Mehrstrahl Lichtschrankensystem - Personenzähler

1. Beschreibung

Das Lichtschrankensystem bzw. der Personenzähler hat zum Ziel, die Durchgangsrichtung von Personen zu erfassen und richtungsabhäng die Anzahl der Unterbrechungen zu Steuerungszwecken auszuwerten. Dadurch ist es möglich, bspw. die Anzahl der Personen, die sich aktuell in einem Raum befinden, festzustellen und daraus abgeleitet, Geräte an bzw. auszuschalten. Über einen weiteren Sensor kann zusätzlich ein Umgebungsparameter (z.B. Licht, Temperatur, etc.) erfasst und in die Steuerung einbezogen werden.
Das System wurde explizit entwickelt, um die automatische Steuerung des Lichtes in Abhängigkeit des natürlichen Umgebungslichtes und der Präsenz von Personen in einem Raum zu übernehmen.
Die Stärke der Infrarotlichtschranken ermöglicht Distanzen von mehreren Metern. Die Empfindlichkeit gegen einstreuendes Licht ist sehr gering und kann manuell festgelegt werden. Zur Vereinfachung des Aufbaus der Schranken gibt es einen Modus, der für jede Schranke eindeutig das Vorhandensein des Lichtsignals anzeigt und somit eine Ausrichtung erheblich vereinfacht.
Es können maximal 25.599 Personen gezählt werden. Aufgrund der vorhandenen Anzeige ist allerdings nur eine Darstellung von maximal 99 Personen gegeben. Die Anzahl kann manuell in Einer-Schritten erhöht bzw. reduziert werden. Sobald die Zahl größer Null ist und der Umgebungssensor ein positives Signal liefert wird ein angeschlossenes Relais geschaltet.
Um ein unnötiges Ausschalten beim kurzzeitigen Verlassen des Raumes zu vermeiden, lässt sich eine Ausschaltverzögerung manuell konfigurieren.
Ebenso lässt sich das Verhalten des Sensors (Empfindlichkeit u. Einfluss auf die Steuerung) der Umgebung konfigurieren.

2. Funktionsweise

Jede Lichtschranke verfügt über einen Infrarotsender und einen Empfänger. Die jeweiligen Sender erhalten ein 1 KHz Rechtecksignal, welches von den Empfängern aufgenommen und nach anschließender Verstärkung ausgewertet wird. Die Auswertung erfolgt in der Form, dass jeder empfangene Lichtimpuls gezählt wird. Nach einer Zeit von 20 ms müssen im Idealfall 20 Impulse eingetroffen sein, damit keine Unterbrechung vorliegt. Der Wert kann allerdings im Rahmen der Empfindlichkeit eingestellt werden, damit der Verlust einiger Impulse nicht sofort eine Unterbrechung bedeutet.
Zur Bestimmung der Bewegungsrichtung sind Unterbrechungsfolgen (Stati) erforderlich, die im Folgenden dargestellt sind:

Sender A     ) ---------------------------- (     Empfänger A
Sender B     ) ---------------------------- (     Empfänger B



Richtung 1:

Lichtschranke	Status 1	Status 2	(Status 3)	Status 4	Status 5
A	An	An	Aus	Aus	An
B	An	Aus	Aus	An	An

Richtung 2:

Lichtschranke	Status 1	Status 2	(Status 3)	Status 4	Status 5
A	An	Aus	Aus	An	An
B	An	An	Aus	Aus	An

Nur wenn alle Stati in Folge eingetreten sind, erfolgt eine Registrierung der entsprechenden Richtung. Status 3 (jeweils beide Lichtschranken sind unterbrochen) ist zwar erforderlich, wird aber nicht weiter ausgewertet, da er keine Richtungsinformationen enthält. Um eine sichere Erkennung von Status 3 zu gewährleisten, ist darauf zu achten, dass der Abstand zwischen den beiden Lichtschranken nur so groß ist, dass eine gleichzeitige Unterbrechung sichergestellt werden kann.

Zur Bestimmung der Anzahl der vorhandenen Personen dient ein zentraler Zähler, der über zwei 7-Segemente-Anzeigen dargestellt wird. Negative Zählerstände sind nicht möglich. Der Zähler kann zusätzlich durch jeweils einen Taster erhöht bzw. erniedrigt werden. Sobald der Zähler einen Wert größer Null besitzt, wird die Schaltung des Relais initiiert.
Ob eine tatsächliche Schaltung stattfindet, hängt dann allerdings noch vom Zustand des Umgebungssensors ab. Im Falle eines lichtempfindlichen Widerstandes kommt es nur zur Schaltung, sofern es dunkel ist. Die Empfindlichkeit kann über ein Potentiometer eingestellt werden. Weiterhin ist konfigurierbar, ob der Lichtsensor im Raum oder außerhalb installiert ist. Befindet sich der Sensor im Raum, wird das Relais bei Anwesenheit von Personen geschaltet, sobald es im Raum dunkel genug ist. Ein Ausschalten des Relais erfolg erst, wenn alle Personen den Raum verlassen haben. Ist der Sensor außerhalb (z.B. am Fenster) installiert, wird das Relais ebenso bei Anwesenheit von Personen geschaltet, sobald nicht genug natürliches Licht vorhanden ist. Zusätzlich erfolgt nun aber auch ein Ausschalten des Relais, wenn wieder genug natürliches Licht zur Verfügung steht.
Der Ausschaltvorgang kann über eine geeignete Konfiguration verzögert stattfinden. Die Verzögerung lässt sich sekundengenau einstellen und beträgt maximal 99 Minuten und 59 Sekunden.

