机电-电气课程设计-人数统计器 (2)

电子电路课程设计报告题目：简易人数人次统计器二级学院 :量新学院专 业：电气工程及其自动化姓 名：班 级：10工试2班学 号：1001400207 指 导 老 师：赵子恺目录前言-31设计课题-42设计任务与要求-43设计方案-44工作原理分析-65验证方案及结果检验-196参考资料-207设计总结与体会 -20附录 -21前言电子电路课程设计即将开始，虽然在上个星期我们已经进行过电测仪器的课程设计，但是，对于此次的课程设计我们任然要认真对待，不可以马虎轻视。对于我们此次要设计的东西-简易人数人次统计器，我认为，它就是一个机器的“看门人”，用来记录出的人数和入的人数以及总人数。对于现在这个信息高速发展的社会，已经开始更加广泛的用机器代替人力来工作，已达到节省人力资源的目的。同时使用机器，可以更加高效、少出错，减少了成本付出，可以在相同的时间内获得更多的利润，创造更多的价值。而此次设计的简易人数人次统计器正是体现了这一点。对于简易人数人次统计器，我们的设想是用红外线感应器来感知有无人出入，然后将感应到的结果经过逻辑电路的处理，即通过计数器的计数和译码器的译码功能，将结果通过显示器反映到眼前。在这个过程中，可以加入一些扩展电路，以便实现一些附加功能，如增加了一个蜂鸣器，以便实现比如有人数进入超出预计值会使蜂鸣器报警等功能。1. 设计课题-简易人数人次统计器设计一个进入实验室或者图书馆人数并记录一天的进出人次数的电路。2设计任务与要求2.1设计任务设计一个进入实验室或者图书馆人数并记录一天的进出人次数的电路，即简易人数人次统计器。2.2设计要求2.2.1要求可以实现以下基本功能：1. 设计简单可靠的传感器来实现感应来人的进出。2. 可以判断来人是进入还是离开。3. 可以显示最大的数字为99.4. 可以显示当前时刻在实验室或者图书馆里的人数，又可以显示总共进入的人次。2.2.2此外，还可以有扩展功能与创新：1.扩展多个门口同时工作的情况，但显示应该统一。2.扩展显示最大的数字为9999.3.可以限制在一段时间间隔内（比如一节课）进入实验室或者图书馆的人数，当人数出现超过时出现报警。4.当有人迟到或者早退时，可以发出提示，并客观记录并显示人数。5.在扩展的基础上增加新的功能。如与其他组雷同则不加分。6.自拟验收方案。3设计方案3.1 简易人数人次统计器概述人数人次统计器就是人流计数器，它也称为客流计数器，或者客流分析系统等，是安装在商场、超市、医院、公园景区、体育场馆、娱乐场所、机场车站等公共场所，检测客流数量的计算机软件系统，也可制作成电路系统。通过该系统检测到的客流数量，用专门的软件研究客流数据进行挖掘，帮助管理员发现客流的规律、趋势等，避免烦琐的人工计算。通过客流统计，使用者可以总体了解场所的人数和变化趋势等信息，然后通过这些信息出相应的决策。以商场为例，客流统计可以发挥以下作用：1） 预测功能：通过历史数据的对比和分析，预测未来的一段时间客流数据。 通过历史数据分析，预测未来一段时间的人流量和销售量。 通过历史数据分析，预测促销活动的效果为企业决策提供依据。2） 决策功能：通过历史数据的分析，掌握客流的规律，制定经营决策。 客观决定租金价位水平； 根据客流变化，更有效分配物业管理、维护人员； 通过客流人群购买率，提高营销和促销的效率； 通过客流人群转化率，提高商场服务质量; 通过出入口客流量统计，确定重要广告的摆放位置和价格； 根据人流的规律，制定有针对性的促销政策； 统计主要楼层人流状态，从而进行铺位合理分布； 当前客流状态和变化趋势，管理人员可以对流量比较大的区域采取预防突发事件的措施，并可实时观察商场当前的实际人数等；3） 评估功能：通过对客流数据的统计分析，评估经营效果。 通过客流数据的变化，评估经营活动业绩； 有效评估所举行的营销和促销投资的回报。因此，在信息高速发展、人群日益密集的今天，在一些公共场所安装人数统计器，对于信息管理、资源配制、企业方案的确定等方面有重大的意义。所以，简易、安全、可靠地人数统计器，在当今社会里，其开发前景是无比广阔的。3.2 设计方案方案1：通过进出门感应器，将收集到的数据送入到计数器中，通过译码器译码后，数据被送入显示器中显示出来。将其分为两个回路，分别显示总共进入的人次和现有人次显示，以便更清晰明了的掌握进出人次的数目。如若计数超过了计数器的最大计数值，则蜂鸣器的报警电路会发出警报。方案2：通过进出门感应器，将收集到的数据送入到单片机中，通过程序的运算后送入显示器中显示统计结果。也可以通过功能选择对人数人次统计器进行功能选择。如若超过计数器的最大计数，则蜂鸣器会发出警报。3.3 方案确定由于本次电子电路课程设计中要求使用电路模块完成，因此不能使用单片机，故选用方案一。