基于Proteus 的一种人员分布计数装置的设计及仿真

王 贺，高 峰，范吉军

（武汉轻工大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉430023）

基于Proteus 的一种人员分布计数装置的设计及仿真

王 贺，高 峰，范吉军

（武汉轻工大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉430023）

文中设计了一种基于压电传感器的人员分布计数装置。该装置以人体坐在座位上产生的压力作为检测信号，单片机接收各区域压电传感器输入的高低电平信号并存储，判断会场的人数。还可以对人员的分布情况实现可视化分析。当有人坐在座位上时，压电传感器会产生压电信号，经过放大和检测后，输入到单片机进行处理，最后在液晶显示屏上显示人员人数和分布情况。本设计基于Proteus软件根据电路设计，搭建电路平台最后实现系统仿真。

压电传感器；人员计数；单片机；Proteus

当前，国内外对某些公共场合的人员数量和人员分布情况的统计，仍采用比较传统的手工统计方式。这种纯手工作业的统计方法，得到的数据存在很多缺陷，准确度低、人为的影响因素多，而且不可能做到二十四小时的实时统计，同时还浪费了大量的人力资源。本文基于上述情况，设计了一种便捷、高效和低廉的人员分布计数装置，实现人员计数功能，具有十分广阔的应用前景。

1　设计原理

设计本装置的目的在于提供一种基于压电材料的可视化人员分布系统，该系统不仅可以准确计数，而且可以通过AMPIRE128X64在显示屏上详细的显示人员分布情况。

如图1所示，本装置由压电传感器、比较器、放大器、单片机和显示器构成。其特征是每个座位上安装有压电传感器，放大器，比较器。压电传感器输出的信号比较微弱，需要经过放大之后才能被检测，所以在每个压电传感器之后连接放大器[1]。压电传感器输出的电信号与压力有关，压力越大输出的电信号的电压幅值越高[2]。为了方便单片机检测，将信号输入比较器，比较器输出的信号只有高低电平信号，此时单片机就可以检测到人员分布的信号了[3-4]。由于单片机每个输入输出接口对应一个座位，因此可以确定人员的分布信息。显示界面上可以实时的显示当前人员的分布信息和人员的总数。

图1　某会场里的人员分布计数装置

本装置的效果是：

1）该实用新型可以统计人数，还可以对于人员的分布情况图形可视化；

2）易于实现、结构简单；

3）实用效果精确度高，准确性强。

本设计装置的结构示意图如图2所示。

这是一种基于压电传感器的可视化人员分布和计数的控制系统，它包括压电传感器（1）、放大器（2）、比较器（3）、单片机（4）、显示器（5）组成。压电传感器连接放大器，放大器连接比较器，比较器连接到单片机，单片机连接接显示屏。

图2　本设计装置的结构示意图

2　设计的实施方式

如图2所示，本装置是这样实现的，每个座位上面安装有压电传感器（1）、放大器（2）、比较器（3）。压电传感器（1）连接放大器（2），放大器（2）连接比较器（3），再连接到单片机（4）上，单片机（4）连接显示器（5），显示器可以显示人员分布和人员总数。如图1所示，如会场座位分布所示，分为A、B、C3个区域，每个区域有N个座位。在显示屏上显示着人员的座位分布，有人坐时，该座位显示为灯亮，没有人时，显示为黑色。使用时，当人坐上安装有压电传感器的座位上时，压电传感器（1）会产生电压，经过放大器（2）将压电传感器（1）产生的电压放大，放大后的电压经过比较器（3）处理后，此电压处在单片机（4）的能检测的范围内，传输给单片机（4），通过显示屏（5）来查看座位是否有人。这样便可以实现座位的可视化。

3　人员分布计数装置的硬件结构

为了便于安装和使用，文中所设计的人员分布计数装置由两部分组成，一部分是信号采集装置，主要由压电传感器、信号处理电路和接口电路组成；另外一部分是信号处理装置，主要由接口电路、单片机和液晶显示屏组成。两装置之间通过有线方式通信，系统的主要硬件结构如图3所示。

