【《基于51单片机的自习室管理系统设计》8200字（论文）】

IV基于51单片机的自习室管理系统设计TOC\o"1-3"\u摘要 Ⅲ前言 1第1章绪论 21.1本课题研究意义 21.2国内外发展现状 21.3主要研究内容 3第2章方案选择与论证 42.1设计总体思路 42.2单片机芯片选择 42.3红外线传感器选择 52.4温湿度传感器选择 62.5数据传输选择 72.6显示模块选择 82.7硬件系统构成 8第3章系统硬件电路设计` 93.1单片机最小系统电路设计 93.2红外线传感器电路设计 103.3温湿度模块电路设计 113.4蓝牙模块电路设计 113.5显示模块电路设计 123.6电源模块电路设计 13第4章系统软件电路设计 144.1主程序设计 144.2统计人数子程序设计 154.3蓝牙数据传输子程序设计 164.3其它模块设计 19第5章硬件组装与调试 205.1硬件调试 205.2软件调试 215.3实物演示 23结论 24参考文献 25附录 27摘要随着科技的日益创新与发展，使得单片机在人们生活中越来越普遍。论文中为了解决目前高校无法合理安排自习室资源等问题，提供了一个有效便捷的座位管理系统，方便高校学生提前了解自习室内各种环境因素以及余座情况。如何能将座位信息实时准确的传递到学生的手上，数据的传送与接收，数据的及时反馈亦是件待解决的事情，数字化智能化将会成为以后自习室发展的方向。该自习室管理系统基于STC89C52单片机系统设计，采用红外传感器模块、温湿度模块，来感知室内人数变动情况和室内温湿度。在传输数据上选用了蓝牙模块，用来与学生移动设备构成联系，选择LCD12864作为显示模块，显示室内温湿度以及余座情况。关键词：单片机；红外传感器；自习室管理；蓝牙前言现如今，教学资源的不断优化，使得各大高校广招才子，这也意味着就业形势的严峻，所以多数学生会选择在本科的研究层面上继续提升，考研公务员、教师资格证等考试都陆续进展起来，在这其中，资源配套方面便显得有些赶紧不上，学生对自习室的需求不断增加，因此，如何兼顾公平和效率两个方面，使自习室资源实现最大限度的使用，是高校合理分配教学资源配套的难题。于此同时能够合理安排自习室资源也可以对学生的学习质量有着很大的提高，一旦安排不当就会产生一些不好的行为例如“占座”，这对真正热爱学习的同学来讲是绝对不公平的，所以我带着杜绝这类现象，提高自习室资源利用率的期望目标，设计了该自习室管理系统。第1章绪论随着大学生活中学习氛围的日渐优异，同学们对自己的学业目标也逐渐提升，多数大学生已经不满足于本科毕业，自习室的清晨和傍晚都是大家勤勤恳恳的身影，但是，对于学校来讲，如何能帮助这些热爱学习的孩子们合理的分配学习场地呢？在过去通常有专门的管理人员来安排，但在这个人工智能领先的时代，我们应当突破传统思维，采用省时省力的方法来安排自习室，让学生不再继续拆盲盒一样的寻找合适的教室。故本设计打破以往的规则，建立一个有多项选择可以参考的系统，将温湿度等环境条件还有最重要的教室座位数显而易见的呈现在学生用户端。1.1本课题研究意义自习室管理系统可以满足高校期末或各种资格考试临近时的有效秩序，可以有效避免少数同学的占座行为，通过一个可以单独放在教室内统计人数的这样一个设计，让给学生可以方面快速的在手机上就可掌握实时信息。自习室管理系统目前在国内外都有研究，大多数是应用于图书馆的座位管理，本课题的研究也证明了座位管理在教学方面同样也有很大的需求[4]。1.2国内外发展现状近年来，随着经济的发展，人流信息的统计对于人们的生活至关重要，目前国内在人流信息统计这方面已经有了许多应用，比如地铁站，人们可以在软件中提前查看车厢的满载率来考虑适不适合乘坐，与此同时，管理人员可以通过统计得到客流量数据来合理调度人力、物力，合理的配置资源，这样便能准确无误的实现运营效果。如今国外，大多数的图书馆的藏书资源、目录资源、干部资源和劳动成果资源等都已经实现了计算机智能化，许多国外高校的图书馆管理更是超前许多，它们将智能化和网络化融入到图书馆管理中，这样使得它们形式多元化并且服务多样的图书馆要比国内多得多[1]。