基于STC15F2K60S2單片機的智能管理教室系統(tǒng)

張琦+穆遠(yuǎn)威+劉美娟

摘 要：針對目前普通教室的管理系統(tǒng)已無法滿足當(dāng)前社會需求的問題，文中開發(fā)了一款智能管理教室系統(tǒng)。智能管理教室系統(tǒng)致力于智能的教室管理設(shè)備，以減少人力資源的使用，可以更加科學(xué)地管理教室。該系統(tǒng)通過各種傳感器和單片機實現(xiàn)了對教室光照，溫濕度，門窗的智能化管理，實踐表明該系統(tǒng)真實可用。

關(guān)鍵詞：智能；教室管理；STC15F2K60S2；傳感器

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-00-02

0 引 言

目前，大多數(shù)學(xué)校的教室管理還是以人工管理為主。以當(dāng)前學(xué)校管理為例，每天晚上都要派專人按時關(guān)窗鎖門，但下雨天無法及時關(guān)窗，且教室空無一人時也無法自動關(guān)燈斷電，造成了資源的極大浪費。人工管理教室不能使資源得到合理分配，更無法及時處理教室中的突發(fā)狀況，本文開發(fā)的智能管理教室系統(tǒng)不僅可以避免上述情況的發(fā)生，還能將照明燈逐漸點亮，進(jìn)一步節(jié)省了電力資源，且成本低、設(shè)計簡單、易于安裝。

1 整體方案設(shè)計

本小節(jié)闡述了智能管理教室系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，該系統(tǒng)由STC15F2K60S2單片機和各種傳感器組成。智能管理教室系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示。

通過傳感器采集當(dāng)前教室光照強度、溫濕度、教室人數(shù)數(shù)據(jù)，將采集到的信息傳輸至STC15F2K60S2單片機并與單片機預(yù)設(shè)值比較，當(dāng)數(shù)值不在設(shè)定閾值范圍內(nèi)時，由單片機控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)開始工作，實現(xiàn)智能管理教室的目的，大大減少了資源浪費。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

在對教室信息采集的過程中，采用了模塊化的設(shè)計方法，分為數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計，控制設(shè)備模塊電路設(shè)計，串口通信電路設(shè)計。在該系統(tǒng)中，對教室環(huán)境參數(shù)的采集主要依靠各種傳感器，傳感器將采集到的信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳送至單片機內(nèi)部，單片機通過判斷接收的數(shù)據(jù)是否符合要求來控制教室設(shè)備的開啟，在該系統(tǒng)中使用了 STC15F2K60S2單片機進(jìn)行設(shè)計。

2.1 STC15F2K60S2單片機的介紹

STC15F2K60S2是宏晶公司出品的STC15系列增強型8051單時鐘周期芯片，速度比普通8051快8～12倍[1]。該單片機有60 KB Flash程序存儲器、1 KB數(shù)據(jù)Flash、2048Byte的SRAM和42個I/O口線。同時還具有集成度高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可靠性高，處理能力強，速度快，具有超低功耗等特點[2]，因此適合該系統(tǒng)使用。

2.2 傳感器設(shè)計

該系統(tǒng)使用了光敏電阻傳感器、ST188反射式光電傳感器、溫濕度采集DHT11傳感器、雨滴傳感器、對射光電傳感器對教室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。

2.2.1 光敏電阻傳感器

光敏傳感器利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過調(diào)整光敏電阻的靈敏度可以實現(xiàn)設(shè)定不同光照強度下的光照檢測[3]，同時光敏電阻可以感應(yīng)光線的明暗變化，將光照強度反映在光敏電阻阻值上，進(jìn)而反映在電阻兩端的電壓值上。該系統(tǒng)采用的光敏電阻傳感器模塊有DO TTL數(shù)字量輸出接口，其內(nèi)部原理圖如圖2所示。當(dāng)環(huán)境光照強度高于設(shè)定閾值時輸出高電平，反之則輸出低電平。在室內(nèi)安裝2個光敏電阻傳感器，分別與單片機的不同端口相連，單片機通過接收到的高低電平來感知外界光強的變化，從而控制照明系統(tǒng)和窗簾開關(guān)。該方法不僅可節(jié)約成本，還可以簡化電路。

