基于紅外傳感器的多功能教室狀態監測系統

賀云超 郭麗

中國地質大學地球物理與信息技術學院， 北京 100083

基于紅外傳感器的多功能教室狀態監測系統

賀云超 郭麗

中國地質大學地球物理與信息技術學院， 北京 100083

近年來，由于高校擴招，高校人數不斷增加，自習室成了各學校緊缺的資源，學生往往浪費大量時間尋找自習室，基于以上原因，我們將設計基于紅外傳感器的多功能教室狀態監測系統，實現教室狀態（上課態或自習態）的智能、動態顯示，從而更有利于自習室資源的合理分配與利用，有效緩解自習室座位緊張的問題，為同學提供一個更加方便、更加人性化的自習條件。

紅外傳感器；51單片機；LCD液晶顯示；Altium Designer

引言

隨著近年來高校人數不斷增加，教室已成為一種非常緊缺的資源。此類問題主要有以下三方面表現：一、學生不清楚自習室是否被占用，即不知道教室是否有課，從而花費大量時間卻未能找到可以上自習的教室。二、自習室人數分布不均，一些自習室人滿為患而另一些自習室卻幾乎無人自習。三、教室占用情況會出現臨時的調整與改變，即原本以為沒課的教室會出現突然有課的情況。以上三種情況使學生無法獲得一個良好的學習環境，進而嚴重影響了學生的學習熱情與學習效率，從而使學校整體的教學質量無法得到必要的保障。為實現自習室的合理有效利用，本課題將設計一個基于紅外傳感器的多功能教室狀態監測系統，對教室狀態進行實時監測。

1 總體構架

本方案采用模塊化設計思想，為確保數據采集的穩定性和準確性，采用橫向4組縱向3組紅外探測傳感器進行數據采集，并通過RS-232接口后,由單片機進行控制和分析，實現教室人數，教室狀態的LCD顯示，以及指示燈與蜂鳴器的報警提示功能。

系統采用3.7V鋰電池供電，整個數據采集模塊采用反射型紅外傳感器,控制處理的單片機采用的是P89V51單片機，此單片機成本低,穩定性好,對于本設計方案已能滿足要求。整個系統的抗干擾性好、設計靈活、方便，而且成本不高，也適合于在比較惡劣的環境下進行現場數據測量。制作出的成品能夠實現教室人數，教室狀態的LCD顯示，以及指示燈與蜂鳴器的報警提示等功能。

本設計的整個過程分為以下幾個主要的步驟：

1）基于Altium Designer的紅外傳感器的多功能教室狀態監測系統電路原理圖的繪制及制作；

2）基于P89V51的單片機軟件編程；

3）系統整體調試和修改。

2 系統軟硬件電路的設計

2.1 系統整體框架

整個系統的硬件部分分為：①反射型紅外傳感器模塊，主要進行紅外信號的發射與接收，并通過轉換電路將接收到的紅外信號轉換為低電平；②P89V51單片機模塊，是該系統的主控部分，主要用于數據的處理，包括計數部分，中斷部分和數據轉換部分；③LCD狀態轉換顯示模塊，主要用于教室人數以及教室狀態的顯示；④聲音模塊，主要用于在教室人滿或者臨時有課時進行蜂鳴提示；⑤電源模塊，是系統的供電部分；⑥上位機模塊，主要用于多教室顯示系統，通過總線將教室使用信息傳至上位機，由上位機進行集中統一顯示。軟件編程用C語言在Silicon Laboratories IDE編輯器中實現，軟件程序主要包括以下幾部分：①主程序；②傳感器程序；③顯示模塊控制程序。系統整體框圖如下：

圖1 系統整體框圖

經硬件模塊和軟件模塊的結合，整個系統可以完成一定范圍內的教室人數采集，并能正確地顯示教室人數與教室狀態的功能，多教室顯示系統通過總線將教室使用信息傳至上位機，由上位機進行集中統一顯示。

2.2 系統硬件電路

圖2 系統主要硬件電路圖

硬件電路主要包含：①紅外信號輸入部分，②按鍵中斷部分，③報警提示部分，④LCD液晶顯示部分，⑤單片機主控部分等。各部分具體功能如下：

①紅外信號輸入部分：紅外信號輸入部分使用橫向4組（門外S1，S2；門內S3，S4）和縱向3組（門頂S5，S6，S7）紅外探測傳感器進行數據采集，紅外傳感器處于工作狀態之下時，自動檢測紅外信號，信號通過RS-232接口傳入P89V51單片機進行處理，完成教室人數的增減。具體實現方法：通過S2或S3接入單片機P3.2（INT0口）引起中斷，緊接著判斷S1和S4的狀態，進而得出人通過教室門口的走向，確定人的進出，計數器相應進行加減計數，得出橫向經過教室門口的排數m；通過縱向3組傳感器，測出同時經過教室門口的列數n；則通過教室門口的人數num就等于m*n。