3.4 系统框图经过比较，最终选择的人数人次统计器的原理框图如下所示：电路流程图如下所示：4工作原理分析4.1电路设计原理总体电路图如下所示：本次设计的电路由74LS192，CD4511,CD4013,LM311P,74LS04芯片搭建而成，采用直流稳压电源为系统提供5V电源。74LS192芯片74LS192：可预置同步可逆BCD码计数器特点：芯片内部有级联电路 同步操作 每触发器有单独的预置端 完全独立的清零输入端74LS192引脚图：个别引脚说明：Cdn-减计数脉冲输入，当作减计数操作时Cup接高电平。Cup-增计数脉冲输入，当作加计数操作时Cdn接高电平。BO-借位输出信号，在减计数时出现，低电平有效。CO-进位输出信号，加计数时出现，低点平有效。 LD-加载，即对计数器作置数操作时的控制信号。当LD位某个电平时，计数器可以预置初始值，除清零控制外，其他操作被禁止。真值表：H=高电平 L=低电平 X=不定（高或低电平） =由“低”“高”电平的跃变引脚功能表：74LS192的逻辑符号：接线时， Cup或Cdn接单脉冲或1Hz时钟脉冲信号。输出端QDQCQBQA接数码管，CO和BO接发光二极管。其余的控制信号和输入信号接逻辑开关，LD对低电平有效。CD4511芯片CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如下：其功能介绍如下： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。 A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。各引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b、c、d、e、f、g。左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。CD4511的工作真值表如下：锁存功能 译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。 当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。译码 CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数 据B、C进行组合，得出四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。 消隐 BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。消隐控制电路如图3-4所示。 消隐输出J的电平为 J=（C+B）D+BI如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D据上式，当输入BCD代码从1010-1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。选用共阴极数码管，对于 CD4511 ，它与数码管的基本连接方式如下图 ：CD4013芯片CD4013芯片是一种双D式触发器。CD4013是CMOS双D触发器,内部集成了两个性能相同,引脚独立(电源共用)的D触发器,采用14引脚双列直插塑料封装,是目前设计开发电子电路的一种常用器件,它的使用相当灵活方便且易掌握,受到许多电子爱好者的喜爱。CD4013引脚图真值表功能:CD4013由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出，此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计算器和触发器。在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。一个CD4013有6个端子：2个输出，4个控制。4个控制分别是R、S、CP、D。R和S不能同时为高电平。当R为1、S为0时，输出Q一定为0，因此R可称为复位端。当S为1、R为0时，输出Q一定为1。当R、S均为0时，Q在CP端有脉冲上升沿到来时动作，具体是Q=D，即若D为1则Q也为1，若D为0则Q也为0。LM311N芯片LM311N是电压比较运放集成电路。其管脚图如下：74LS04芯片74ls04是带有6个非门的芯片。74LS04是6非门(反相器)他的工作电压5V，他的内部含有6个coms反相器，74LS04的作用就是反相把1变成0。他的引脚图如下所示：真值表如下：4.2 传感器与电压比较器部分传感器部分由红外对管TCRT5000，74LS04，LM311P和CD4013组成的双稳态电路组成。