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1、电子门卫系统之进出人员计数器1 设计任务描述1.1 设计题目：电子门卫系统之进出人员记数器 1.2 设计要求1.2.1 设计目的（1）掌握电子门卫系统之进出人员计数器的构成、原理与设计方法；（2）熟悉集成电路的使用方法。1.2.2 基本要求（1）对通过门禁系统进出的人员数目进行计数显示，从0-9999；（2）门禁系统里、外分别安装两个传感器（比如红外传感器）A、B，每当有人进入时将顺序经过A、B，每当有人出去时将顺序经过B、A，设计电路能够区分此人士进入还是出去；（3）要求分别统计和显示进去的人员人次、出来的人员人次、里面还逗留的人员人数；（4）当逗留人数超限时报警（比如500人）。1.2.3
2、 发挥部分（1）考虑有人经过A（或B）但没有继续前进又退出即连续且只经过两次A（或B）的情况如何处理？（2）当开起清场系统后,进如门内的动作将被禁止,一旦出现系统将发出警报.2 设计思路既要显示进入人数又要显示出去的人数就必须设计两个记数系统分别记录.由于需要最高记录的是四位数的人次,所以记数器的扩展是首先要解决的问题.另外记数器本身记录的是二进制数,而我们输出的数据要经过译码器输出给数字显示器.而译码器所能接受的是8421BCD码.能实现此功能的途径有两种:第一种,记数器本身记录二进制数据,然后经过专门的译码器将其转换成8421BCD码既而输出数据.第二种,记数器本身记录的就是所记数据的84
3、21BCD码,然后直接将数据输送给数字显示系统.在可行性上和本人数电知识水平等条件的分析后,选择第二种途径便是理所当然的事情了.只不过这种方法所需器件较之第一种来说更多一些.一个数字就需要一个四位记数器,要求四位,即记一个数据就需要四个同等类型的记数器件.二同时记录进入和出去的人数就需要八个.记数的问题解决了,但新的问题出现了,怎样才能知道传感器的信号代表的是出还是入呢,这就需要一个判定系统来分配传感器发出的信号.因为有AB两个传感器,而这两个传感器发出感应信号的先后就可以判定到底经过传感器的个体进出的具体情况.将A靠外放置,将B靠内放置,当有人进来的时候,必然会先碰触A传感器,A传感器发出信
4、号被判别电路直接送到进入记数电路中,记录进入人数加1,而个体经过离A很近的B除法器时,B所发出的信号被系统直接滤掉,从而成功的完成了一次进入记数.出去的记录过程与之相反,但过程一致.于是,判别的问题解决了.当两个记数器正常工作时,这两个记数系统所记录的数据之差就是现在在房间内逗留的人数.而要实现两个数求差就必须用减法器来实现,但是减法器并不在我们的数字电子学习范围之内,所以就必须将我们学过的器件加以改造,实现我们需要的减法功能.加法器便是不二的选择.将两个加法器相连,第一个加法器求被减数的原数和减数的反数后,如果减的开,则经过第二个加法器加零后输出.当本位不够时,输出结果经过第二个加法器加十,
5、就完成了一位的减数计算,求两个四位输之差就需要四个这样的装置相连来实现.而最后输出的结果再接个数字显示系统变可显示出来.这样电路主体部分的问题便全部解决了.而警报系统就只是将求减所得数据接入一个数据比较器,当其输出大于设定值便输出信号使喇叭工作报警.清场系统则是将求减输出的数据接入一个可控制开启关闭的电路,当电路工作时,此电路检测减法器输出的数据,如果不为1则持续输出一个信号,当进入信号再次出现时控制报警灯开启,实现了禁止进入的目的.当电路不再检测到有室内滞留人数后,便不再输出信号,从而达到了”清场”的目的.3 设计方框图传感器A传感器B判断电路记数器进记数器出 译码器译码器数字显示器数据显示
6、器减法电路译码器译码器报警器减法电路数据显示器清场控制电路4 各部分电路设计及参数计算4.1传感器及进出判定电路图4.14.1.1传感器如图所示为传感器及进出判定电路.光敏电阻受到发光二极管照射电阻接近于零,则传感器向555控制电路持续输出高电频,当有人经过门卫时,身体将发光二极管发出的光线挡住,使光敏电阻阻值上升,接点与电源相当于断路,而和地相连.即输出一个低电平给555定时器.4.1.2控制电路两个555,分别构成单稳态触发电路,当其中一个收到第一个传感器的信号后,开始在3端输出一个长为T的信号.并且在T的这段时间内阻止另一个触发器接受信号工作.当第二个传感器发出信号后,电路向对应记数器发
7、出一个信号CP,使计数器工作. 关于T的计算有T=1.1RC,使T=0.25秒左右,则对应选用乘积为0.23的电容和电阻即可.其中R为78管角间电阻,C为21管角间电容.4.2记数电路图4.2四个计数器并排接在一起,前一个的进位端接入后一位的使能端.而触发CP同时接于四个记数器上.原理是当CP记数信号出现时第一计数器开始工作,由于其他计数器使能端无信号则无法正常工作.由于74160为10进制,所以当第一个计数器到10进位时进位端RCO发出一信号给第二触发器使能端.当再来CP信号时第二计数器可以工作,记录数据加1.以此类推,从而实现了四位数8421BCD码的记数功能.4.3显示电路图4.3744
