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研究报告

滨州学院

大学生研究训练计划

研

究

报

告

项目负责人姓名指导老师姓名

课题名称教室智能导航系统

课题类别理科结题时间2008年11月

所属系院

2008年11月5日

项目组承诺

我们承诺对研究报告内容的真实性负责，保证没有知识产权争议。

我们承诺遵守滨州学院科研管理的相关规定，遵守科学研究的学术规范和学术道德，所呈交的科研成果，是项目组成员在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果。

滨州学院有权使用本报告所有数据和资料。

我们完全意识到本承诺的法律责任由项目组成员共同承担。

项目负责人签名：

日期：

项目组其它成员签名：

摘要……………………………………………………………………Ⅱ

Abstract…………………………………………………………………Ⅲ

第一章引言

1.1课题背景………………………………………………………………

（1）

1.2课题意义………………………………………………………………

（1）

1.3课题理论依据…………………………………………………………

（1）

1.4课题研究目标…………………………………………………………

（2）

第二章研究过程

2.1课题研究内容…………………………………………………………

（2）

2.2课题研究方法…………………………………………………………

（2）

2.3课题研究步骤…………………………………………………………（3）

2.4课题研究过程…………………………………………………………（3）

第三章系统设计

3.1主控制器模块……………………………………………………………（6）

3.2人数检测模块……………………………………………………………（7）

3.3显示模块…………………………………………………………………（8）

3.44*4键盘模组……………………………………………………………（10）

3.5考勤模块…………………………………………………………………（12）

第四章总结与展望

4.1总结…………………………………………………………………………（13）

4.2展望…………………………………………………………………………（14）

致谢………………………………………………………………………………（15）

参考文献…………………………………………………………………………（15）

摘要

该课题成功研制了教室智能导航系统，可实现五大功能。

1.照明灯的节能控制：

通过检测装置检测教室内人数，根据人数控制可使用照明灯的数量从而达到节能的目的。

2.自习室查询：

根据教室内的人数，与数据库中的信息进行比对，计算出空余座位数，并在显示屏上显示各个教室的人数和空余座位数，方便学生寻找自习室。

3.课表查询：

学生可输入自己的学号，查询班级课表和上课地点，解决了很多同学经常遗忘上课地点和所上科目的难题。

4.考勤查询：

通过上位机与下位机的通信，方便学校管理人员进行考勤查询，主要包括迟到率、旷课率。

5.报警：

可通过报警模块实现夜间对教室内的设备进行防盗报警。

关键词：

教室智能导航、教室照明节能、智能考勤

Abstract

Thisresearchsubjectsuccessfullydevelopedtheintellectivenavigationsystemofclassroom.Fivefunctionscanberealized.1Energy-savingcontrolofthefloodlight:

Byusingthedetectivesettingstestingthenumberofstudents.Basedonthenumberofstudentstochievetheaimofenergy-saving.2.Demandofstudyingroom:

accordingtothenumberoftheclassroom,withadatabaseofinformationthatiscalculated,thencalculatethevacantposilions.Theamountofstudentsvacantpositionscouldshowonthescreen.Itdoeslotsofconwenienceforstudentstofindstudyingroom.3.Demandofsyllabus:

Studentscouldinputtheirregistrationnumbertoinquirethesyllabusandtheplaceoftheclass.Itsettlestheproblemthatsomeofthemusuallyforgetwhereandwhenfortheclass.4.Demandofcheckonworkattendance:

Byusingthecommunicatesfacilitycouldhelpthecollegemanagerstocheckonworkattendance.Itismainlyabouttherateofbeinglateforclassorcutschool.5.Alarm:

throughalarmmoduleimplementsforclassroombytheequipmentanti-theftalarmatnight.

