單門教室人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)(三等獎)

北京化工大學(xué)第六屆“萌芽杯”參賽作品作品名稱單門教室人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)作品類別B學(xué)院名稱信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院負責(zé)人姓名紀(jì)寓仁導(dǎo)師姓名曹晰2010年07月16日單門教室人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)紀(jì)寓仁信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院信工0802班黎祥信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院信工0803班張金劍信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院信工0802班本作品的設(shè)計靈感來源于我校圖書館的人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)，因其只可記錄圖書館當(dāng)日出入總?cè)藬?shù)，并不能即時的記錄當(dāng)前圖書館所有人數(shù)，給老師的管理和同學(xué)的學(xué)習(xí)帶來一定不便。為提高師生的工作和學(xué)習(xí)效率，我們組成員運用我們現(xiàn)有知識設(shè)計出單門教室人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大的優(yōu)點是精確，快速，即時的反應(yīng)出教室的使用情況。單門教室人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)的工作原理是利用的光感紅外接受裝置來測定人的出入，利用74LS190芯片可同時進行加減運算來作為我們的運算核心，使用74LS161芯片作為計數(shù)器，最后運用七段譯碼器和終端顯示屏幕來顯示當(dāng)前教師的使用情況。實驗結(jié)果較滿意，在進行的三次模擬試驗中，第一次出現(xiàn)了計數(shù)錯誤，經(jīng)簡單調(diào)整后再沒有出現(xiàn)計數(shù)錯誤。我們作品最大的創(chuàng)新之處就在于可以實現(xiàn)即時統(tǒng)計的目標(biāo)，給老師和同學(xué)都帶來了極大的方便，我們從此再也不用盲目的尋找教室了。關(guān)鍵詞：光感紅外接收，74LS190，計數(shù)顯示目錄設(shè)計的由來設(shè)計的靈感來源設(shè)計的假設(shè)，分析與確定設(shè)計方案論證與設(shè)計計算第2.1節(jié)設(shè)計模型的最初思路第2.2節(jié)設(shè)計的模型的組建與仿真第2.3節(jié)設(shè)計的計算與優(yōu)化第2.4節(jié)設(shè)計方案的確定實驗調(diào)試，結(jié)果分析第3.1節(jié)實驗檢驗第3.2節(jié)實驗結(jié)果與誤差分析

設(shè)計的由來設(shè)計的靈感來源我們的設(shè)計靈感來源是就是我們學(xué)校北區(qū)的圖書館四層和五層的人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)。有心的同學(xué)可能會注意到在我們圖書館的計數(shù)系統(tǒng)之中，在那個終端的顯示器上顯示的只是當(dāng)日的人流量。不管你是出來還是進去，那個顯示的人數(shù)都會相應(yīng)的加一，所以這就給想在圖書館自習(xí)的同學(xué)帶來了困惑，到底這圖書館現(xiàn)在有多人。在這樣的困惑之中我們學(xué)習(xí)的時間會不知不覺的流逝，因為找教室而浪費寶貴的學(xué)習(xí)時間實在是太劃不過來了。所以我們便產(chǎn)生了一個靈感，我們希望改進圖書館的人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)，使其不再顯示當(dāng)日的出入總?cè)藬?shù)，而是顯示即時準(zhǔn)確的圖書館座位的使用情況，這就給老師和同學(xué)的工作帶來了極大地方便，不僅提高了我們的學(xué)習(xí)效率，也給圖書館老師的管理帶來了簡便之道，同時這也是對打擊占座這一行為的有效措施。設(shè)計的假設(shè)，分析與確定有了靈感來源，我們便開始了對設(shè)計方案的構(gòu)想。我們當(dāng)時有三種大膽的假設(shè)。