基于51单片机的红外计数器的设计

　　摘要

在许多特殊场合，为了方便考勤或者是有效避免闲杂人员的干扰，需要对进出人数进行有效统计和管理。本设计基于使用方便、应用广泛和典型的原则，设计出一种以单片机为控制核心的红外计数器。该检测系统可实时对人数进行统计与管理，其核心器件是红外光电传感器和单片机，配合其它模块电路即可实现对某个场所进出人数的统计，并在人数超出一定的管理范围时，通过报警装置进行提醒。该设计主要是以红外传感器的收发信号来获得数据，然后送到单片机，通过液晶显示电路实现数据的可视化，通过键盘电路控制报警值。能够广泛应用于各大高校、会场等诸多需要对人数进行统计与管理的场合。

关键词：单片机;人数统计;传感器

　　第1章 绪论

　　1.1 背景和意义

在这个日新月异的时代，科技的轮盘一刻不曾停息。人工智能已经渐渐代替了人工，电子设备的时代也已经到来。在同等条件下，智能设备的工作效率要远远高于人工。智能设备的到来对于我们来说不仅带来了许多便利，能够让我们有更多的时间去做更加有意义的事情，而且也代表这个时代的发展水平，是一个时代的标志。对于计数来说，我们的祖先曾经用结绳计数、用刻在石壁上的竖线计数，到后来文字的出现、数字的到来，每一个都能代表它所在的时代特征，以及当时的发展水平，现如今的计数器也同样能够证明我们所在的时代的发展水平。计数器已经有了很悠久的发展史，利用现代技术可以很容易地让电子计数器计数值没有上限。

在日常生活中会有许多人流量较大、环境复杂的场所，在这种场所下进行人数的统计也是一种很困难的事情。例如，在公交车上，人数的统计也是一件很繁琐的事情，但如果能够设计一款人数统计器，实时显示车辆人数的话，交警检查超载人数时也会变得方便；在商场等人流量大的地方，可以很方便的测出每一天的人流量；在交通路口，可以很方便的检测到每个路口的交通情况，可以更方便的预测到下一个路口是否会堵车等情况，减少交通堵塞带来的不便。

　　1.2 研究概况和发展趋势

计数器是日常生活中必不可少的组成部分，但计数器种类繁多，如何选择一个方便又多功能的计数器成了广大厂家非常关心的核心老问题，如何让计数器超越简单的技术功能，成为生产生活中的一把利器。以单片机为核心的红外计数器不仅可以实现计数的及时性、计数的准确性并且可以以低廉的价格、广泛的应用、可靠的功能以及可扩展性强的特点来实现此次设计目标。

如今单片机的种类繁多，许多芯片制造公司都有自己特有的单片机，同样现在的芯片制造公司也可以根据用户的要求定做独有的单片机。尽管他们种类繁多，但是基本结构还是有所类同的。如今，主流的单片机仍然是ATMEL的80C51。因此，本次设计同样选择使用该单片机系统。目前，单片机赶着科技的潮流，正在向高性能价格比、低功率损耗、大容量、小体积、可扩展、稳定性强等方向发展。

接触式自动计数器与非接触型自动计数器仍然是自动计数器产品的两大方向，如今早已开发出了多种型号的专用检测芯片。虽然它们有很多优点，但是面对环境恶劣、温度不稳定的情况下还会会出现误操作。因此，如何解决由于系统在恶劣情况下带来的不稳定是我们当下正面对的难题。

　1.3毕业设计的主要内容

本设计主要以STC89C51作为电路的主要控制模块，使用LCD1602液晶显示器达到数据显示的功能，利用红外检测系统实现红外计数的目的，最后搭配其他的外围电路完善电路的功能。通过键盘输入模块调节报警值，当红外检测设备检测到对象进入时，给单片机一个信号，计数加一，然后通过LCD1602显示输出。如果人数超出一定的管理范围，则会通过报警装置进行提醒。当另一个检测器检测到检测对象时，数值减一。如果当前值不大于设定值时，报警模块自动解除报警，记录值通过LCD1602具体显示，最后读取记录值完成设计目的。