Keyword：

IntelligentNavigation,lightingsaving,attendance,

第一章引言

1.1课题背景

随着高校扩招以及目前高校管理模式的开放性使得学生寻找自习室有很大的困难。

特别是临近期末考试和考研阶段，为了找到一个空座，学生往往要浪费大量本该学习的宝贵时间。

目前，高校教学督导组需要花费大量人力和时间来对课堂教学进行考勤和督导，这是一件极为麻烦而且辛苦的事情。

当前，我国正实施节能减排工程，但照明浪费已成为一种普遍普遍现象并亟待解决。

本课题可以通过人数监测实现系统对照明灯数量的控制，达到节能的目的。

1.2课题意义

本课题设计的教室智能导航系统主要具有自习室查询、课表查询、考勤查询、节能控制、防盗报警五大功能。

经过调查，我们发现大学生课余时间比较多，学生们通常会去上自习，但经常听到同学们如此抱怨：

“我今天去找自习室，又找了好几层楼，真浪费时间…”。

据了解，高校的教学督导工作者对学生的出勤情况进行调查时，通常是挨个教室进行，工作异常辛苦。

另外，很多学生节能意识淡薄，我们经常看到教室里只有几个人也是所有灯都亮着，甚至空余一人的教室却灯火通明。

同时，教室内的设备也是极为贵重的，通过研发这个系统，我们还可以拓展功能，使其为防盗报警再加上一份筹码。

国内外市场上还没有成熟的类似系统，该系统的成功研制，具有很大的现实意义。

基于此我们设计了这款教室智能导航系统。

1.3课题理论依据

教室智能导航系统采用凌阳SPCE061A作为主控板，可读性强，集成开发环境（IDE）支持C语言，对我们学生的学习和使用来讲，是比较容易上手的。

人数检测装置采用E3F-5DP1的光电开关，设置高电平有效。

当有人进入教室时，光电开关给出信号，单片机通过接收到的高低电平实现计数。

并通过显示屏实时显示各教室人数与空余座位数。

显示模块与键盘模组相连接，实现通过键盘输入学号来查询课程表的功能，每当有键按下时，单片机接收到高低电平的不同信号，在调用程序，在显示屏上显示正确的信息。

通过在程序中加入时间程序，实现当超过了规定的某个时刻时，如果再有人进入教室，人数检测装置就会检测到信号发送给单片机，单片机运行报警程序实现报警。

以上所有的信息及数据的处理都是都是通过单片机来控制的，为了实现PC机前勤查询，需要实现单片机与PC机之间的通信。

USB-UART转换口模组可以实现USB接口到RS-232接口的转换，也可以实现RS-232接口到USB接口的转换。

PC机接收到信息后，在调用数据库中的信息，计算出各个班级的出勤率。

1.4课题研究目标

本课题目标是制作出教室智能导航系统，并能完成如下功能：

1.学生可通过此系统查询到自习室空位信息，节省寻找自习室时间。

2.学生可通过输入学号，得到课表信息，包括所上科目及地点。

3.教学管理人员可调出课堂教学的统计信息。

4.可根据教室内学生人数，来节能控制照明。

5.可在设定时间内对教室进行防盗报警。

第二章研究过程

2.1课题研究内容

本课题主要有六大模块：

对人员进出的区分与计数、数据库的建立与功能实现、照明灯的节能控制、红外检测及照明等控制用的单片机与上位机的通信、LCD显示、设定时间内的报警。

2.2课题研究方法

研究过程中采用实验法。

先是设计系统整体方案，然后分模块进行试验研制、调试，每个模块都调试成功后，再将各个模块综合起来，整体调试，不断修改程序，最终完成整个系统。

最终实现通过键盘和显示屏进行自习室查询和课表查询，通过计算机进行考勤查询，通过人数监测实现照明灯的节能控制及夜间的防盗报警功能。

2.3课题研究步骤

2.3.1研究前准备

1.学习有关单片机、模电和计算机软件方面的知识；

2.购买相应的器件和一些必需的仪器设备。

2.3.2课题研究过程

1.明确分工；

2.初步编程；

3.疑难讨论并解决问题；

4.调试模块系统；

5.整机调试。

2.3.3课题总结

1.根据学校要求，撰写课题结项所需相关材料；

2.对课题所采用的技术方案进行整理、总结、成文，形成课题研究报告；

3.总结课题目前尚存在的问题和后续研究的方向及内容。

2.4课题研究过程

由于专业知识及相关理论知识的欠缺，我们所做的前期准备工作较多，在这一阶段一是自学了有关凌阳SPCE061A包括SPLC501液晶显示屏的各种知识，了解了这款单片机的硬件结构、软件编程思想等。