8、8直接接受8421BCD码并将其转换成7位码,然后BS201将其输出.当RBI端接高电平时如果接到信号为0000则显示0,接低电平时无显示.两器件组合成一个显示单元,实现一位数字的显示.四个单元共同作用实现了四位数输出的功能.除了本电路系统适用外,任何需要整数输出的工作电路中都能应用.具体采用件数由显示位树决定.4.4减法电路图4.4.1 被减数和减数的反码(原码的非)相加等于两数的差, 当本位不够时,输出结果经过第二个加法器加十,就完成了一位的减数计算,输出的同时也将在其上位输出一个信号,告诉上一位本位相加时是否向前借位,使上位自动减1或不减,最高位的输出端接入最低位输入端形成进位循环.从而
9、全面实现全减功能.但本电路都是依据被减数大于等于减数进行设计,极不考虑为负情况,如果要实现带负运算,就要加入多个异或门和两条逻辑判断回路在此我们就此省略了,鉴于电子门卫的记数性质,这样的设计还是较为正确合理的. 这样就很好的实现了用加法器作用的减法功能,而且这种接法,最大的好处就在于直接将被减数和减数的8421BCD码输入部件中,即可算得所得的得数相对应的8421BCD码.无须转换,无须编码,方便快洁,使本系统中没有任何二进制计算,所有数据都根据8421BCD码的相对关系进行处理运算,最后实现功能.提高了系统运算的效率,剩去了编码器,译码器等多余的部件,降低了成本,也使本电路的可行性和直观性更
10、强,更容易理解.具体计算原理如下:将8421BCD码表示的减数的反码送到第一加法器,记过的原码或反码送到第二加法器,这里加1010还是0000,取决于该十进制数的符号和最终结果的符号.正的或负的最终结果的例子如图,箭头指出到下一十进位的进位或循环进位.举例如图4.4所示. 图4.4.24.5清场控制器图4.5S开关开通时,端线所接减数器所接数据输出信号,因为是或的关系所以只要输出不全为0则一直使与门前S开关端输出一个1的信号.当这时再有进的信号进入,则发光二极管接到1信号发光报警.与S门支线相对的关系也为或的支线,连接在比较器端,当滞留人数超过500人后,起到和闭合S开关一样的效果.4.6人数
11、监控及报警电路 图4.6.1此电路的组合效果就是当室内滞留人数超过500以后,系统便报警由喇叭发出报警信号.要完成此功能,先要知道室内到底有多少人,而这一点由前面的电路都已实现,只要引入减法电路的输出即可,然后将其输入到数据比较器中进行比较,因为题目所设为500人,对人数要求精度只到百位,所以为了节省器件,降低电路成本,电路中只用一个数据比较器对减法器的百位输出端进行比对,并把比较数设置为4,这样当减法电路输出数据百位一旦大于4(首先为5时符合条件),比较器大于位信号端便持续输出一个信号.而电路把这个信号输送给由555定时器组成的多谐震荡电路的工作控制端,让震荡电路工作,产生一定频率的脉冲信号
12、,催动交流喇叭发出报警音,实现电路功能. 如图4.6.2所示为应用555触发器实现多频震荡器功能的电路连接方法.关于具体频率设定.设78管角之间电阻为R1,76管角间电阻为R2,21管角之间电容为C.则输出低电平时间TL=0.7CR2,输出高电平时间为TH=0.7C(R1+R2)由两式得信号总周期为T=0.7(2 R2+R1)C.所以得电路输出信号频率为f=1.43/(R1+2 R2)C.对应人耳可以听到的声音频率设计参数即可. 图4.6.25 工作过程分析下面将电子门卫的工作的整套流程做以下分析:正常状态下:当电源开启,电子门卫计数系统开始正常工作.对所监管空间进行认输测定.当有人进入房间时
13、,则触发传感器, 经过判断电路判断为进,向进入计数器发出一个脉冲信号,使计数器得到信号,记录数据加1.随后,有N个人进入房间进行房间内提供的规定活动,计数器便全部记录了进入的人次.当有人离开房间时,进出判定系统判定为出,则传感器向出计数器发出一个脉冲信号,使出计数器记录加1.而同时接受两个计数器信号的减法运算电路随时随刻将两个计数系统中的现时数据进行求差处理并把结果同总共进入人数,总共离开人数两数据一样同过数字显示系统显示在数字显示屏上.由于是对于8421BCD码的直接计算,所以省去了编码器和译码器,便可直接输出到显示系统中.而且由于电路是在全部的实际逻辑关系下工作的,所以输出结果会随着各系统
14、输出状态随时改变,也就省去了数据寄存器提供的功能.当超过500人时:当减数电路输出信号对应数据高于500人后,系统中检测电路数据比较器将发出报警信号,使由多谐震荡器和交流电源喇叭组成的报警音提供电路工作,发出报警音,并且持续向报警发光二极管端发出一个高电平信号,使系统保持禁止进入状态,当判断电路又向进计数器系统中发出有效信号时,警报发光二极管工作发光,示意报警.当将清场开关闭合时:把S开关闭合,使电子门卫系统进入清场状态.清场电路将实时监控减法电路输出端所有信号,只要有不为0的信号出现,则会向警报发光二极管端输出一个高电平信号,当进出判断电路向进计数器系统发出有效信号时,则报警发光二极管工作发光,发出警报说明非法进入.当减数系统不再输出有1信号后,证明已经清场完毕,就不再向警报发光二极管送出信号.6 元器件清单名称型号数量计数器741608加法器SN74838数据比较器74LS851译码器744812数字显示器BS20112555定时器NE5553另有与门,非门,发光二极管,交流电源喇叭,光敏电阻等.7 主要元器件介绍7.1计数器74160 图7.1.1做为集成计数器,74160是最基本的一个器件.它从0开始记数,周期为10,即到9后归零.功能表如下:清零DCBALHLQA QBQCQDD