第2章 系统总体方案设计

　　2.1 设计要求

(1)掌握51单片的操作系统，利用KEIL软件编写C程序；

(2)熟悉设计目的，并构建可以实现设计目的最小系统；

(3)熟练掌握系统工作原理及设计方法；

2.2 方案选择和论证

　　2.2.1 控制系统的选择

方案一：选用DSP作为控制系统。DSP具有总线结构、流水线技术、多总线并行技术、软/硬件等待功能、独立的乘法器和加法器、低功耗、体积小、DMA通道和通信口等特点，但是DSP单片可编程系统电路复杂、一般应用于实时性要求高的场合，同时对于外围元件具有很高的要求，价格相对较高。

方案二：以单片机作为控制系统。单片机具有性能可靠性高、可扩展性强、运算精度高、价格低廉、使用方便、兼容性好等优点。

通过以上两种方案论证和比较，从设计的实用性，方便性和成本出发，选择了以STC89C51单片机作为中央处理单元进行红外计数器的设计。

　2.2.2 显示方案的选择

方案一：采用LED数码管动态扫描。虽然使用LED数码管可以实现简单的计数，但对于本次设计还是不合适，因为本设计需要输出的数据相对较多，而单片机I/O口不足，并且会导致电路接线复杂，PCB板图设计困难。

方案二：采用LCD液晶显示屏。LCD液晶显示屏不仅具有LED所具备的优点，而且LCD液晶显示屏还具有显示文字、图形等功能，相对LED更清晰，视觉感更好。对于本设计而言，LCD1602的液晶屏不仅可以实现数据输出功能，同时也解决了接线复杂的问题。所以选择LCD1602作为数据输出系统。

　第3章 系统硬件设计

　　3.1 整体方案设计

　　3.1.1 系统概述

本设计主要以单片机作为控制系统，然后连接其他外围电路其中包括红外传感器、键盘输入模块、LCD1602液晶显示器、报警系统等。红外检测设备采用E18-D80NK，用来检测人数的变化。键盘输入模块，用来改变可控值的大小。报警模块选用的是蜂鸣器和LED，当人数达到报警值时就会进行报警。

3.1.2 系统框图

　　图3-1 系统框图

　3.2 最小系统模块

　　3.2.1 STC89C51简介

概述STC89C51单片机属于80C51系列，它属于STC公司的一款芯片，在工业领域、电子产品和通讯方面都有所应用，也是现在较为普遍的一款集成芯片。STC89C51有集成8位CPU、4K字节的ROM、128字节的RAM、寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。

主要功能特性兼容MCS51指令系统；8k可反复擦写(>1000次）Flash ROM；32个双向I/O口；256x8bit内部RAM；3个16位可编程定时/计数器中断；时钟频率0-24MHz；2个串行中断；可编程UART串行通道；2个外部中断源；共8个中断源；2个读写中断口线；3级加密位；低功耗空闲和掉电模式；软件设置睡眠和唤醒功能；STC80C51单片机的引脚，如图3-2所示。

图3-2 STC89C51引脚图

其中，各引脚的功能为:

① 主电源引脚

VCC（40脚）：接＋5V电源正端；

GND（20脚）：接＋5V电源地端；

② 外接晶体或外部振荡器引脚

XTAL1（19脚）：用来连接晶振的一个引脚与地相连接，而在单片机内部19引脚作为反相放大器的输入端使用。

XTAL2（18脚）：用来连接晶振的另一个引脚，在单片机内部作为反相放大器的输出端使用。

③ 控制信号线

RESET（9脚）：复位信号输入端，在开机时给单片机复位。如需手动复位则需要外接输入。

ALE（30脚）：地址锁存允许端。

PSEN（29脚）：外部程序存储器读选通信号，低电平有效。

EA（31脚）：访问内部或外部程序存储器的选择信号。

④ 多功能I/O口引脚

8051单片机设有4个双向I/O口（P0、P1、P2、P3）其中：

P0口（32～39脚）——8位漏极开路的I/O口（三态）。可作为输入/输出口，可驱动8个TTL逻辑电平。当P0口写入高电平时，引脚可用作高阻抗输入端。当写入低电平时，引脚作为低8位地址/数据复用，此时P0具有内部上拉电阻。

