基于红外传感器的多功能教室状态监测系统

贺云超 郭丽

中国地质大学地球物理与信息技术学院， 北京 100083

基于红外传感器的多功能教室状态监测系统

贺云超 郭丽

中国地质大学地球物理与信息技术学院， 北京 100083

近年来，由于高校扩招，高校人数不断增加，自习室成了各学校紧缺的资源，学生往往浪费大量时间寻找自习室，基于以上原因，我们将设计基于红外传感器的多功能教室状态监测系统，实现教室状态（上课态或自习态）的智能、动态显示，从而更有利于自习室资源的合理分配与利用，有效缓解自习室座位紧张的问题，为同学提供一个更加方便、更加人性化的自习条件。

红外传感器；51单片机；LCD液晶显示；Altium Designer

引言

随着近年来高校人数不断增加，教室已成为一种非常紧缺的资源。此类问题主要有以下三方面表现：一、学生不清楚自习室是否被占用，即不知道教室是否有课，从而花费大量时间却未能找到可以上自习的教室。二、自习室人数分布不均，一些自习室人满为患而另一些自习室却几乎无人自习。三、教室占用情况会出现临时的调整与改变，即原本以为没课的教室会出现突然有课的情况。以上三种情况使学生无法获得一个良好的学习环境，进而严重影响了学生的学习热情与学习效率，从而使学校整体的教学质量无法得到必要的保障。为实现自习室的合理有效利用，本课题将设计一个基于红外传感器的多功能教室状态监测系统，对教室状态进行实时监测。

1 总体构架

本方案采用模块化设计思想，为确保数据采集的稳定性和准确性，采用横向4组纵向3组红外探测传感器进行数据采集，并通过RS-232接口后,由单片机进行控制和分析，实现教室人数，教室状态的LCD显示，以及指示灯与蜂鸣器的报警提示功能。

系统采用3.7V锂电池供电，整个数据采集模块采用反射型红外传感器,控制处理的单片机采用的是P89V51单片机，此单片机成本低,稳定性好,对于本设计方案已能满足要求。整个系统的抗干扰性好、设计灵活、方便，而且成本不高，也适合于在比较恶劣的环境下进行现场数据测量。制作出的成品能够实现教室人数，教室状态的LCD显示，以及指示灯与蜂鸣器的报警提示等功能。

本设计的整个过程分为以下几个主要的步骤：

1）基于Altium Designer的红外传感器的多功能教室状态监测系统电路原理图的绘制及制作；

2）基于P89V51的单片机软件编程；

3）系统整体调试和修改。

2 系统软硬件电路的设计

2.1 系统整体框架

整个系统的硬件部分分为：①反射型红外传感器模块，主要进行红外信号的发射与接收，并通过转换电路将接收到的红外信号转换为低电平；②P89V51单片机模块，是该系统的主控部分，主要用于数据的处理，包括计数部分，中断部分和数据转换部分；③LCD状态转换显示模块，主要用于教室人数以及教室状态的显示；④声音模块，主要用于在教室人满或者临时有课时进行蜂鸣提示；⑤电源模块，是系统的供电部分；⑥上位机模块，主要用于多教室显示系统，通过总线将教室使用信息传至上位机，由上位机进行集中统一显示。软件编程用C语言在Silicon Laboratories IDE编辑器中实现，软件程序主要包括以下几部分：①主程序；②传感器程序；③显示模块控制程序。系统整体框图如下：

图1 系统整体框图

经硬件模块和软件模块的结合，整个系统可以完成一定范围内的教室人数采集，并能正确地显示教室人数与教室状态的功能，多教室显示系统通过总线将教室使用信息传至上位机，由上位机进行集中统一显示。

