基于msp430单片机的人数检测系统

基于基于 msp430 单片机的人数检测系统设计单片机的人数检测系统设计 冉崇建 张训文 苏晓东 （北京理工大学 机电学院 北京市 100081） E-mail: 摘要：摘要：本文介绍了一种新型人数检测系统。该系统通过传感器组对门口的环境进行检测，以 msp430 单片 机作为处理器，利用端口中断和计时器对检测结果进行记录和处理，并通过特定的算法实现进出方向判断 和人数测量。本设计将传感器模块安装在门口距地面 20cm 处，以此检测出行人经过传感器时脚步的变化， 有效地减少了因各人身高、衣服颜色以及动作不同所引起的测量误差。通过对实际检测结果的比较，发现 由两个水平并排安置的红外避障传感器所构成的系统具有性能稳定、算法简单等优点。经过设计制作和实 验表明，该系统工作稳定可靠，检测结果准确。 关键词：关键词：人数测量 红外避障传感器 msp430 端口中断 计时器 The System to Measure the Number of People based on Msp430 Microcontroller Chongjian Ran，Xunwen Zhang，Xiaodong Su (College of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology, 100081) Abstract:This paper introduces a new system to measure the number of people. The surrounding information is detected by infrared obstacle avoidance sensors. Msp430 microcontroller is adopted as the processor to record and process the detection results with port interrupt and timer. A specific algorithm is also recruited to judge someone is in or out of the room and count the number of people. In this design method, we set the sensors installed at 20 centimeters from the ground nearby the door to detect the change of pace when someone walks through the door. Thus we effectively reduce the measurement error caused by the difference of height, clothes, color and motion of each person. Through the comparison of the actual measured results, we find that system consisting of two horizontal sensors placed side by side has advantages of stable performance and simple algorithm. After design and manufacture, the experimental results show that this system is stable and reliable, and the detection results are accurate. Key words: measurement, number of people, infrared obstacle avoidance sensor, msp430, port interrupt, timer 1 1 引言引言 室内管理的一个重要指标是对室内的人的数量的管理，尤其是在公共场合，室内人的 数量是对资源进行合理的配置的重要依据之一。目前，检测室内人数有多种方案，包括采 用摄像头、热释电红外传感器或者红外避障传感器等进行监测。基于摄像头的人数统计系 统融合了视频处理、图像处理、模式识别以及人工智能等多个领域的技术。此种方法检测 准确，但是技术复杂且成本较高。热释电红外传感器是热探测器中的一种，它是利用热释 电效应工作的探测器，其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、 工作频率宽，灵敏度与波长无关，因此其应用领域广，容易使用。但此种传感器存在一定 弊端，包括：（1）当环境温度接近人体温度时，灵敏度急剧下降；（2）对静止物体不能 探测。针对前两种测量方法存在的不足和缺陷，本系统采用第三种方法，在房间门口的固 定位置水平并排放置两个红外避障传感器，利用 MSP430F149 单片机对传感器的信号进行处 理，从而检测出进入房间的人数。 2 2 人数检测系统设计分析人数检测系统设计分析 （1 1）行走脚步逻辑分析）行走脚步逻辑分析 当红外壁障传感器的感测距离内没有障碍物时，传感器输出为高电平，当感测距离内 有障碍物时变为低电平。所以当红外传感器检测到障碍物之时会输出一个下降沿，当障碍 物移出感测距离之时会输出一个上升沿，本系统利用这个特性来检测是否有人通过以及通 过的顺序。本系统将由两个红外避障传感器（传感器 F 和传感器 R）构成的传感器组水平 安置在门口距离地面 20cm 处。 