图3　系统的主要硬件结构图

电路由放大器和比较器组成。当人坐在座位上时，产生的压力作用在压电传感器上，压电传感器产生微弱电压，经放大器放大后，能被检测[5-6]。将放大后的电压信号输入到比较器，由于比较器输出的只有高低电平之分，所以能被单片机检测[7-9]。在文中，放大器选用LM258，比较器选用LM393。信号处理电路中的检测与放大电路如图4所示。

压电式传感器的测量电路：

图4　压电传感器信号检测电路

图5　放大器电路

图6　等效电路

式中：Um为压电元件的输出电压幅值。因此可求得放大器的输入端电压Ui，其复数形式为

Ui的幅值Uim为

输入电压和作用力之间相位差为

在理想的情况下，输入电阻Ri与传感器的Ra电阻值都可以看做无限大，即ω（Ca+Cc+Ci）R＞＞1，此时输入电压幅值Uim为

由上式可以得出前置放大器输入电压Uim与频率无关，一般在ω/ω0＞3时，就可以认为Uim与ω没有关系，ω0表示测量电路时间常数的倒数，可求得

4　系统仿真

系统仿真采用 Proteus软件 （一款电路设计与仿真软件），它包括ISIS、ARES等软件模块[10]。ARES模块主要用来完成PCB的设计，而ISIS模块用来完成电路原理图的布图与仿真。Proteus的软件仿真基于VSM技术，它与其他软件最大的不同也是最大的优势就在于它能仿真大量的单片机芯片，比如MCS-51系列、PIC系列等等，以及单片机外围电路，比如键盘、LED、LCD等[11]。

由于Proteus软件没有压电传感器的仿真元器件，而压电传感器输出信号只有高低电平之分，所以这里采用可以仿真的开关来代替。如果需要有更多的座位，可以再添加开关，跟使用有更多端口的单片机。系统仿真的整体电路图如图7所示。

图7　系统仿真电路图

在智能仪表操作过程中，需要进行人机对话，它的显示界面要人性化[12]。常规的数码管显然不能满足要求，因此液晶显示模块大量应用在人机对话的显示模块中[13-15]。文中采用的是12864液晶显示屏。当教室里有若干人就坐时，闭合相应的开关。我们就能在液晶显示屏上对应的位置看到具体的人员分布位置并在屏幕下方显示出总人数为多少。

如图7所示，当教室里有1人入座，闭合1个开关。我们能在液晶显示屏上看到这个人坐在教室的哪里，并且人数为1。一人就坐界面仿真结果如图8所示。

图8　一人就坐界面

5　结　论

文中设计的压电式人员分布计数装置，以压电传感器为采集信号核心，以51单片机为信号处理核心器件，在液晶显示屏上实现人员人数和人员分布的统计。本文给出了该人员分布计数装置的设计方案，并且完成了硬件和软件的设计，最后利用Proteus软件进行了仿真，仿真结果证明该装置是完全可行的。所设计的人员分布计数装置不仅可以统计人数，还可以对于人员的分布情况实现可视化；此外其结构简单、易于实现、精确度高，特别适合于大型会议室、教室、体育馆等公共场所。

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A personnel distribution based on proteus counting device design and simulation

WANG He，GAO Feng，FAN Ji-jun
（College of Electrical and Electronic Engineering，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China）

This paper designed a kind of piezoelectric sensor based on the personnel distribution of counting device.The pressure to the device in the body seat as a detection signal，piezoelectric sensors in each region of MCU receives the input of the high and low level signal and stored，judge the number of the venue.Can also to personnel distribution of visualization analysis.When someone sitting in the seat，piezoelectric sensor will produce piezoelectric signal，after amplification and detection，the input to the single chip microcomputer，finally displayed on the LCD screen number of personnel and distribution.This design based on Proteus software according to the circuit design，establish the platform circuit finally realize system simulation.

piezoelectric sensor；personnel count；microcontrollers；Proteus

TN206

A

1674－6236（2016）22-0050-03

2015-11-25稿件编号：201511239

王 贺（1990—），男，江苏宿迁人，硕士研究生。研究方向：控制理论与控制工程。