电元件组成，这两个热释电元件的电极相反，环境背景辐射对两个热释电元件几乎具有相同的作用，使其产生的热释电相互抵消，输出信号接近为零，一旦有人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接受收，由于角度不同，两片热释电元件接收到的热量不同，热释电能量也不同，不能完全抵消，经处理电路处理后输出控制信号。

热释电效应同电压效应类似，是指由于温度的变化而引起晶体表面电荷的现象。

热释电红外传感器由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在传感器监测范围内温度有△T变化时，热释电会在两个电极上产生电荷△Q，即在两电极之间产生一微弱的电压△U。

由于热释电元件输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换成电压形式，该阻抗高达104兆欧，故引入一个场效应管进行阻抗变换。

热释电效应所产生的电荷△Q会被空气中的离子结合而消失，即当环境温度稳定不变时，△T=0，传感器无输出。

在自然界，任何高于绝对温度（-273摄氏度）时，物体都会产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此，红外线波长与温度的高低有关。

人体或者体积较大的动物都有恒定的体温，一般在37摄氏度左右，所以会发出10微米左右的波长，当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，人体发出10微米左右的红外线通过菲捏尔透镜滤光片增强后聚焦到红外感应源（热释电元件）上，红外感应源在接收到人体红外辐射时就会失去电荷平衡，向外放释电荷，进而产生△T并将△T向外围电路输出，后继电路经检测处理后就能产生报警信号。

若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有信号输出，所以这种传感器适合人体或者动物的活动情况。

常用的热释电红外传感器型号主要有:

P220、LHI958、LHI954、RE200B、KDS209、LHI878、PD632等。

热释电红外传感器通常采用3引脚金属封装，各引脚分别为:

电源供应端（内部开关管D极，DRAIN）、信号输出端（内部开关管S极，SOURCE）、接地端（GROUND）

3.1.3热释电红外传感器的主要参数:

工作电压:

常用的热释电红外传感器工作电压范围为3～15V

工作波