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作者：張毅

  目前，人群人數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)主要有：采用圖像識(shí)別原理的人數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)、采用紅外人體感應(yīng)器的檢測(cè)系統(tǒng)、采用光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)方式的系統(tǒng)。圖像識(shí)別的人數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)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(cè)固定區(qū)域圖像中的人數(shù)，這種系統(tǒng)檢測(cè)速度相對(duì)較低、檢測(cè)設(shè)備復(fù)雜。紅外人體感應(yīng)器檢測(cè)系統(tǒng)受環(huán)境影響明顯，誤差較大。采用光電開(kāi)關(guān)式檢測(cè)方式的系統(tǒng)，因人群的重疊、檢測(cè)面積小等局限，檢測(cè)誤差也較大。

  超聲波在空氣中傳播不容易受到周?chē)�環(huán)境干擾，并且衰減速度緩慢，傳播距離遠(yuǎn)，還具有容易實(shí)現(xiàn)、成本低、可靠性好的優(yōu)勢(shì)。目前，超聲波傳感器陣列廣泛地應(yīng)用于定位障礙物，車(chē)輛防撞系統(tǒng)和機(jī)器人躲避障礙物系統(tǒng)等方面。

  這些系統(tǒng)不具有測(cè)量人數(shù)功能，其結(jié)構(gòu)、測(cè)量原理、安裝方式均與本系統(tǒng)不同。

1  系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

  超聲波傳感器陣列式人數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)基于超聲波測(cè)距原理。

  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由微處理器、電源模塊、輸出通信接口模塊、輸出數(shù)字量接口模塊、鍵盤(pán)模塊、顯示驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、超聲波信號(hào)放大電路模塊、超聲波發(fā)送器陣列組、超聲波接收器陣列組、超聲波信號(hào)接收切換陣列、超聲波接收信號(hào)處理電路陣列組成。

2  系統(tǒng)工作原理

  超聲波發(fā)送器陣列組和超聲波接收器陣列組安裝在人群上方的區(qū)域，超聲波發(fā)送器陣列組和所述超聲波接收器陣列組到人群所在區(qū)域支撐平面的距離為2~5 m。把人群上方的區(qū)域均按照蜂窩狀六邊形劃分，六邊形區(qū)域的中心安裝超聲波發(fā)送器和超聲波接收器，且兩個(gè)超聲波發(fā)送器之間和兩個(gè)超聲波接收器之間的間距均為200~ 400 mm。選擇發(fā)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(duì)每個(gè)六邊形進(jìn)行了編號(hào)。按照行列編號(hào)，超聲波傳感器陣列分為4組：奇數(shù)行奇數(shù)列組、偶數(shù)行偶數(shù)列組、奇數(shù)行偶數(shù)列組、偶數(shù)行奇數(shù)列組。系統(tǒng)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(fā)送器。

  系統(tǒng)工作時(shí)，由微處理器單元產(chǎn)生超聲波電壓信號(hào)，超聲波電壓信號(hào)時(shí)長(zhǎng)為1 ms，超聲波驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)由超聲波信號(hào)放大電路模塊放大，然后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送器陣列組，使安裝在上方的超聲波發(fā)送器陣列組發(fā)出超聲波信號(hào)，超聲波傳感器采用直接反射式的檢測(cè)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(hào)。不同的超聲波接收器陣列組中的各個(gè)超聲波接收器發(fā)出的電信號(hào)由超聲波切換開(kāi)關(guān)電路選中并傳到超聲波接收信號(hào)處理模塊進(jìn)行信號(hào)處理。處理完成的超聲波電信號(hào)傳遞到微處理器單元，微處理器單元自動(dòng)測(cè)量超聲波從超聲波發(fā)送器發(fā)射到被反射再到被超聲波接收器接收的時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)其中的軟件計(jì)算出某一個(gè)超聲波發(fā)送器和超聲波接收器下方的地面或人到超聲波發(fā)送器和超聲波接收器的距離。

  系統(tǒng)正式工作前首先需要保存地面無(wú)人時(shí)測(cè)量的距離，系統(tǒng)工作時(shí)若測(cè)得的距離小于保存的距離并超出設(shè)定的范圍，則判斷為超聲波發(fā)送器和超聲波接收器下方有人，根據(jù)每組超聲波發(fā)送器和超聲波接收器測(cè)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(fā)送器和超聲波接收器下方有人的數(shù)量和，該數(shù)量和乘以一個(gè)人數(shù)綜合系數(shù)得到區(qū)域內(nèi)人數(shù)的總

和。人數(shù)綜合系數(shù)一般在系統(tǒng)安裝現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)表明，根據(jù)傳感器距離地面高度不同，人數(shù)綜合系數(shù)取值范圍一般在0.2~0.5之間。區(qū)域中人的分布位置根據(jù)超聲波發(fā)送器和超聲波接收器的位置確定。

3  系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1微處理器

  系統(tǒng)的微處理器選用STC生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)，單片機(jī)最小系統(tǒng)作為電源模塊。STC89C52在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標(biāo)準(zhǔn)8052單片機(jī)完全兼容，DIP40封裝系列與8051為引腳兼容。STC89系列單片機(jī)高速(最高時(shí)鐘頻率90 MHz)，低功耗。在單片機(jī)最小系統(tǒng)基礎(chǔ)上主要擴(kuò)展了數(shù)碼顯示電路、超聲波發(fā)射及接收電路、通信接口電路。