但在国内座位分配资源管理还停留在人工管理，如何利用现代化的管理手段，来实现座位资源智能网络化管理，进而提高对图书馆和自习室座位资源的利用率，这才是解决问题的关键。不少国内学者也在实施方案，受于资金技术等方面的限制，至今没能达到一个理想化的效果。1.3主要研究内容本文主要研究内容是设计一个自习室管理系统。本系统设计主要分为两大部分，系统硬件设计和系统软件设计。先比较方案并进行系统硬件选择，包含了单片机型号，红外传感器型号，温湿度传感器型号，蓝牙模块型号以及显示模块型号都一一进行了选择。系统软件部分主要是采用了C语言和Keil编程软件，对自习室主程序与各部分子程序进行详细整理。最终设计出来的自习室管理系统可以实现的功能是，在学生进出教室的同时，统计出当前自习室的剩余座位数量，并实时将室内的温湿度反映到液晶显示屏上，通过蓝牙数据传输，与学生通讯端建立联系，并在学生通讯端将所有数据进行显示。第2章方案选择与论证2.1设计总体思路设计一个可以单独置于教室内的自习室管理系统：用单片机作为主要核心，两个红外传感器统计室内人数，一个统计进一个统计出，室内温湿度等条件由温湿度传感器检测，液晶显示屏来显示当前自习室的座位数，人数，余座，温湿度。最后各项数据通过蓝牙模块在手机上显示。系统整体框架如图2-1所示：图2-1系统整体框图2.2单片机芯片选择在目前所被熟知的单片机领域内，就属51单片机应用最为广泛，以下是我认为该设计可以选择的芯片选项：表2-2三种芯片性能比较AT89S52AT89C51STC89C52工作电压/V工作频率/Mhz内部RAM/位中断源/个可编程I/O线路/条UART串行通道从断电模式中断恢复看门狗定时器4.0-6.50-32256×8832全双工√√4.0-6.50-25128×8632半双工××4.0-6.50-34512×8435半双工√√上图便是对51系列三种具有代表性的单片机进行了详细的比较，首先根据表格可以看出AT89C51和AT89S52各有短处，无法满足本设计要求，综合来看STC89C52更适用于本设计[5]。STC8C52引脚如图2-3所示：图2-3STC89C52引脚图2.3红外线传感器选择由于红外传感器的种类比较多，在本设计中选取了三种市面上常见到的红外传感器作比较：表2-4三种红外线传感器的性能比较HC-SR501SR-602E18-D80NK-N工作电压DC/V静态电流/uA电平输出高/低触发方式延时时间工作温度/°C感应距离/m4.0-25403.3V/0V可重复/不可重复8-150s-15-70<73.5-15V203.3V/0V可重复2s未知<55DC10-153.3V/0V可重复2s未知<8以上是对三种红外线传感器做出的比较，根据表格可以看出，E18-D80NK-N红外传感器的感应距离是最远的，因其内部结构中含有透镜的应用，使得检测的距离要远大于其它两种红外传感器，并且E18红外传感器对于可见光的影响也比较小，价格低廉，容易操作，因此市面上许多设计类似于机器人避障，流水几件等等都选用E18红外传感器，故本设计的红外传感模块也采用E18-D80NK-N红外传感器[2]。2.4温度湿度传感器因其市面上正规且专业的温湿度传感器比较少，所以在本设计中只选取了这两种进行比较。DHT11LM35ALM35D表2-5三种温湿度传感器比较DHT11LM35ALM35D温度量程/°C温度精度/°C湿度量程/RH湿度精度/RH供电电压/V输出电压/V0-50<220-90%+-5%3.3-5.5≈3-55-150<0.54-30-1-60-100<0.54-30-1-6续表2-5以上便是对常见的两大类温湿度传感器进行比较，由图表可看出，LM35A系列对于湿度是没有办法进行测量的。并且从供电电压和可靠性的角度上DHT11都要比且LM35A更合适。DHT11数字温湿度传感器含有电阻式感湿元件和NTC测温元件，二者皆与性能高的8位单片机相连，总结来说DHT11温湿度传感器具有品质好，响应快，抗干扰能力强，性价比高的特点，因其为4针单排引脚封装，在组装方面也会比较方便。所以本设计选用DHT11温湿度传感器。2.5数据传输选择在选择传输模块上，比较WIFI模块与蓝牙模块，选择了蓝牙模块，在同样的距离限制下WIFI模块更容易受信号强弱的影响，无法保证其可靠性，所以选择了HC-05蓝牙模块。