第一種最簡單直接的想法就是實行刷卡制，然后根據(jù)刷卡的信息來反映作為的使用情況。此方法理論上當(dāng)然行得通，而且不會產(chǎn)生誤差，但仔細往下深入考慮，刷卡的方式成本太高，實現(xiàn)過程過于復(fù)雜。再者，如果到晚上10點，圖書館將閉關(guān)，大量同學(xué)回寢休息，這時候刷卡出入顯然沒有效率，造成了大量的時間浪費，因此我們放棄了第一種刷卡的假設(shè)方案。我們提出了第二種假設(shè)是利用溫控的方法實現(xiàn)對出入人數(shù)的統(tǒng)計。因為人的體溫變化是很小的，只要我們在控制終端設(shè)定一個溫度的范圍，滿足此溫度范圍的物體都可實現(xiàn)對終端顯示的控制。但這同時我們也看到了這個系統(tǒng)存在的巨大問題，假設(shè)室外溫度達到了我們所設(shè)定溫度范圍，我們的系統(tǒng)將瞬間失效，毛無用武之地，即便是沒有達到溫度范圍，但其統(tǒng)計的誤差也是很大的，溫度這種誤差因素我們很難去控制與解決，而且溫控的成本也是比較高的，所以我們也毫不猶豫的放棄了該假設(shè)方案。過了一段時間我們提出了第三種假設(shè)方案，就是利用光感進行人數(shù)的統(tǒng)計。因為光感的誤差很小，而且實現(xiàn)也相對較容易，成本也很低，所以我們決定采用光感的方式來實現(xiàn)我們的假設(shè)。設(shè)計方案論證與設(shè)計計算第2.1節(jié)設(shè)計模型的最初思路首先是信息的采集，我們想到的是紅外線接收頭，這個裝置由兩部分組成，一部分是紅外線發(fā)射裝置，另一部分是紅外線接收裝置，采集數(shù)據(jù)的原理是，當(dāng)紅外線接收裝置能夠接收到紅外線時，它的輸出端輸出的是高電平，而當(dāng)紅外線被遮光，也就是紅外線接收頭不能接收到紅外線時，輸出端輸出的是低電平。經(jīng)過分析假設(shè)后，我們決定用兩個紅外線接收裝置，分別放在門靠內(nèi)（之后稱之為內(nèi)紅外）和靠外（之后稱之為外紅外）的兩個地方，靠近門內(nèi)的作為加減法判斷端，輸出端接入核心芯片CT74LS190的U/d端即加減方式控制端；而靠近門外的作為計數(shù)的觸發(fā)信號，當(dāng)紅外被遮時進行相應(yīng)的計數(shù)。CT74LS190芯片是一枚數(shù)字電路芯片，我們選擇他的原因是，它既能處理加法運算也能處理減法運算而且是16位的。它的U/d管腳之前已經(jīng)說過，是一個加減法方式控制端（高電平做減法），所以我們將其連非門后再與內(nèi)紅外相連，而時鐘信號端CP與外紅外相連。也就可以如下描述這兩個紅外線裝置的工作原理，當(dāng)有人進入教室時，由于人首先觸發(fā)外紅外，而內(nèi)紅外處于默認狀態(tài)即加法，所以此時芯片進行加一計數(shù)，而當(dāng)有人出教室時，首先觸發(fā)內(nèi)紅外，將計數(shù)狀態(tài)改為減法，由于兩個裝置距離比較近（小于一個人的厚度），此時此人又觸發(fā)外紅外，所以計數(shù)器進行的是減一計數(shù)。這樣就得到了我們需要的結(jié)果。第2.2節(jié)設(shè)計的模型的組建與仿真設(shè)計圖如下仿真：可以如下描述這兩個紅外線裝置的工作原理，當(dāng)有人進入教室時，由于人首先觸發(fā)外紅外，而內(nèi)紅外處于默認狀態(tài)即加法，所以此時芯片進行加一計數(shù)，而當(dāng)有人出教室時，首先觸發(fā)內(nèi)紅外，將計數(shù)狀態(tài)改為減法，由于兩個裝置距離比較近（小于一個人的厚度），此時此人又觸發(fā)外紅外，所以計數(shù)器進行的是減一計數(shù)。這樣就得到了我們需要的結(jié)果。第2.3節(jié)設(shè)計的計算與優(yōu)化如下所示的是紅外線接收頭的元件參數(shù)：紅外接收頭（LM567） 工作電壓：4.8~5.3V 靜態(tài)輸出：高電平 輸出低電平：小于0.4V 輸出高電平：接近工作電壓 接受頻率：3.8KHz從中我們可以看出，此紅外接收頭的接受頻率是3.8KHZ，也就是說我們?nèi)诉M入教室的速度是不可能超過這一個值的，也就是可以用在此處處理接收人進出教室的數(shù)據(jù)。第2.4節(jié)設(shè)計方案的確定經(jīng)過測試和仿真，之前設(shè)計的系統(tǒng)能夠完成任務(wù)，所以，我們采用了以上方案，設(shè)計圖如下。實驗調(diào)試，結(jié)果分析第3.1節(jié)實驗檢驗我們拿著我們簡單的裝置到電工電子實驗室進行了仿真實驗，第一次的結(jié)果出現(xiàn)了一個誤差。原因是我們操作出現(xiàn)了一個事物，就是在把光感紅外打開的時候我們意外遮到了光，導(dǎo)致我們最終的結(jié)果出現(xiàn)了誤差，并不是實驗裝置的問題。