P1口（1～8脚）：单片机对写入“1”后，可作为输入线使用，而每一位都可以通过编程进行控制其功能。

P2口（21～28）：同样可以作为输入/输出口使用，但通常情况下需要与P0口的低8位组成16位地址总线，用于对外部存储器的接口电路进行寻址。

P3口（10～17脚）：双功能口，对P3端写入高电平时，由于上拉电阻的作用，使其作为输入口。作为第二功能使用时，其功能各引脚如表3.1所示：

表3.1 P3口第二用途

　　3.2.2 最小系统电路

单片机STC89C51的最小系统主要是由复位系统、晶振电路、电源电路以及外围连接电路组成。其中复位系统主要是由10μF电解电容C1并联按钮开关K1，并与10K的电阻串联后连接单片机STC89C51的第9引脚RESET组成。复位系统在单片机STC89C51工作系统中所起到作用是当电路出现故障或者程序出现读取错误时又或者电路出现死机时，可以通过启动复位系统来解决所发生的故障，之后重新运行程序；其中晶振电路用X1并联两个电容组成，晶振两个引脚分别接在单片机STC89C51的18、19引脚上。晶振电路工作系统中主要作用，使单片机快速工作在合适的工作频率下。在一些没有严格要求的电路系统中也可以将12M的晶振替换成24M的晶振；其中的电源电路，主要是通过+5V电源供电。其作用是为了保证工作系统正常工作。其中的外围连接电路是指在P0口处连接排阻R1，因为P0口需要对液晶显示器进行数据传输，数据传输会产生高电平，而高电平则源于上拉电阻的存在。因此电阻排R1在此处的作用不仅仅是起到保护电路的作用，也起到了保证数据传输正常的作用；最后单片机STC89C51的31引脚端接入的高低电平决定STC89C51单片机复位系统启动后读取程序的选择。单片机最小系统，如图3-3所示。

图3-3 单片机最小系统

3.3 液晶显示电路

　　3.3.1 LCD1602液晶简介

LCD1602可以显示两行字符，其中每行16个字符。由于LCD1602每个点阵之间存在一定的缝隙，因此该显示器不适合用来显示图片，但用来显示文字符号和数据是特别理想的。

LCD1602液晶可以按是否带有背光源分为两类，但其主要性能不会因此受影响。它们大部分会选用HD44780作为控制器，两者尺寸差别如下图3-4所示：

LCD1602主要技术参数：

显示容量:16×2个字符芯片工作电压:4.5—5.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm

图3-4 LCD1602液晶尺寸说明

3.3.2 液晶引脚说明

LCD1602的引脚如表3-2所示：

表3-2 LCD1602液晶引脚说明

　3.3.3 指令介绍

清屏指令指令如表3-3所示

表3-3 清屏指令功能表

功能：

清空液晶显示屏上所有的数据；将液晶屏上的光标还原成初始状态；把地址显示器即AC的数值归位零。光标归位指令指令如表3-4所示

表3-4 光标归位指令功能表

功能：

初始化光标位置；地址计数器即AC的数值被设为零；进入模式设置指令，如表3-5所示表3-5 进入模式设置指令表

功能：数据写入时控制光标，具体如下：

显示开关设置指令，如表3-6所示。表3-6 显示开关设置指令表

功能：对显示器的显示及光标进行控制，具体如下：

设定显示屏或光标移动方向指令如表3-7所示

表3-7 设定显示屏或光标移动方向指令表

功能：控制光标以及显示器屏幕的方位，具体如下：

功能设定指令指令如表3-8所示

表3-8 功能设定指令功能表

功能：对数据总线、显示器功能以及显示点阵数量，参数设定情况如下：

设定CGRAM地址指令，指令如表3-9所示。表3-9 设定CGRAM地址指令功能表

功能：用来存储字模的空间。

设定DDRAM地址指令，指令如表3-10所示：表3-10 设定DDRAM地址指令功能表

功能：下一次要存入数据的DDRAM地址将被设置。

读取忙或AC地址指令，如表3-11所示

表3-11 读取忙或AC地址指令表

功能：下一次要存入数据的DDRAM地址将被设置。

当HF读取的BF为1时，代表单片机暂时无法接受数据以及指令；当读取的BF为0时，则表示当前单片机可以接受指令。地址计数器（AC）内容被接收。数据写入DDRAM或者CGRAM指令指令如表3-12所示