其中两个传感器分别安装在门的靠外侧和内测，有四个传感器组成两组，可实现扩展多门同时工作。芯片74LS04，LM311P和CD4013已经在上文中做过介绍，在此不再介绍。这部分的电路图如下：基本原理是红外对管采用TCRT5000，常态输出高电平，当有物体挡住时，接收管导通。即当传感器没有感应到有人通过时，LM311的2管脚接高电平，输出高电平。当传感器感应到有人通过时，LM311的2管脚接地，输出低电平。 LM311是电压比较器，当”输入端电压高于”输入端时，电压比较器输出为高电平； 当”输入端电压低于”输入端时，电压比较器输出为低电平。当传感器没有感应到人时，J1打开，LM311“+”输入端的电压为5V，“-”输入端的电压为5/(10+10)*10，即2.5V，因而“+”输入端的电压比“-”输入端的电压高，电压比较器输出为高电平。当传感器感应到有人通过时，J1闭合，LM311“+”输入端电压为零，而，“-”输入端电压为2.5V，因而“+”输入端比“-”输入端电压低，电压比较器输出为低电平。传感器与电压比较器部分实现将传感器输出的交流电压转化为直流电输出，并通过并接电容去除毛刺电压，上拉电阻实现灌流，为后续电路提供足够大的电压。红外对管TCRT5000：红外对管TCRT5000，他的封装图如右图所示：TCRT5000是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。TCRT5000采用DIP4封装，其具有如下特点： 塑料透镜可以提高灵敏度。 内置可见光过滤器能减小离散光的影响。 体积小，结构紧凑。红外对管TCRT5000的检测方法先用数字万用表的二极管档位正向压降测试控制端发射管（浅蓝色）的正、负极，将红黑表笔分别接发射管的两个引脚，正反各接一次，显示电压值的那次是正确的，此时，红表笔接的是正极，黑表笔接的是负极。若两次都显示溢出值，则表示发射管内部开路；若两次都显示“0”，表示发射管内部短路。然后再判断接收管的c、e极，数字万用表电阻200或2档，红黑表笔分别接触接收管二引脚，若表头阻值为几十或几百显示，则红表笔接的是c极，黑表笔接的是e极；若显示为“1”， 黑表笔接的是c极，红表笔接的是e极。4.3进出判断设计进出判断设计部分的电路如下：CD4013的1CLK和2RST相连，2CLK和1RST相连，从而实现了当一个红外对管工作时，另一个屏蔽，即实现了进门还是出门的判断。常态时输出底电平，一旦红外对管检测到有人走过，那么就输出一个上升沿，由于实现记总数的CD40192的DOWN直接接了5V电平，这样就实现了加计数。而将输出端Q2再同过74LS04取反，然后接到实现统计当前人数的CD40192的DOWN管脚，这样就实现了减计数。从而实现了加减计数，也就实现了既能统计总人数，又能统计当前人数的功能。对于CD4013，本此设计使用时将其D端给5V电压，SD接地，通过控制其CP和RD端的变化来实现。图中，通过J3的打开和闭合表示出门感应经过LM311后输出的电压的大小，通过J5的打开和闭合表示进门感应经过LM311后输出电压的大小。当有人进入室内时，出门传感器先感应，进门传感器后感应。即出门传感器先感应到人，经过LM311输出低电平，通过74LS04非门，使1CLK=2RST=1，而此时进门感应还没感应到人，经过LM311输出高电平，通过74LS04非门，使2CLK=1RST=0，由CD4013功能表可知，Q1输出高电平，Q2输出低电平。之后，进门传感器感应到人，使1CLK=2RST=1，使2CLK=1RST=1，由CD4013功能表，Q1输出低电平，Q2输出低电平。即当有人进入室内时，屏蔽了进门感应。出室内同理。可得到真值表如下：我们小组在此次的电路中制作了两扇门的进出门传感器，这样比一扇门的进出门传感器可在同一时刻下多测得一组数据，同时也比一扇门的进出门传感器工作更加迅速、准确、持久，且寿命更长。而且，完成了对进出门的扩展设计，使得设计更加人性化、多元化。4.4计数部分计数译码显示电路如下：计数部分采用十进制同步加/减计数器（有预置端，双时钟）的74LS192芯片，74LS192为可预置BCD 可逆计数器，其内部主要由四位D 型触发器组成，与一般计数器不同之处在于加计数器和减计数器分别由两个时钟输入端。74LS192 具有复位CR、置数控制/LD、并行数据D0D3、加计数时钟CPu、减计数时钟CPD 等输入，当CR 为高电平时，计数器置零。当/LD 为低电平时，进行预置数操作，D0D3 上的 数据置入计数器中，计数操作由两个时钟输入控制。当CPD“1”时，在CPu 上跳变时计数器加1 计数；当CPu“1”时，在CPD 上跳变计数器减1 计数。