南京邮电大学STITP项目面向“智慧校园”的教室人数实

南京邮电大学大学生科技创新训练计划（STITP）起至年限2010年5月——2011年4月项目编号2010117项目负责费心越项目级别校级一般学院自动化学院2011年3月26日南京邮电大学大学生科技创新训练计划（STITP）项目报告面向“智慧校园”的教室人数实时显示及节能控制系统项目成员费心越，张霖，蒋澜指导教师张腾飞摘要科技的发展使我们的周边事物趋向于智能化。智慧校园将让学生们学习更方便、老师们工作更省心、学校的资源消耗更节约。为了精确查询教室人数，最优化地节约学校电力与资金，同学们更方便地查询气温等，我们研究设计了此系统。系统包含温度采集、红外感应、光强感应、人机交互等模块。关键词智慧校园，51单片机，光敏，红外收发，温度传感，节能目录第一章引言1.1技术背景1.2项目价值与可行性分析1.3项目组成员第二章项目方案2.1功能目标与应用领域推广2.2研究方法、条件、成果形式2.3项目执行环节与进度安排2.4系统模块与元器件清单第三章总体结构设计3.1总体方案设计3.2数据处理流程第四章硬件电路设计4.1系统电路原理图4.2单片机最小系统4.3人机交互部分4.3.1数码管显示模块4.3.2独立按键与矩阵键盘模块4.3.3灯光指示电路4.4传感器部分4.3.1DS18B20温度传感器4.3.2光敏电阻模块设计4.3.3沪工红外激光收发对管4.5继电器电路设计4.6强电模块电路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1„„„„„„„„„„„„„„2„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4„„„„„„„„„„„„„4„„„„„„„„„„„„6„„„„„„„„„„„„„7„„„„„„„„„„„„„„8„„„„„„„„„„„„„„„„„9„„„„„„„„„„„„„„„„„„9„„„„„„„„„„„„„„„„„„10„„„„„„„„„„„„„„„„„11„„„„„„„„„„„„„„„„„11„„„„„„„„„„„„„„„„„11„„„„„„„„„„„„„„„„„„12„„„„„„„„„„„„„„12„„„„„„„„„„13„„„„„„„„„„„„„„„14„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14„„„„„„„„„„„„14„„„„„„„„„„„„„15„„„„„„„„„„„16„„„„„„„„„„„„„„„„„17„„„„„„„„„„„„„„„„17目录第五章系统软件设计5.1主程序设计5.2DB18B20通信程序5.3键盘扫描与键值处理程序5.4数码管显示程序5.5红外扫描程序5.6日光灯明灭控制程序5.7延时与定时程序第六章系统的安装与使用6.1系统安装说明6.2系统使用说明第七章总结7.1出现的问题及其解决方法7.2后记参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„18„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18„„„„„„„„„„„„„„„„19„„„„„„„„„„„„„20„„„„„„„„„„„„„„„„„21„„„„„„„„„„„„„„„„„„22„„„„„„„„„„„„„„„23„„„„„„„„„„„„„„„„„25„„„„„„„„„„„„„„„26„„„„„„„„„„„„„„„„„„26„„„„„„„„„„„„„„„„„„27„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„28„„„„„„„„„„„„„28„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„30第1页第一章引言§1.1技术背景嵌入式系统无疑是当前最热门最有发展前途的IT应用领域之一。嵌入式系统用在一些特定专用设备上，通常这些设备的硬件资源（如处理器、存储器等）非常有限，并且对成本很敏感，有时对实时响应要求很高等。