2.2.2 ST188反射式光電傳感器

紅外傳感器ST188屬于ST系列反射式光電傳感器，其在紅外檢測方面應(yīng)用非常廣泛[4]。該系列的傳感器種類齊全、價格便宜、體積小、使用方便、質(zhì)量可靠[5]。該傳感器檢測距離為4～13 mm，可以滿足該系統(tǒng)對窗簾控制電路的要求。ST188結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成。A、K是紅外發(fā)射二極管的正負(fù)極，C、E是接收管的正負(fù)極。紅外發(fā)射管可發(fā)出紅外線，當(dāng)接收管接收到反射回來的紅外線時，E輸出高電平，說明窗簾已經(jīng)被拉至合適位置，此時單片機控制的直流電機停止轉(zhuǎn)動，窗簾被自動拉至合適位置。

2.2.3 溫濕度采集DHT11傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感器技術(shù)，傳感器中包含一個電阻式感濕元件和一個NTC測濕元件[6]，以確保該傳感器具有極高的可靠性和穩(wěn)定性。由于該傳感器采用單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷，且體積適中，功耗低，連接方式簡單，故成為本設(shè)計系統(tǒng)對教室溫濕度采集的首選傳感器。

2.2.4 雨滴傳感器

目前雨滴傳感器分為電容式、電阻式、紅外光線檢測式和CCD攝像頭雨滴傳感器四種 [7]。由于在該系統(tǒng)中需測量教室外部是否下雨，因此采用電阻式雨滴傳感器。該雨滴傳感器采用高品質(zhì)FR-04雙面材料，應(yīng)用鍍鎳處理表面，具有對抗氧化性、導(dǎo)電性等特性，同時采用比較器輸出，輸出信號干凈，波形好，驅(qū)動能力強。該傳感器模塊有DO TTL數(shù)字量輸出接口，當(dāng)檢測到有水滴落下時DO接口輸出低電平，反之輸出高電平，將該傳感器與單片機連接，單片機通過接收到的高低電平來判斷是否需要關(guān)窗。

2.2.5 對射光電傳感器

該傳感器使用LM393、對射式紅外頭芯片。LM393是雙電壓比較器集成電路，工作電源電壓寬，是高增益、寬頻帶器件，性能高，對射式紅外頭芯片可以檢測到人的通過。該傳感器是單路信號輸出，輸出低電平有效且靈敏度不可調(diào)，使用簡單易于處理，所以采用該傳感器計算教室進(jìn)出人數(shù)，并將計算出的人數(shù)在LCD12864液晶屏上顯示。

2.3 控制電路

控制電路包括繼電器控制電路、窗戶開關(guān)控制電路和窗簾開關(guān)電路。繼電器控制電路主要用于對教室空調(diào)、加濕器和照明燈的控制。在對光線的控制電路中采用了兩個光敏電阻傳感器并設(shè)置了三個閾值U1、U2、U3（U1

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)使用Keil軟件對STC15F2K60S2單片機進(jìn)行C語言程序編寫。

智能管理教室系統(tǒng)的軟件設(shè)計由主程序、光敏電阻傳感器驅(qū)動子程序、RD-624熱釋電紅外傳感器驅(qū)動子程序、DHT11傳感器驅(qū)動子程序、雨滴傳感器驅(qū)動子程序、對射光電傳感器驅(qū)動子程序、LCD12864液晶屏顯示子程序、串口通信子程序、控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動子程序、控制繼電器開關(guān)子程序組成。本系統(tǒng)的主控程序流程圖如圖5所示。

4 結(jié) 語

本文通過使用各種傳感器和單片機設(shè)計實現(xiàn)了智能管理教室系統(tǒng)，該系統(tǒng)降低了產(chǎn)品成本、提高了及時管理教室設(shè)備的效率、減少了對資源的浪費，從而實現(xiàn)了對教室的科學(xué)管理。

參考文獻(xiàn)

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