除四个Q 输出外，74LS192 还有一个进位输出/CO 和一个借位输出/BO，/CO 和/BO 一般为高电平，只有在加计数模式，当计数器达到最大状态时，/CO 输出一个宽度为半个时钟周期的负脉冲，在减计数模式，当计数器全为零时，/BO 输出一个宽度为半个时钟周期的负脉冲。此电路图是显示室内总共有多少人数，即74LS192既实现加计数又实现减计数。CD4013的Q1输出接74LS192中U5的UP，Q2输出接74LS192中U5的DOWN。当有人进入室内时，由于CD4013的选择作用，Q1输出一个正脉冲，经过74LS04输出负脉冲，Q2输出低电平，经过74LS04输出高电平，U5的UP下降沿有效，而DOWN一直为高电平，由74LS192功能表，实现加计数。当有人从室内离开时，由于CD4013的选择作用，Q2输出一个正脉冲，经过74LS04输出负脉冲，Q1输出低电平，经过74LS04输出高电平，U5的DOWN下降沿有效，UP一直为高电平，实现减计数。/BO、/CO分别为借位端和进位端，U5的借位端接U3的DOWN，U5的进位端接U3的UP，U3的借位端接U24的DOWN，U3的进位端接U24的UP，可以实现百、十、个三位数计数。当要显示总共进入室内的人数时，只需把CD4013的Q1输入端接上74LS192的UP端，DOWN端接高电平，即可实现千、百、十、个四位数计数。通过此部分电路，我们小组实现了室内现有总人数三位数的统计和总共进入室内的总人数四位数的统计。以此类推，则可实现更高位数的人数统计，即可满足人次计数的需要，使得产品具有更好的销售市场。4.5译码显示部分译码显示部分电路见上图计数译码显示电路中。译码部分为配合共阴数码管，故采用的是CD4511芯片。CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器。其中a b c d 为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。ag是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，本次设计电源电压为5V，使用100的限流电阻。4.6报警部分电路：蜂鸣器报警电路图本次设计中，采用有源蜂鸣器来实现报警功能，由于CD4511带负载能力有限，所以不直接把信号送给蜂鸣器，而是通过排针的插拔把CD4511的输入端的对应位接到74LS04非门，通过两个非门来驱动蜂鸣器。可以设置当室内人数超过多少时蜂鸣器报警，例如，将十位的74LS192的3管脚，即QA端通过两个非门接上蜂鸣器的正端，蜂鸣器的负端接地，这时，只有室内人数超过10时，蜂鸣器响起报警。另外蜂鸣器还可以实现开关控制当有人迟到或早退时蜂鸣器响一下。将两个蜂鸣器分别接74LS04的Q1和Q2端，当时间到时，按下连接蜂鸣器的开关，每进室内一个人，或出室内一个人时，蜂鸣器都会鸣叫一下。由于实验中74LS04芯片和开关的有限，我们小组只制作了用蜂鸣器对室内总人数的报警，人数限制为10。当当前人数显示超过10时，蜂鸣器实现报警，也可采用通过接与非门的方法来实现任意数值报警，还可以实现开关控制当有人迟到或早退时蜂鸣器响鸣叫一次。5验证方案及结果检验简易人数人次统计验收情况列表基本功能实现情况通过传感器感应来人有判断来人进入还是出去有显示最大数字99有显示此刻人数和总进入人数有扩展功能实现情况人数超过10时报警有提示迟到早退无（74LS04和开关的有限）总结：功能基本实现6参考资料主要书目：电子电路综合设计实践教程 施阁 主编电路电子实验指导书 中国计量学院电工电子实验中心电路与电子技术基础数字电子技术基础【浙江科学技术出版社】李青 总主编机电工程训练教程电子技术实训【清华大学出版社】朱朝霞 主编 杨其华 主审互联网上下载的试验中所用到的芯片的PDF文件及相关资料7设计总结与体会在两周的电子电路课程设计里，我们小组通过上网与图书馆等途径查询简易人数人次统计器设计的相关资料。接着，在multisim10中进行了仿真，实现了感应计数的功能。然后在一周的时间里进行了焊接与调试，在此期间，遇到了许多问题，如传感器不能产生高低电平的变化，数码管显示不为零或者不显示，不计数或者计数跳动不规律等。我们利用万用表对接线等故障进行了排查，逐步调试，逐步显示，最后合在一起，同时显示。附录：元器件清单芯片：CD4013 1片CD40192 7片CD4511 7片74LS04 4片LM311N 4片其它元器件：红外对管TCRT5000 4个100NF瓷片电容 4个共阴极七段数码管 7个电阻：100 4个10K 16个蜂鸣器 1个导线 若干芯片底座 若干 数模电路课程设计（论文）题目：简易人数人次统计器二级学院 量新学院 专 业 电气工程及其自动化班 级 10工试2班组员 刘克芹姓名 沈晓伟（15）指导教师 赵子恺 日期 1314周23