二是对计算机专业知识包括C语言、汇编语言、数据库、VisualBisic等。

这一阶段也是我们获得知识最多的阶段，使我们项目组对编程有了更高的认识；三是对硬件电路的学习。

在老师的指导和我们的努力下，我们熟练了电路和模电的知识，熟悉了各种电子元器件的功能作用，为下一步自主焊接电路打下了基础。

在研究过程当中。

有了前期准备工作的学习，我们在这一阶段进行的比较顺利。

我们先是购买了一些电子元器件，两个凌阳SPCE061A板，一个SPLC501液晶显示屏，一块小键盘以及一些型号为E3F-DS10C4的红外传感器。

在焊接电路的实践过程中，我们发现型号为E3F-DS10C4的红外传感器不能够很好的实现人员检测的功能，于是改用对射式红外传感器E3F-5DP1，通过进行实际电路的研究，使我们将以往在书本上学到的知识应用到了实际当中。

再就是上机操作，通过之前的学习以及研究过程当中的实际应用，我们了解了各种指令语法的特点作用，并逐渐完善到完整的程序编写。

程序编写是这个课题整个研究过程当中最为关键的一步，我们需要不断的修改与调试，才能够达到预期的目标。

在焊接电路板阶段：

电路设计主要考虑的问题是传感器的选择和信号的转换。

初期考虑的传感器有人体热式传感器和红外传感器，虽然热式传感器检测有检测范围广、可检测人存在的优点，但是其对环境要求高、检测灵敏度低成为又一大难题，而采用光电传感器可以避免这些问题，光电开关型号较多综合考虑我们选用对射式红外传感器E3F-5DP1。

对射式红外传感器E3F-5DP1可在6-36vdc下工作，输出5vdc、300ma信号，一对E3F-5DP1只能实现对单方向人数的检测，无法实现对双方向人数的检测。

于是采用两对红外传感器，经过一段时间的研究和查询，我们选择了ST288A双向判别芯片作为主电路芯片，关于此芯片的结构和应用现有的资料只是一张它与ST278芯片综合使用的成品电路图，经过仔细校对和试验设计了可以输出双方向的电路图[3]。

完成电路焊接后发现输出的信号很小，不符合单片机所需的信号，此后我们用了近两个月时间研究解决此问题的方法，试过各种放大器、固态继电器、气态继电器以及可以放大信号的传感器但都无法解决这个问题，在多方咨询和研究芯片整体参数后才发现用万用表是无法测到此芯片的输出信号的，因为它的触发信号时间是1毫秒，再采用数字示波器后终于找到了期望的信号，证明了最初设计焊接的电路是正确的。

显示模块：

先是熟悉了SPLC501液晶显示屏的各类知识，然后运用前期准备工作当中学到的知识，一步步开发，起初的编程过程是比较顺利的，遇到问题也能轻松的解决。

比如：

由于显示屏大小有限制，无法将学生课程表的所上科目和上课地点同时显示，所以，我们将程序做了改动，采用翻页显示的方法来实现。

学生查询课表是需要输入自己的学号的，这就涉及到一个单片机内部如何提取到这个学号的问题，通过加入数组，然后不断的调试，最终实现了输入学号的提取与确认。

后来又遇到如何通过读取键值来得到显示屏上所显示内容的问题[1]，经过思考与测试，我们将每个键所输出的信息转换成十六进制代码值，显示屏通过识别这些代码值来导入不同的信息。

考勤模块：

制作时，通过光电开关判断人员进出，由凌阳单片机采集人员进出信息及教室人员信息，然后通过单片机串口异步通讯发送数据给PC机。

由PC机中用VB编写的窗体应用程序[2]，采集综合数据，同步上位机的数据库[4]，以PC机为终端，实时显示教室的考勤信息。

制作中，遇到16进制ACSII码的解码问题，通过上网查阅资料，最终解决了问题。

报警模块：

通过加入时钟频率，在程序设定时刻，当到达那一时刻，如果系统检测到有人员进出，则会报警。

起初只加入了声音报警，后来加入了指示灯，更直观的显示有异常情况的教室是哪一个。

第三章系统设计

教室智能导航系统主要集成了人数检测、教室及课表查询、考勤查询、照明节能防盗报警等功能。

结构框图如图1。

其中，控制器选择的是凌阳16位SPCE061A单片机；显示屏选择的是凌阳系列SPLC501液晶显示屏，计算机可以使用平时使用的任意一款PC机；单片机采用5VDC电供电；照明灯电源为220VAC。