表3-12 数据写入DDRAM或者CGRAM指令功能表

功能：

DREAM被写入数据，随之LCD1602显示器将其显示出来；OGRAM被存入由使用者设计的图案；

　3.3.4 液晶显示模块电路

LCD1602液晶显示器的连接图如图3-5所示，首先电源端与脚2（电路VCC）、脚15（LCD1602背光源的正极）连接，接地端与脚1（电路GND）连接、脚16（LCD1602背光源的负极），第三脚通过调节滑动变阻器R3的阻值来控制液晶显示器的对比度；然后脚4、脚5、脚6是LCD1602的数据控制端口，其作用分别是寄存器控制、控制液晶显示器的读写、使能端；最后第7脚——第14脚是LCD1602的双向数据总线。

图3-5 液晶模块连接图

　　3.4 红外检测模块

本设计的红外检测模块采用E18-D80NK红外检测传感器，它是一种发射/接收为一体的传感器，如图3-6所示。

图3-6 红外检测传感器

通过三条引线与单片机连接，分别用作供电端和数据传输端，当检测到对象经过时会给单片机传输一个“0”，而在未检测到对象时则会传输“1”。单片机只需判断该数据引脚的电平高低，即可知道当前是否扫描到对象。如图3-7所示。

图3-7 E18-D80NK原理图

　　3.5 按键输入模块

键盘输入模块可以把我们的想法传递给单片机，而在单片机领域中键盘输入设备又可以分为矩阵键盘和独立按键键盘，其特点是矩阵键盘可以处理复杂的信息输入情况，同时解决端口不足的问题；而独立按键键盘编写程序简单，面对一些输入数据简单的情况可以充分发挥它的特点和功能。因为本设计需要输入的控制数据较少，因此选择独立按键键盘。

键盘选择的同时也要解决一个问题“抖动”，这里我们采用延时法。当按下按钮后，键盘按钮会有几ms的抖动时间（时间较短），因此在这里我们可以通过延时法把键盘按钮抖动的时间延时过去。这样既不影响电路的正常操作，也不会出现因为按钮抖动出现的误操作。按键的连接图3-8所示：

图3-8 按键电路

　3.6 报警模块

　　3.6.1 蜂鸣器的介绍

蜂鸣器是一种能够把电信号转换成声音信号的器件，在电子设备、家电器件、通讯设备、报警系统、军事医疗等都有应用。蜂鸣器又可以分为有源/无源蜂鸣器，这里的“源”指的是蜂鸣器内部是否存在振荡器。在单片机设计中一般选择有源蜂鸣器，通过单片机引脚控制、调节声音。使用简单，操作便捷。

　3.6.2 蜂鸣器报警电路

由于蜂鸣器的工作电压大于单片机I/O口端的电压，因此可以选用一个共集电极放大电路使蜂鸣器在单片机的控制下正常工作。当接收到单片机的发声指令时（一个低电平信号）电路工作，电路如图3-9所示。

图3-9 蜂鸣器电路

　3.6.3 发光二极管

发光二极管简称LED，它的内部结构与普通二极管大同小异，其内部都存在一个PN结，P区含有带正电的空穴、N区含有带负电的电子，在P区与N区之间形成的一个薄膜，我们把他成为PN结。当N区中部分带有负电的电子流入P区时，或者P区带正电的空穴流入N区时，二极管就会导通。因此，二极管有两种工作状态：正向导通、反向截止。