特别是随着消费家电的智能化，嵌入式更显重要。像我们平常常见到的手机、PDA、电子字典、可视电话、VCD/DVD/MP3Player、数字相机（DC）、数字摄像机(DV)、U-Disk、机顶盒(SetTopBox)、高清电视(HDTV)、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备或仪表、汽车电子、家电控制系统、医疗仪器、航天航空设备等等都是典型的嵌入式系统。单片微机是单片微型计算机SCMC（SingleChipMicroComputer）的译名简称，在国内也常简称为“单片微机”或“单片机”。它包括CPU、RAM、ROM、中断系统、定时器/计数器、串行口和I/O等。除了工业控制领域，单片微机在家用电器、电子玩具、通信、高级音响、图形处理、语言设备、机器人、计算机等各个领域迅速发展。目前单片微机的世界年产量已超过100亿片，而在中国大陆地区的年应用量已达6亿多片。8051是美INTEL公司在1980年推出的MCS-51系列的第一个成员，MCS是INTEL公司的注册商标。其它公司生产的以8051为核心单元的其它派生单片微机只能称为8051系列。单片微机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片微机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。这标志着一种全新概念的建立。第2页§1.2项目价值与可行性分析科技的发展使我们周围的事物越来越趋向于智能化。智慧校园：将让学生们学习更方便、老师们工作更省心、学校的资源消耗更节约。目前，就教室来讲，存在可以改进的地方。如同学去教学楼自习找教室不方便；老师上课凭感觉判断到课人数，辅导员对于最近一阶段自己所管班级的到课情况往往需要从学生处询问或授课老师反馈；晚上，大教室人数少却开着所有的电灯；白天艳阳高照却仍然开着所有的电灯，浪费电力与资金。为了解决上述问题，使我们的校园更富有“智慧”，我们设计了这个项目。此项目如果研究取得成功，将意味着学校在自动控制节能以及学生流动统计及其管理方面将取得重大的进展，有希望在全校范围内实施，前景可观。同时，此项目与我校正推广的物联网有密不可分的联系，体现了学生将所学知识活动用，在这方面积极的思考与实践。下面对此项目的可行性进行分析说明：一、信息传感设备的选择在教室、楼道、食堂等种种大人流公共场所，若使用射频识别会存在公共人群人人携带标签的不实际、大批量数据存放与运算的不必要、个人隐私可能泄露的不安全；若使用红外感应、视频识别，则在人流量大以及人像徘徊不定的时候很难不存在识别误差。所以，我们选择使用红外激光这种精度较高、技术困难相对较少的信息传感设备。二、实际安装只需在门框上或安或嵌两对激光发射接收管，教室外墙上安置一个三位数码管，教室内电灯开关旁安置一排数码管及数字键盘，控制上可以使用单片机。总之，从占据空间、资金预算、技术支持、控制操作等各方面来讲都是比较可行的。三、应用领域的推广由于本设计精度较高、无需标签、计算量小、占空间小、控制方便，所以可以很方便地与其他教室连成一片网络，供老师、学生们查询参考。并可几乎不修改地应用到楼道、卫生间、食堂、宿舍、图书馆等各种公共场所，为物联网的设计与实践，摸河探路、添砖加瓦。第3页§1.3项目组成员合作基础：我们是一个具有合作精神的团队，由电气工程及其自动化和电气信息工程两个专业的三位同学组成，彼此之间有学生会工作期间众多活动培养出的相互了解、优势互补、默契合作的宝贵经历。人员简介：三人均为自动化学院2008级学生。其中：电气信息工程的费心越同学学习成绩优秀。C语言、C++等程序课，数字电路等理论课，物理、电装、电工电子等实验课均达90分以上。曾参加过校ACM程序竞赛，并取得三等奖。对电子设计制作比较感兴趣，擅长各类手工与电子制图、撰写文稿、制作幻灯片及动画演示等。电气工程及其自动化的蒋澜同学从高中开始接触和学习C语言，进入大学后又系统地学习了C++，对C比较了解并掌握。