系统整体结构框图如图1所示。

图1系统结构框图

3.1主控制器模块

本课题下位机所需的控制模块选用凌阳单片机SPCE061A，其引脚分布图如图2所示，该芯片性价比较高，主要性能如下：

CPU时钟：

0.32MHz~49.152MHz；

内置2K字SRAM，32KFLASH； 

2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；

2个10位DAC（数-模转换）输出通道；

32位通用可编程输入/输出端口；

14个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒； 

使用凌阳音频编码SACM_S240方式（2.4K位/秒），能容纳210秒的语音数据；

锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；  

7通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道声音模-数转换器；

声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制（AGC）功能；

内置在线仿真电路ICE（In-CircuitEmulator）接口； 具有WatchDog功能。

因此，选择SPCE061A单片机，使用的是61最小系统，其原理图如图2所示。

图2SPCE061A最小系统图

3.2人数检测模块

E3F-5DP1

1

6

5

2

9k

正方向脉冲输出

7

3

ST288A

反方向脉冲输出

E3F-5DP1

4

8

9k

9k

9k

图3人数检测电路图

人数检测模块以光电传感器作为ST288A的核心，其检测电路如图3所示，其检测原理是：

E3F-5DP1发送器对准接收器（发送器对准接收器之间构成的相对的理想轴线，其参考轴就是透镜的光轴），发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）和激光二极管。

光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。

接收器有光电二极管或光电三极管组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。

根据两对光电开关输出信号的前后（即人的进出顺序），芯片st2881a判断进出顺序输出正向（反向）脉冲信号。

该电路图具有如下特点：

1、以双光束直射取样式光电传感器作为ST288A输入信号取样时，取样物体的齿宽和齿间距必须大于光电传感器双光束间的间距；同样以反射式光电传感器作为ST288A输入信号取样时，取样的暗标志与亮标志的宽度必须大于两反射式光电传感器光束的间距，确保采样脉冲信号的可靠性，防止误发脉冲信号。

2、脉冲输出宽度可选择，但不可更改。

3、正方向脉冲输出信号与反方向脉冲输出信号没有严格的定义，是相对于ST288A输入端2脚4脚信号的先后而言，应用中根据实际情况选择。

3.3显示模块

本课题显示模块选用SPLC501液晶显示模组，它采用的驱动控制芯片为凌阳科技的SPLC501A芯片，SPLC501A为液晶显示控制驱动器，集行、列驱动器和控制器于一体，广泛应用于小规模液晶显示模块。

3.3.1SPLC501液晶显示模的主要功能与基本参数

SPLC501液晶显示模组为128X64点阵，面板采用STN（SuperTwistedNematic）超扭曲向列技术制成并且由128Segment和64Common组成，LCM非常容易通过接口被访问。