在使用发光二极管时需要在与电源连接线间串入限流电阻，在使用时应注意外界温度与功率损耗，这样才能让发光二极管工作在稳定的状态下。

　3.6.4 报警模块电路

LED报警模块连接方式是，正极串联一个电阻与电源连接，负极直接连在单片机的I/O口上。如图3-10所示：

图3-10 LED灯电路

工作原理：发光二极管正极与+5V电源相连，当单片机发出报警指令时会给发光二极管的负极一个低电平，使发光二极管发光，直到排除警报原因。

　第4章 软件设计

　　4.1 程序语言及开发环境

本次设计选用的是C语言编程，C语言距今为止已经有了40多年的历史，在编程设计中C++排行为第四名，而C语言仍然首居第一。因此，学好C语言是受益终身的。C语言的运用可以在游戏开发、数据运算、图像等方面体现。C语言具有结构通俗易懂、运用方便、允许直接访问物理地址层、操作便捷、可移植性能好等优点。关于开发环境的使用，我选择的是Keil uVision4作为软件设计的开发环境。

4.2 程序流程图设计

　　4.2.1 总体程序流程图设计

本设计的工作流程：首先，对LCD1602显示器和预设报警值进行初始化，然后根据传感器接收到的数据进行变化。如果用传感器1检测进入的人数，当检测到人时，计数器加一并且刷新人数显示，同时判断人数是否超过预设报警值。然后用传感器2来检测出去的人数，当检测到时，计数器减一并且刷新人数显示；若未检测到人，则不发生改变，检测过程中可以通过按键改变预设报警值。当检测完毕后，重新返回到传感器检测数据。软件流程图如图4-1所示：

　　图4-1主函数流程图

4.2.2 液晶程序设计

液晶显示系统得到显示指令后，就会刷新显示屏的行列坐标，也仅会在第一个数据输入前对行列坐标进行定位。当输出数据时，每一次输出一位字符，然后检测数据是否全部输入。如果未完全输出则会继续输出，直至该数据被完全输出。

　　图4-2液晶显示流程图

　第5章 系统调试

　　5.1 元器件的选择与测量

本次设计的元器件主要有：单片机、晶振、电阻、电容、按键、开关、电源座、三极管、蜂鸣器、传感器、液晶等。而元器件的选择是根据画好的电路图草图，大致选择合适的元器件。

元器件的测量方法如下：

电阻的测量方法有色环测量和万用表测量，这里为了数据的准确性我们可以选择使用万应表测量，排阻带白点的一端是接在电源端；电容的测量可以通过表面的标识读取，要特别注意的是电解电容的测量可以根据管脚的长短区分“长正短负”，也可以根据“阴影部分为负极”来判断，安装时千万不可以装反，防止电解电容电容爆炸；三极管的测量可以使用电子万用表的三极管测量口直接测量；按键和开关的连接，只要接线正确就可以正确使用。

　5.2 元件的焊接与组装

电路的组装：根据设计好的PCB版图，确定元器件的位置。在组装前再次对所有元器件进行检测，把问题解决在萌芽阶段。组装时，要根据装配原则进行实际操作。装配原则大致有：先安装高度较低的元器件、从里向外进行装配，在焊接时应该把元器件的标识面放在容易读数的方向。对于带有极性的元器件装配前，必须再次确定其极性。以免因为元件装配的原因导致元器件损坏，甚至整个电路的损坏。安装元件时首先应该把它的位置在电路板上固定好，然后再进行布线、连线。在接线时，不仅要保证电路的可用性，也要考虑电路板的美观性。合理的布线不仅可以在接线时思路清晰，也便于后期的检查和排除故障。电路的焊接：电路焊接时，应该保证焊点的饱满和光滑，不要出现错焊、漏焊等低级错误，焊点优劣也可以表现操作人员的基本功。

5.3 电路的调试

电路的调试是把已经做成型的作品的功能展示出来，发现其中与设计目标不匹配的方面，进行修改。将产品中不足以满足设计功能的地方进行改进。在测试时，也可以把自己不太了解的地方进行深层次的理解和归纳，也便于以后其他项目的设计。

　5.3.1 调试方法

电路的调试方法大致可以分为两种，这两种方法的使用要根据电路结构的复杂程度进行选择使用。对于结构简单的电路，可以选择使用在全部元器件装配完成后整体调试，发现并解决电路出现的问题；对于结构较为复杂的电路，可以把电路根据功能划分成具有单一功能的系统，然后对每个系统进行调试。这样不仅可以把整个电路全部调试，也会相应减少调试的困难。