HC-O5实物如图2-6所示：图2-6HC-05蓝牙模块实物图HC-05蓝牙模块主要采用CSR主流蓝牙芯片，其输入电压的范围在3.6V-6V中，最大不可超过7V;用户可以自行设置其波特率，有1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200等选项;蓝牙连接成功与否可以参考连接状态指示灯，当小灯快速闪烁时，表示此时为蓝牙未连接状态，小灯缓慢闪烁时，表示此时进入AT命令模式，蓝牙连接成功;其板载为3.3V稳压芯片，输入电压直流3.3V-6V;未配对状态下，电流在30mA左右（可能受指示灯闪烁影响），配对成功后，电流趋于稳定，大概在10mA左右[3]。2.6显示模块选择本设计预期实现在液晶屏上显示出座位，余座，温湿度。预期显示方式如下：座位：50人员：04余座：46温度：28℃湿度：78%在显示模块上选择了两种方案进行比较，一种是用LCD显示，一种是用数码管显示。首先从汉字的显示和显示字符长短上我们可以排除数码管显示，因其不能够显示汉字，且显示字符过少，不符合本设计要求。接下来考虑用LCD液晶显示屏，LCD液晶显示屏有多种型号，本设计要求显示屏上能够将所有信息完整的显示出来，综合本设计的需求，所以选用了LCD12864液晶显示屏。2.7硬件系统构成所以根据以上对各个模块型号的比较，最终选择了工作频率，电压范围，兼容性，成本，和存储空间都比较优越的STC89C52作为处理芯片。使用延时时间，测试范围都很合适的E18-D80-N作为红外线传感器，从根本上减少误差的概率。采用功能更加全面，电压更合适的DHT11作为温度湿度传感器，选用HC-05蓝牙模块作为主要数据传输工具，保证距离远的同时还可以保证数据传输的稳定性。最后选用性价比高，实用性强的LCD12864作为显示模块。第3章系统硬件电路设计本设计主要分为六个部分，首先是最小系统电路的设计，这是后续设计的基础，其次是红外传感器模块的电路设计，这一部分主要为了实现系统的主要功能“统计人数”，然后是温湿度模块电路设计，这一部分主要负责检测教室内温湿度指数，为学生提供更多的参考条件；LCD状态转换作为显示模块，主要用于显示教室内人数数据和温湿度数据；蓝牙模块，主要负责最后信息的发送，将教室内的各项参数发送到手机客户端。3.1最小系统电路设计最小系统作为所有功能的基础部分，成功连接将会使芯片可以正常工作，是使用一切传感器和进行算法编程的基础。本设计的最小系统电路主要由电源、地线、晶振、复位电路组成。最小系统电路如图3-1所示：图3-1最小系统电路图3.2红外传感器模块电路设计E18红外传感器是由分压电阻、滤波电容、限流电阻、上拉电组成。其中分压电阻负责将红外传感器检测到的障碍信号转换成模拟电压信号，接着模拟量信号接入比较器中，就可以与分压电阻分压后的模拟电压构成比较形成数字信号（即高低电平信号）。滤波电容，一个对其电源进行滤波，另一个对模拟信号进行滤波，以此来维持滤波信号的平稳性。限流电阻，一是用来保护LED不被烧坏，二是为了对红外发射头进行保护。其中上拉电阻也有限流的作用。E18红外传感器实物如图3-2所示：图3-2E18红外传感器实物图红外传感器模块电路图如图3-3所示：图3-3红外传感器电路图3.3温湿度模块电路设计DHT11温湿度传感器在本设计起到一个辅助功能的作用，检测室内温湿度。DHT11内部结构中，VCC和GND分别接电源的正负极，DATA负责传送数据功能，可以在电路中外加一个上拉电阻，结合本设计需求，本设计未添加也不影响使用。温湿度模块电路如图3-4所示：图3-4DHT11连线示意图3.4蓝牙模块电路设计本设计蓝牙模块选用的是HC-05蓝牙作为主要数据传输模块，HC-05蓝牙串口通讯模块可以随时切换工作状态，有两种工作状态可以转换，一是听从命令，系统给出什么指令则按指令进行，一种是自动工作，在满足自身要求的条件下，系统自动工作。要想实现蓝牙连接，必须将两个蓝牙模块设置为主从模式，一个为蓝牙主模块，一个为蓝牙从模块，建立主从关系后，保证密码的一致性，互相绑定对方地址，设置为蓝牙连接模式，当主从模块建立好连接后，两个模块都重新上电，观察指示灯，由快速闪烁变为缓慢闪烁，说明主从模块通讯建立成功。