2.2 系统硬件电路

图2 系统主要硬件电路图

硬件电路主要包含：①红外信号输入部分，②按键中断部分，③报警提示部分，④LCD液晶显示部分，⑤单片机主控部分等。各部分具体功能如下：

①红外信号输入部分：红外信号输入部分使用横向4组（门外S1，S2；门内S3，S4）和纵向3组（门顶S5，S6，S7）红外探测传感器进行数据采集，红外传感器处于工作状态之下时，自动检测红外信号，信号通过RS-232接口传入P89V51单片机进行处理，完成教室人数的增减。具体实现方法：通过S2或S3接入单片机P3.2（INT0口）引起中断，紧接着判断S1和S4的状态，进而得出人通过教室门口的走向，确定人的进出，计数器相应进行加减计数，得出横向经过教室门口的排数m；通过纵向3组传感器，测出同时经过教室门口的列数n；则通过教室门口的人数num就等于m*n。

图3

②按键中断部分：包括按键及指示灯，用于输入外部中断信号及显示状态改变。当教室临时有课时，老师可以通过按键引起INT1中断，则显示器显示教室使用状态为有课状态（Y），教室人数同时也进行显示，此时老师可以通过查看教室人数确定当堂课该班级的出勤率。

③报警提示部分：主要由发光二极管显示部分和蜂鸣器报警部分组成，当教室人满时进行报警提示。

④LCD液晶显示部分：该部分主要是显示教室使用信息。

⑤单片机主控部分：主要包括P89V51单片机及晶振电路、复位电路、电源，指示灯，用于保证单片机正常工作。

各部分通信模块之间通过RS-232接口实现程序的下载以及与P89V51单片机进行数据通信。最终各教室单元通过数据总线将该教室状态与教室人数传至上位机，并由上位机进行统一分析处理，进而将数据通过电子大屏幕进行统一化显示。

2.3 系统软件框图

图4 人数统计部分软件流程图

软件部分基于单片机计数程序的编写及测试。首先绘制出基本的程序执行流程，用C语言编写程序代码。然后绘制人数统计部分原理图，运行程序代码进行软件的仿真测试，根据仿真结果改进原理图与程序代码。

3 系统功能

统计教室人数及显示教室状态：该系统通过红外感应装置能准确的统计每个教室的人数，人走进教室则计数器自动增加，反之减少，多人同时进出教室时，通过竖直方向与水平方向的红外感应传感器来共同解决。在各教室独立显示面板上能显示出该教室当天不同时间段的使用情况，包括“有课”状态“自习”状态和教室人数等，教室人满时进行亮灯以及蜂鸣提示，多教室显示系统通过总线将教室使用信息传至上位机，由上位机进行集中统一显示，学生通过统一的大屏幕，可以一目了然看到教学楼内各个教室的具体使用情况。

4 系统可拓展功能

4.1 烟感报警系统，感应装置检测到火情后，则在终端和教室内发出警报，并由屏幕显示出来，以便于消防员准确地对有火情的教室进行快速有效的处理。

4.2 灯光系统，晚上同学们都自习完回宿舍后，自习室人数显示为0，由报警装置向终端进行语音提示，远程遥控关闭教室的用电器，可节省用电。

5 该项研究的现实意义

显示屏幕可以安置于教学楼的一楼。屏幕显示该楼所有教室的使用状态。日常教学过程中，每个教室的课程一般都是已经安排好的，所以提前录入教室每天的状态信息，每个教室的状态到一定的时间阶段可自动转变状态显示。即教室在到达规定时间时会自动跳转成相应的显示状态，系统同时也具有手动改变教室状态的功能，当教室临时有课时，老师可以通过按键改变教室使用状态，教室人数同时也进行显示，此时老师可以通过查看教室人数确定当堂课该班级的出勤率。教室的状态可由控制终端进行修改。该系统的安装可为学生上自习寻找空闲教室提供便利，节省时间，提高自习室的利用率。

结语

该课题按预期顺利完成了单个教室人数统计及教室状态的显示，并且在实践过程中解决了步速不同、手臂摆动对检测结果的影响，而且能够进行多人同时进入教室的准确显示，多教室显示系统通过总线将教室使用信息传至上位机，由上位机经行集中统一显示，学生通过统一的大屏幕，可以一目了然看到教学楼内各个教室的具体使用情况，具有很大的使用价值。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.14.046