5.3.2 调试步骤

通电前检查在电路组装完成之后，通电之前，需要对于设备的整体情况进行统一的排查。从电源端出发排查电路接线是否正确，断路和开路会导致电路部分功能失效或者整个电路不工作，短路则会导致元器件损坏等问题。同时，要再次检测电路中带有极性的元器件是否安装正确，特别需要注意的是三极管和电解电容等易损坏的元器件。在检测时可以使用万用表测量电路的连接情况和元器件的安装是否正确以及电路中元器件的好坏，防止在焊接过程中损坏元器件导致电路不能正常运行。

通电观察在电源接线端接通电源，检查电路中是否存在异常。若无异常，按下开关检测电路接通情况并观察电路是否存在发热情况、元器件工作状态不稳定等问题。若正常，再进行电路功能的检测，检测过程中也应该时刻关注电路板是否存在异常。若存在异常，则需要对电路进行故障的排除。

单元电路调试单元电路的调试需要按照电路工作过程的顺序进行调试检测，合理的检测方法可以使检测效率事半功倍。而检测则可分为以下两大部分：

单元电路静态工作状态的测量。根据电路的工作过程检测各系统在没有外加信号的情况下的点位并采集数据进行分析比较后，再对电路进行调整以确保电路静态时的稳定性。单元电路动态工作状态的检测。根据电路的信号流图的方向和输入信号、输出信号之间的关系，利用示波器逐步检测电路的波形、幅值、相位以及频率在每个系统中所发生的的变化。记录下数据的变化，确定动态时电路的工作状态。与理想信号对比后，进行部分合理的调试与修改。整机联调单元电路符合要求并不代表电路能够达到设计目标，还需要用适合的软件来把它们串起来。在测量过程中，需要观察电路的实际性能和理想状态相比较是否存在不合理的瑕疵。接着针对所发现的问题对电路的进行调整，让设备工作在更贴近理想化的状态。

第6章 总结

经过不断努力和学习，终于把这次设计——基于单片机的红外传感器制作完成。尽管这个题目我不是第一个完成的，但是像这样完整的系统的做完实验的每一个细节却是我的第一次。以往的设计都是以小组形式，而这次设计的每一个步都是我独立、自主的完成的，当然在遇到瓶颈时，我还是会与我的指导老师和朋友们共同探讨解决问题的最好办法。

关于这次毕业设计，从原理的构思到产品的运行、从元器件的选用到系统的调试、从硬件的装配到软件的设计都是我经过不断学习努力的成果。我感觉这次实验最难的一步就是制作原理图和软件的设计，对于设计能否达到设计要求、完成设计目标，原理图的设计时关键的一步，在设计之初我就感觉无从下手，没有一点灵感，然后通过翻阅书籍、浏览网站搜集相关的知识与素材，得到最初的原理设计方案。原理图基本制作完成后首先利用Proteus仿真软件测试，测试中也遇到了一点小问题。便于指导老师进行了研讨，经过一些调整后得到最终的原理图。而软件的设计同样也是重中之重，它是把每一个独立系统连接在一起的纽带。它是产品的灵魂，因此只有把软件编程做好，产品的运行才会正常。在这次设计中也用到了很多学过的课程知识，比如电路原理、模拟电路、数字电路、单片机原理、C语言、微机编程设计、传感器技术等。

关于这次设计我同样得到了很多启发，与其说这是一次毕业设计倒不如说是另外一种形式的“高考”。从小学到如今，我们每一次考试都是对自己学习程度的检验，而这次设计让我们把平时学到的书本上的知识经过沉淀积累下来的结晶再次得到升华，而“高考”就是代表着一个阶段的结束，进入另一阶段的开始。因此，这次设计不仅仅是对我学习程度的检验，也代表着我所留恋的大学时光要结束了。

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基于51单片机的红外计数器的设计

价格 ¥9.90 发布时间 2023年5月19日

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