3.2信號(hào)處理電路

  信號(hào)處理電路主要采用集成電路芯片CX20106，電路如圖3所示，US_R1為超聲波接收

頭，OUT_INT當(dāng)收到超聲波是產(chǎn)生一個(gè)下降沿，接到單片機(jī)的外部中斷上。通過(guò)微處理器來(lái)計(jì)算出發(fā)射信號(hào)到收到信號(hào)是產(chǎn)生下降沿這段時(shí)間的長(zhǎng)度，再通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)化為距離，然后在顯示器上顯示。

3.3超聲波信號(hào)接收切換陣列

  為避免相鄰的超聲波接收器和超聲波發(fā)送器或超聲波收發(fā)器之間相互干擾，系統(tǒng)工作設(shè)置了兩種工作模式：分時(shí)測(cè)量方式、分頻測(cè)量方式。采用分時(shí)測(cè)量方式時(shí)，超聲波接收器和超聲波發(fā)送器選用一種頻率的器件。超聲波信號(hào)接收切換電路如圖4所示。

  由微處理器發(fā)送的邏輯電平控制74LS126選通超聲波接收器陣列組中的奇數(shù)行奇數(shù)列組、偶數(shù)行偶數(shù)列組、奇數(shù)行偶數(shù)列組、偶數(shù)行奇數(shù)列組依次工作，分4次測(cè)量得到整個(gè)區(qū)域的人數(shù)。系統(tǒng)工作采用分頻測(cè)量方式時(shí)，超聲波接收器和超聲波發(fā)送器或超聲波收發(fā)器選

用4種不同頻率的器件，奇數(shù)行奇數(shù)列組、偶數(shù)行偶數(shù)列組、奇數(shù)行偶數(shù)列組、偶數(shù)行奇數(shù)列組的器件的每組之間的頻率各不相同，組內(nèi)所有器件的頻率相同。

3.4顯示驅(qū)動(dòng)模塊

  顯示驅(qū)動(dòng)包括一個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219電路和4個(gè)數(shù)碼管顯示器，其與單片機(jī)的連接只需要3條線(xiàn)：LOAD( CS)片選引腳、CLK串行時(shí)鐘引腳、DIN串行數(shù)據(jù)引腳。顯示驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖5所示。

4軟件設(shè)計(jì)

  系統(tǒng)軟件包括主程序、超聲波發(fā)送和接收子程序、

數(shù)碼顯示子程序、輸出結(jié)果子程序。主程序完成初始

化及子程序的調(diào)用。系統(tǒng)工作流程如圖6所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)程序后首先進(jìn)行初始化，再對(duì)應(yīng)用的定時(shí)器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，之后單片機(jī)產(chǎn)生系列40 kHz的超聲波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器。由于采用超聲波發(fā)射和接收反射型結(jié)構(gòu)，它們處在同一直線(xiàn)上且兩個(gè)探頭距離比較近，為避免發(fā)射探頭對(duì)接收探頭的影響，需要延遲啟動(dòng)超聲波接收檢測(cè)程序；微處理器切換開(kāi)關(guān)陣列選擇相應(yīng)的通道，開(kāi)始準(zhǔn)備接收超聲波信號(hào)，有多個(gè)接收信號(hào)，選用循環(huán)掃描查詢(xún)的方式；之后對(duì)其距離進(jìn)行計(jì)算，取在設(shè)定范圍的個(gè)數(shù)之和，直到切換開(kāi)關(guān)依次切換一次為止。得出的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)碼顯示管顯示。

5結(jié)束語(yǔ)

  本文介紹的人數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是基于超聲波傳感器陣列的，具有安裝簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，適用于公交車(chē)、電梯等人數(shù)統(tǒng)計(jì)需要根據(jù)人數(shù)調(diào)度的場(chǎng)所，這樣可以使車(chē)輛或電梯調(diào)度達(dá)到最優(yōu)，避免資源的浪費(fèi)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)已獲得專(zhuān)利授權(quán)。

  系統(tǒng)測(cè)量一次區(qū)域內(nèi)的人數(shù)的時(shí)間周期為0.5 s，根據(jù)前后兩次測(cè)量的人的位置的數(shù)據(jù)的變化，經(jīng)過(guò)后續(xù)處理可得到區(qū)域內(nèi)人的運(yùn)動(dòng)情況，以及人進(jìn)入和走出區(qū)域的情況。

超聲波目前在倒車(chē)?yán)走_(dá)、導(dǎo)盲系統(tǒng)、自引導(dǎo)車(chē)輛等領(lǐng)域已有不少應(yīng)用，本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的兼容性等方面有待繼續(xù)研究。

6摘要：針對(duì)當(dāng)前公交車(chē)站候車(chē)人數(shù)、電梯候梯人數(shù)自動(dòng)檢測(cè)困難，已有系統(tǒng)檢測(cè)誤差大、設(shè)備復(fù)雜的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于超聲波傳感器陣列的人數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)以STC89C52作為核心控制器，運(yùn)用超聲波的測(cè)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(cè)距，最后綜合計(jì)算超聲波傳感器陣列測(cè)量的距離數(shù)據(jù)，得到區(qū)域內(nèi)的人數(shù)。系統(tǒng)可為公交車(chē)調(diào)度、電梯調(diào)度系統(tǒng)提供人群數(shù)量，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)度或統(tǒng)計(jì)提供支持。