3. Konfiguration

Über einen Taster werden der Reihe nach unterschiedliche Konfigurationslevel angewählt. Der aktuelle Level wird zu Beginn für zwei Sekunden angezeigt. Danach folgt der gesetzte Wert, der sich über die bereits bekannten Taster erhöhen bzw. erniedrigen lässt. Änderungen werden sofort gespeichert und sind nach Verlassen der Konfiguration gültig. Das Ende der Konfiguration ist erreicht, wenn die Anzeige statt des Levels sofort den Wert „00“ anzeigt, was dem aktuellen Zählerstand entspricht. Jeder Aufruf der Konfiguration hat somit das Zurücksetzen des Zählers auf Null zur Folge.
Es sind vier Konfigurationslevel verfügbar:

Name	Darstellung	Einstellbereich	Default	Anmerkung
Empfindlichkeit (sensitivity)	SE	0 - 20	18	Empfindlichkeit der Lichtschranken (20 = sehr empfindlich)
Verzögerung min (delay)	dE	0 - 99	0	Ausschaltverzögerungszeit in Minuten
Verzögerung sec (delay seconds)	dS	0 - 59	0	Ausschaltverzögerungszeit in Sekunden
Ort Sensor	LI	0 - 1	0	0 = Installation im Raum 1 = Installation außerhalb

4. Aufbau

Grundsätzlich sind die Lichtschranken so aufzubauen, dass jeweils Sender und Empfänger nebeneinander installiert werden. Da die Empfänger aufgrund der hohen Verstärkung sehr empfindlich sind, sollten die Kabelwege durch Koaxialkabel realisiert werden.
Zur Ausrichtung von Sender und Empfänger ist das System in den Installationsmodus zu versetzen. Dies wird durch den Schiebeschalter erreicht. Alternativ können auch beide Zählertaster gleichzeitig gedrückt werden. Der korrekte Empfang wird durch zwei vertikale und einen horizontalen Strich je Anzeige und Lichtschranke signalisiert (|-| = korrekter Empfang, | | = kein Empfang).
Die Stromversorgung erfolgt über ein externes Netzteil (5V/250mA). Die Zuführung kann wahlweise über eine Klemme oder einen 2,5 mm Klinkenstecker erfolgen.
Das Relais ist ebenfalls extern über eine Klemme anzuschließen. Die Elemente R24 und C7 dienen der Reduktion des Stromverbrauchs, indem sie den Schaltstrom auf den Haltestrom reduzieren. Beide Elemente sind abhängig vom gewählten Relais zu dimensionieren.

5. Schaltplan

6. Stückliste

Bezeichnung	Menge	Bauteil	Artikelnummer
P1	1	Poti 100k	431265
R1,R7,R8,R18,R19,R20,R21,R22,R23,R27	10	4k7	403334
R2,R3,R4	3	100k	403490
R5,R6	2	39k	403440
R9,R12,R13,R14,R15,R16,R17	7	270	403180
R10,R11	2	470k	403571
R24	1	68	403113
R25	1	100	403130
R26	1	22	403415
LDR	1	LDR (M9960)	145483
C1	1	10µF (16V, stehend)	460559
C2,C3,C4,C5	4	68nF	455385
C6,C7,C8	3	100µF (16V, stehend)	472360
D1,D2,D3	3	1N4148	162280
IC1	1	PIC 16F627A	165169
IC2	1	TL082	175340
Fassung IC1	1	DIL18	189634
Fassung IC2	1	DIL8	19600
LED1,LED2	2	BPW40	184055
LED3,LED4	2	LD271	184365
Optik LED	4	Fassung + Optik	185310
Rel1	1	RT314A06 (Schrack)	504188
T1,T2,T3,T4,T5,T6	1	BC547B	155012
T7	1	BC517	154695
7Seg1,7Seg2	2	SC36-11GWA (grün)	160229
Taster	3	Drucktaster T602	700460
Schalter	1	Schiebeschalter 2p	708100
Klemme	7	Anschlussklemme 2p	729949
Buchse	1	Printbuchse mono 2,5mm	733970

Die Artikelnummern gelten für Conrad Elektronik.

7. Quell- und Hexcode / Platine

Download des Quell- und Hexcodes für den PIC 16F627A.

Download des Platinenlayouts (110 x 42 mm, zweiseitig).

8. Kontakt

Kontakt und weitere Infos unter LS@erdbeere.com.