之后我們又連續(xù)進行了兩次實驗，結(jié)果都沒有出現(xiàn)任何誤差，實驗裝置工作也很穩(wěn)定，沒出現(xiàn)任何部件的故障。第3.2節(jié)實驗結(jié)果與誤差分析在我們進行的三次試驗中，除了一次因為我們自己的操作失誤導(dǎo)致結(jié)果有誤意外，其余兩次結(jié)果全部準(zhǔn)確無誤，而且實驗裝置穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)故障，所以經(jīng)過實驗證明，我們的設(shè)計是具有可操作性和可執(zhí)行性的。結(jié)論經(jīng)過了幾個月的學(xué)習(xí)與實踐，我們完成了我們的預(yù)期目標(biāo)。單門教室人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)具有精確，即時，高效，穩(wěn)定等眾多優(yōu)點，可以作為產(chǎn)品去進行生產(chǎn)。單門的教室人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)可以在多種場合進行運用，不只局限于學(xué)校，其在銀行，機場，各種公共場合都有其用武之地，只要將其稍作改進，便可產(chǎn)生很多種類似的產(chǎn)品進行生產(chǎn)。單門教室人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)不僅僅具有理論意義，其實際意義才是它的價值體現(xiàn)和重中之重。但是我們組覺得這個單門教室人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)還是存在一些缺陷的。比如說如果門不是我們學(xué)校的這種，而是那種旋轉(zhuǎn)門，我們的系統(tǒng)便難以應(yīng)用，還有我們正在努力去探究怎么樣將單門系統(tǒng)擴展至雙門甚至是多門，這樣將使其使用的廣泛性得到很大的提高。在今后的研究的過程中，我們的方向主要是將其的實用性加以提高，使其在更多的場合都可以使用，提高產(chǎn)品本身的價值。但我們的前進之路還是存在了很多的學(xué)術(shù)性困難，我們在專業(yè)領(lǐng)域知識的匱乏使是我們最大的障礙。比如我們在探究雙門系統(tǒng)的時候就遇到怎么將兩路的數(shù)據(jù)同時進行結(jié)合與計算，同時做相同的運算可以，但同時做不同的運算卻成了我們的絆腳石，這樣的問題還有很多，在這里我們就不一一列舉了。但是我們相信，沒有過不去的坎，在導(dǎo)師的精心幫助下，我們一定會克服障礙，進一步的完善我們設(shè)計。參考文獻康華光電子技術(shù)基礎(chǔ)第五版（數(shù)字部分）[M]北京高等教育出版社2000符號說明光感紅外接收器LM567內(nèi)部原理圖74LS190（可預(yù)置同步可逆BCD計數(shù)器）LDSLDSU/DCPQDQCQBQA100↑加計數(shù)74LS190功能表101↑減計數(shù)0xx↑預(yù)置數(shù)11xx保持74LS190是BCD同步加／減計數(shù)器，并行輸出。計數(shù)時，時鐘CP的上升沿有效。CP端、加/減端()和置數(shù)端（）都先經(jīng)過緩沖，從而降低了這些輸入端對驅(qū)動信號的要求。附表列出了74LS190的主要功能，下面作簡要說明。1）預(yù)置數(shù)：當(dāng)置數(shù)端（）為低電平時，數(shù)據(jù)輸入端信號A、B、C、D將對內(nèi)部觸發(fā)器直接置位或復(fù)位，結(jié)果使QA=A、QB=B、QC=C、QD=D，而與其他控制端的電平無關(guān)。2）計數(shù)：在允許端為低電平，置數(shù)端無效（=1）的條件下，若加／減輸入端為低電平，則可進行加計數(shù)，反之可進行減計數(shù)。3）禁止計數(shù)：當(dāng)允許端為高電平時，計數(shù)被禁止。值得注意的是，允許端的電平應(yīng)在CP為高電平時發(fā)生變化。4）級聯(lián)：當(dāng)計數(shù)器溢出時，進位/借位輸出端（CO/BO）產(chǎn)生一個寬度為一個CP周期的正脈沖，串行時鐘端（QCR）也形成一個寬度等于時鐘低電平部分的負脈沖，上述正脈沖或負脈沖的后沿比產(chǎn)生溢出的時鐘脈沖上升沿稍微滯后，它們可作為級聯(lián)信號來用。例如，把兩級74LS190連接為同步計數(shù)器，只要將低位計數(shù)器的QCR端連至高位計數(shù)器的允許端。而要把兩級計數(shù)器連接為異步計數(shù)器，則低位計數(shù)器的QCR端應(yīng)和高位計數(shù)器的CP端相連．CO/BO端可用來完成高速計數(shù)的先行進位。74lc451