模组上的液晶显示器采用凌阳科技的SPLC501芯片作为LCD驱动和控制器，为128X64点阵图形液晶显示器，其基本参数如表1所示。

表1SPLC501液晶显示模组的基本参数

显示模式

黄色模式STN液晶

显示格式

128X64点阵地图形液晶显示

输入数据

兼容68/80系列MPU数据输入

背光

黄绿色LED

模块尺寸

72.8（长）×73.6（宽）×9.5（高）mm

视屏尺寸

58.84（宽）×35.79（长）mm

点大小

0.42（宽）×0.51（长）mm

像素尺寸

0.46（宽）×0.56（长）

3.3.2结构示意图

SPLC501液晶显示模组结构示意图如图4所示，它主要有以下部件：

1，液晶显示器（带驱动、控制器的液晶面板）；

2，复位按键；

3，电源指示灯；

4，模组接口及跳线；

图4液晶显示器结构图

3.3.3电气特性

SPLC501液晶显示模组的电气特性如表2。

表2液晶显示模组电气特性

参数

符号

条件

最小

典型

最大

单位

工作电压

Vdd

－

3.3

5

V

输入

电压

HighLevel

Vih

0.7Vdd

Vdd

V

LowLevel

Vih

Vss

0.3Vdd

工作耗电流

Idd

Vdd=3.3V

VIcd=9V

Fscl=0

Tamb=25°

1.5

2.0

mA

LCD驱动电压

Vlcd

Bias=25°

8.7

9.0

9.3

V

3.3.4显示模组接口及跳线

SPLC501A单芯片液晶驱动，可以直接与其他微控制器接口总线相连。

微控制器可以将显示数据通过8位数据总线或者串行接口写到SPLC501A的显存中。

显示模组与单片机的接口电路如图5所示，SPLC501液晶显示模组引出了时序操作的接口引脚，还引出了对操作时序进行选择的C86和PS接线，单片机通过Port_A输出数据以在LCD上显示。

图5显示模组与单片机的接口电路

3.3.5液晶显示模组驱动程序

驱动程序由5个文件组成，分别为：

底层驱动程序文件：

SPLC501Driver_IO.inc、SPLC501Driver_IO.asm；用户API功能接口函数文件：

SPLC501User.h、SPLC501User.c、DataOSforLCD.asm。

SPLC501液晶显示模组的驱动程序架构如图6所示。

图6驱动程序架构

3.44*4键盘模组

键盘提供16个键值，能够满足本课题的键盘设计要求。

3.4.1键盘的硬件设计电路

4*4键盘的硬件设计电路如图7所示，采用行列式键盘结构，其中包括0~9十个数字键、F1~F4四个功能键、“*”、“#”，单片机通过Port_A来采集键盘数据。

图74*4键盘的电路设计图

3.4.2键盘模组的主程序软件设计及流程

KeyFlag全局变量判键按下的标志，加入它主要是为了节省键扫描的时间，当调用F_Key_Scan（）;函数时，发现有键按下进入相应的逐行扫描和去抖，然后得到一个扫描数值，通过同事先制订的表格进行匹配，从而取出相应的键置KeyVal。

F_Key_Scan（）;函数所作的动作为，送高电平到扫描线，从接收线取得数据进行比较，数值有改变置KeyFlag为1，并进入逐行扫描得出一个扫描数值I_KeyBuf，数值无改变置KeyFlag为0，。

KeyVal=F_Get_Key（）;取得数值并存入KeyVal变量。

图8键盘主程序流程图

3.5考勤模块

3.5.1Vb的MSComm控件处理通讯信号的处理。

MSComm1.CommPort=1'...使用Com1口

MSComm1.InBufferSize=1024'"设置接收缓冲区的字节长度

MSComm1.InputMode=1'"输入模式为binary

MSComm1.RThreshold=1'"控件收到数据时将触发OnComm事件

MSComm1.Settings="4800,n,8,1"'...设置通讯参数

MSComm1.InBufferSize=1024'"设置接收缓冲区的字节长度

MSComm1.PortOpen=True'...打开串口

MSComm1.InputLen=1'"读取input接收缓冲区全部字节

3.5.2由VB的ADO部件和DataGrid部件引用和操作数据库。

3.5.3USB-UART转换口模组功能简介

USB/UART转换口模组可以实现两台PC机之间或PC机与单片机之间的通讯，即PC机使用USB接口，另一端使用RS-232接口，单片机与PC机通过USB/UART转换口模组进行通讯。

USB/UART转换口模组可以实现USB接口到RS-232接口的转换[5]，也可以实现RS-232接口到USB接口的转换。

3.5.4USB-UART转换口模组电气参数及注意事项

USB-UART转换口模组工作电压：

5V（通过USB总线供电）；USB/UART转换口模组由USB总线供电。

在通讯时，USB/UART转换口模组与MCU板的地线要接在一起（共地）

3.5.6USB-UART转换口模组硬件连接

图9