圖3

②按鍵中斷部分：包括按鍵及指示燈，用于輸入外部中斷信號及顯示狀態改變。當教室臨時有課時，老師可以通過按鍵引起INT1中斷，則顯示器顯示教室使用狀態為有課狀態（Y），教室人數同時也進行顯示，此時老師可以通過查看教室人數確定當堂課該班級的出勤率。

③報警提示部分：主要由發光二極管顯示部分和蜂鳴器報警部分組成，當教室人滿時進行報警提示。

④LCD液晶顯示部分：該部分主要是顯示教室使用信息。

⑤單片機主控部分：主要包括P89V51單片機及晶振電路、復位電路、電源，指示燈，用于保證單片機正常工作。

各部分通信模塊之間通過RS-232接口實現程序的下載以及與P89V51單片機進行數據通信。最終各教室單元通過數據總線將該教室狀態與教室人數傳至上位機，并由上位機進行統一分析處理，進而將數據通過電子大屏幕進行統一化顯示。

2.3 系統軟件框圖

圖4 人數統計部分軟件流程圖

軟件部分基于單片機計數程序的編寫及測試。首先繪制出基本的程序執行流程，用C語言編寫程序代碼。然后繪制人數統計部分原理圖，運行程序代碼進行軟件的仿真測試，根據仿真結果改進原理圖與程序代碼。

3 系統功能

統計教室人數及顯示教室狀態：該系統通過紅外感應裝置能準確的統計每個教室的人數，人走進教室則計數器自動增加，反之減少，多人同時進出教室時，通過豎直方向與水平方向的紅外感應傳感器來共同解決。在各教室獨立顯示面板上能顯示出該教室當天不同時間段的使用情況，包括“有課”狀態“自習”狀態和教室人數等，教室人滿時進行亮燈以及蜂鳴提示，多教室顯示系統通過總線將教室使用信息傳至上位機，由上位機進行集中統一顯示，學生通過統一的大屏幕，可以一目了然看到教學樓內各個教室的具體使用情況。

4 系統可拓展功能

4.1 煙感報警系統，感應裝置檢測到火情后，則在終端和教室內發出警報，并由屏幕顯示出來，以便于消防員準確地對有火情的教室進行快速有效的處理。

4.2 燈光系統，晚上同學們都自習完回宿舍后，自習室人數顯示為0，由報警裝置向終端進行語音提示，遠程遙控關閉教室的用電器，可節省用電。

5 該項研究的現實意義

顯示屏幕可以安置于教學樓的一樓。屏幕顯示該樓所有教室的使用狀態。日常教學過程中，每個教室的課程一般都是已經安排好的，所以提前錄入教室每天的狀態信息，每個教室的狀態到一定的時間階段可自動轉變狀態顯示。即教室在到達規定時間時會自動跳轉成相應的顯示狀態，系統同時也具有手動改變教室狀態的功能，當教室臨時有課時，老師可以通過按鍵改變教室使用狀態，教室人數同時也進行顯示，此時老師可以通過查看教室人數確定當堂課該班級的出勤率。教室的狀態可由控制終端進行修改。該系統的安裝可為學生上自習尋找空閑教室提供便利，節省時間，提高自習室的利用率。

結語

該課題按預期順利完成了單個教室人數統計及教室狀態的顯示，并且在實踐過程中解決了步速不同、手臂擺動對檢測結果的影響，而且能夠進行多人同時進入教室的準確顯示，多教室顯示系統通過總線將教室使用信息傳至上位機，由上位機經行集中統一顯示，學生通過統一的大屏幕，可以一目了然看到教學樓內各個教室的具體使用情況，具有很大的使用價值。

[1]黃建宇,宋成軍,張啟升,等.基于LABVIEW的多傳感器火災遠程監控報警系統的實現 [J].科技信息,2010,7-327.

[2]樂恒,于晟龍,張啟升,等.高精度模擬通道智能標定裝置的研發 [J].科技信息,2010,9-329.

[3]曾光宇,張志偉,張存林.光電檢測技術 [M].北京:清華大學出版社,2009,9

[4]沙占友,王彥明,孟志永.單片機外圍電路設計[M]. 北京:電子工業出版社,2003,5-132.

[5]黃士生.模擬電子技術 [M]. 北京:中國勞動社會保障出版社,2006,31-221.

[6]王兢.數字電路與系統 [M]. 北京:電子工業出版社,2007,117-260.

[7]李朝青.PC機與單片機&DSP數據通信技術選編(3) [M]. 北京:北京航空航天大學出版,2004,56-120.

[8]樓然苗,李光飛.51系列單片機設計實例(第2版) [M]. 北京:北京航空航天大學出版,2006,89-152.

[9]揚森(德國),王丹譯.電子設計自動化手冊[M]. 北京:電子工業出版社,2005,18-110.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.14.046