为了更好的叙述检测人数用到的逻辑和思想，作如下假设： 传感器 F 发生下降沿中断的事件为 Ff； 传感器 F 发生上升沿中断的事件为 Fr； 传感器 R 发生下降沿中断的事件为 Rf； 传感器 R 发生上升沿中断的事件为 Rr； 行走时先进入感应区域的腿为腿 1。 实际制作的传感器模块的感应宽度小于人的小腿的宽度，所以，当人通过传感器模块 时会发生如图 1 所示以下几种情况： Msp430控 制器 传感器模块 传感器F 传感器R 感应宽度 门室外 室内 腿 1 腿 1 腿 1 2 3 4 腿 1 1 腿 1 5 图 1 行走时脚与传感器模块的位置关系 当从室外进来一个人，可能发生的几种情况如下： （1）腿 1 没有挡住任何传感器，如图中，此时传感器模块发生中断事件的顺序如下： Ff Rf Fr Rr FfRfFrRr （2）腿 1 挡住了传感器 F，如图中，此时传感器模块发生中断事件的顺序如下： FfRf RrRf FrRr （3）腿 1 挡住了传感器 R，如图中，此时传感器模块发生中断事件的顺序如下： FfRf Fr Ff FrRr （4）腿 1 挡住了传感器 R 和 F，如图中，此时传感器模块发生中断事件的顺序如下： FfRf FrRr 当从室内走出去一个人，可能发生的几种情况如下： （1）腿 1 没有挡住任何传感器，如图中，此时传感器模块发生中断事件的顺序如下： RfFfRrFrRfFfRrFr （2）腿 1 挡住了传感器 R，如图中，此时传感器模块发生中断事件的顺序如下： Rf Ff FrFfRrFr （3）腿 1 挡住了传感器 F，如图中，此时传感器模块发生中断事件的顺序如下： RfFf RrRfRrFr （4）腿 1 挡住了传感器 R 和 F，如图中，此时传感器模块发生中断事件的顺序如下： Rf FfRrFr （2 2）提取特征和约束）提取特征和约束 从上面的分析，无论走进或是走出房间时属于何种情况，都可以得到下面的普遍结论： 进入房间：以 FfRf开始，以 FrRr结束 走出房间：以 RfFf开始，以 RrFr结束 由于传感器模块的感应宽度小于人的小腿的宽度，所以在人的行走过程当中，两只脚 触发中断的时间间隔应该大于比其他任何相邻中断的时间间隔。在实验过程中也证明了这 一点，并且可以利用这个时间间隔 T1来判断出一次测量。 除此之外，系统本身应该还有在遇到不可预测的情况之时自恢复能力，当相邻两次中 断时间间隔大于某个特定值 T2的时候，判断为系统错误，大于 T2之前的测量数据全部抛弃。 3 3 检测电路设计检测电路设计 （1 1）红外传感器模块）红外传感器模块 本系统选用的红外避障传感器如图 2 所示，该传感器是一种集发射与接收于一体的光 电传感器。检测距离可以根据需求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、 价格便宜、易于装配等特点。 图 2 红外避障传感器 图 3 传感器模块电路 为保证所传输的高低电平信号稳定不受干扰，系统采用 MAX485 接口芯片，将传感器 OUT 口产生的高低电平转换成双绞线上的差分信号进行传输，并在信号处理接收端通过 MAX485 接口芯片还原成箱内环境下的高低电平，以保证信号不受干扰，并且有一定的隔离 作用，具体硬件电路如图 4 所示。 （2 2）信号处理单元）信号处理单元 美国 TI 公司生产的 MSP430 系列超低功耗单片机 MSP430F149 具有丰富的片上外围模块， 所需外部元件较少，具有较高的性价比。它是由 2 个 16 位定时器、8 路快速 12 位 A/D 转 换器、2 个通用串行同步/异步通信信号接口(USART)和 48 个 I/O 引脚等构成的微控制器。 本系统主要利用了该单片机的端口中断和由定时器产生构成的计时器来处理传感器采集到 的信号，然后通过一定的算法来进行人数的检测。该单元由电源、MSP430F149 最小系统、 MAX485 接口等部分组成。原理图如图 4 所示： M MS SP P4 43 30 0 单单片片机机 时时钟钟 传传感感器器模模块块 J JT TA AG G 电电源源 图 4 信号处理单元硬件电路图 4 4 检测程序设计检测程序设计 本程序用到了 msp430f149 单片机的端口中断模块，通过计时器对每个中断发生的时间 进行记录，然后利用上面分析得到的约束来判断测量的结果。将上面分析得到约束具体到 程序当中为： （1）在一次测量过程中中断发生的个数应该不超过 8 个。 （2）当发生中断之后，中断顺序应该满足以 FfRf开始以 FrRr结束（表示有人进入房 间），或者以 RfFf开始以 RrFr结束（表示有人走出房间）。 （3）在中断发生过程中应该有两个相邻的中断发生时间间隔大于 T1且小于 T2。 在主程序中，对端口 1、timerA、时钟等进行了初始化，在对端口初始化的时候，将 中断触发条件设置为上升沿和下降沿，然后使能端口中断和全局中断。本系统用到的主程 序流程图如图 5： 开始 初始化 开启端口中断 发生端口中断 中断服务 子程序 否 是 图 5 主程序流程图 中断服务子程序主要负责中断发生时对中断信号的识别和按照约束对发生的中断信号 进行处理，进而判断人的进出情况。中中断服务子程序流程图如图 6： N=0 启动计时器timerA 是 N+ 判断中断类型并记录INTN 记录中断发生时间TN N1 TN-TN-1T1 TN-1=Rr且 TN=Fr Ti-Ti-1T1 TN-1=Fr且 TN=Rr 人数减1 人数加1 本次测量结束数据清零 N=0,关闭计时器 进入中断 退出中断 舍弃N之前的数据 重新开始一次测量 否 是 是 是 是 是 是 是 是 是 否 否 否 否 否 否 否 否 否 图 6 中断服务子程序流程图 5 5 结论结论 本系统利用 MSP430F149 单片机和红外避障传感器实现了进出房间的人数测量，采用的 测量方法具有普遍性，适用范围广，识别准确度高等特点。经过实际制作和测量表明，所 设计系统合理正确，性