生活中也接触过很多做技术的同学，如参加学校机器人俱乐部，对单片机早有耳闻，对此类项目产生了一些兴趣也积累了一些认识，想参与尝试。平时热衷于对数码产品的了解，针对各种新式“装备”有狂热的兴趣，也为做此次项目做了一些铺垫。电气工程及其自动化的张霖同学高中时候曾学习过帕斯卡语言，进入大学后又将C和C++语言涉猎了下，对于编程语言有一定的认识基础。对涉及单片机嵌入式等方面的研究有相当大的兴趣。任务分配：费心越：组织协调项目成员们的学习、制作任务；学习激光/红外、光敏（电阻/二极管）、温度等各类相关传感设备的优劣与应用方式；对软硬件设计皆需有较深的掌握，总领三人完成项目；组织小组进行各种讨论；与指导老师进行联系；完成项目结题报告。张霖：相对其他两人，更深入地学习编程与算法，偏软件设计，主要负责编写单片机程序；负责项目的物资采购与账目管理；对项目所需的各种配件与设备进行打听、购买与借用。蒋澜：相对其他两人，更深入地学习单片机原理与应用，偏硬件设计，主要负责单片机的各种焊接外联，随时修正硬件的错误与增添新硬件模块；对系统前景与应用领域的拓宽进行展望。第4页第二章项目方案§2.1功能目标与应用领域推广2.1.1功能目标：1、人数与温度显示①显示室内实时人数教室内外设置数码显示管，供授课老师清点查看到课人数，供想自习的同学或统计教室情况的老师查看。②可以在室内用数字键盘，直接设置当前真实人数，以修正错误计数。③可选择显示模式，以查看当前实际温度。2、节能控制①无人延时断电在教室内没有人的情况持续一段时间后，自动总断电，时间长度可在程序中设置。②空屋进人上电空教室一旦有人进入，自动总上电，但电灯电扇等单个用电设备的供电情况如下。③室内光照节能控制a)自然光亮度达到一定程度时，无条件关灯。（如白天明亮的情况下）b)根据人数多少，决定只能打开多少排灯。c)人数较少时，学生可根据个人意愿，调整开灯方位（决定开哪一排灯）。d)可以选择全亮模式，使得社团活动或者考试时，可以回到非智能状态，人工决定打开哪些灯。④温度节能控制在温度高于一定温度时，才能打开电扇等设备，临界温度值可在程序中设置。第5页2.1.2应用领域推广：一、教室内1．显示湿度、日期、星期、时刻等；2．提示一段时间后是否有课，供自习同学参考。时间长短可设置；二、教学楼前以电子屏幕显示（或以电子查询方式）所有教室是否正在上课与课堂实时人数，供自习同学参考。三、楼梯口检测人流量，并在楼层中部显示出来，使学生充分利用众多楼梯资源。四、实验室在现有系统的基础上可增设无人持续一段时间后自动锁门。五、卫生间空满状态指示，便于同学选择是否推迟进入，以及让清洁工人确认无人，进入打扫。六、统筹所有教室人数数据，定时取样汇总，录入数据库，供学校统计规律、优化安排。七、食堂可以在大门口及楼梯口放置此装置，在食堂外实时显示当前一楼二楼人数，使在就餐高峰期，尽量平衡就餐人流。八、宿舍在苑或楼道门口放置此装置，了解夜不归宿人数及白天出门人数等。九、图书馆可以用于统计各馆人流量，以便优化开馆时间段及各类书籍的采购比例。（单从书籍外借记录了解的情况，有一定的局限性）第6页§2.2研究方法、条件、成果形式2.2.1项目研究方法以51系列单片机为操作与数据处理中心，程序由C语言编写，运用KeilC51单片机集成仿真开发平台。初步功能实现中：以两红外激光发射接收对管为数据信号输入，数码显示管为数据信号输出，数字按键等为控制信号输入，继电器控制电灯的交流送电为控制信号输出。具体设计见后文。2.2.2实验条件政策条件：学校每年设立STITP专项经费，用于资助STITP立项项目。凡学生参加STITP项目全过程并通过结题验收，可获取相应学分并颁发证书。对取得STITP项目优秀成果的指导教师，可推荐其申报校和省教学成果奖的评审。资金条件：学校提供购买单片机、单片机开发板、红外激光发射接收管、各类元器件等的经费；场地条件：学院提供必要的活动场所、实验平台。2.2.3项目成果形式(1)由课题小组成员完成系统在开发板上的功能演示。(2)完成系统的硬件实物，并在各种情形下测试正确、程序健壮、设备实用。(3)完成项目结题报告。(4)制作项目演示PPT。第7页§2