蓝牙模块电路如图3-5所示：图3-5蓝牙模块连接示意图3.5显示模块电路设计显示模块电路选用了LCD12864液晶显示屏，LCD12864可以将汉字和数字完整的显示在屏幕上。表3-6液晶显示器LCD12864主要技术参数LCD12864电源显示内容显示颜色显示角度LCD类型逻辑工作电压(VDD)电源地(GND)工作温度(Ta)储存温度VDD3.3V~+5V128列×64行黄绿/蓝屏/灰屏6：00钟直视STN4.5～5.5V0V-20～70℃-35-85℃LCD12864液晶显示器的连接方式如图3-7所示：图3-7LCD12864连线示意图RS/CS为寄存器输入，RW的作用是对液晶读写进行控制，EN为液晶提供使能控制，CS1的作用是控制串并行方式，DB0-DB7是数据接口。3.6电源模块电路设计本系统的总电源选用5V的直流电源，电路设计起来简单、稳定。图中DC为电源的插座，可以直接用USB电源线接入，分别插在DC插座和5V电源上，5V电源包括充电宝、手机、充电器等等。指示灯为红色LED灯，系统通电则LED灯亮。通过2k的电阻来限制电流从而防止电流过大烧坏LED灯。SW时自锁开关，按下按键后红灯亮，意味着系统输出5V直流电源。再按下按键，LED灯熄灭，系统没有输出5V电源。电源模块电路如图3-8所示：图3-8电源模块电路图第4章系统软件电路设计4.1主程序设计本设计的软件程序主要功能是统计进出教室人数，附加功能温湿度检测，并检验距离是否在10m的范围内，如未超过，则蓝牙模块开始传送信息，无限循环以维持持续工作。总序流程如图4-1所示：开始开始系统各模块初始化系统各模块初始化读取温湿度读取温湿度测量和计算人数测量和计算人数LCD液晶屏显示LCD液晶屏显示否距离在8否距离在8m以内是是数据传输数据传输手机端显示手机端显示图4-1程序流程图4.2统计人数子程序设计选择红外传感器来统计人数，首先保证室内外各一个红外传感器，根据内外红外传感器的相应顺序就可得出此时应当加或减。主要步骤如下：首先先对教室内的各项数据初始化，包括总座位数，当前剩余座位，占用的作为数，根据上述方法进而判断室内人数变化，以此作为循环。人数统计流程如图4-2所示：开始开始教室内人数—1内传感器响应外传感器响应外传感器响应内传感器响应教室内人数+1初始化教室信息传感器是否响应教室内人数—1内传感器响应外传感器响应外传感器响应内传感器响应教室内人数+1初始化教室信息传感器是否响应NNYY 更新人数值更新人数值图4-2人数统计程序图4.3蓝牙数据传输子程序设计在蓝牙的配置过程中，首先要实现设备与器件蓝牙的主从绑定，先设置AT指令模式，进行串口波特率、检验位、停止位等操作，根据需求来修改蓝牙的密码及名称，设置成一主一从的连接模式，将其与电脑连接，按蓝牙模块上的复位键并接通电远，便会发现指示灯由快闪变成慢闪，这代表着已经进入AT指令模式，蓝牙连接成功。设置好后，就可以通过发送查询指令，来查看是否设置正确，蓝牙数据连接过程如图4-3、4-4所示：图4-3设置波特率过程图图4-4修改蓝牙名称及密码下一步进行主从模块的绑定，必须要满足一个为主模块，一个为从模块，保证密码一致，设定成蓝牙链接模式，互相绑定对方的地址。按此顺序完成后，主从模块就建立好了连接。对两个模块重新上电，指示灯变化说明主从模块建立好了通信。通讯连接成功如下图4-5所示：图4-5主从模块建立连接4.4其它模块设计软件电路设计不单包括以上程序设计还包括温湿度传感器模块设计和显示模块设计：首先温湿度模块开始工作，从主机接收了开始信号后，初始化的低功率模式就会转为高功率模式，信号结束，则温湿度传感器也停止运作。温湿度模块信号时序如图4-6所示：图4-6DHT11模块信号时序图首先需要对温湿度传感器的总线高度进行一个设置，将总线拉高延时20us，将主机设置为输入判断响应，达到理想目标后，对主机进行设置，等待由温湿度传感器发送回来的相应，便可读取数据，读取结束后进行校验，返回数据。DHT11通讯程序如图4-7所示：开始开始总线拉低18ms总线拉低18ms总线拉高20us总线拉高20us传感器低电平相应N传感器低电平相应NYY等待低电平响应结束等待低电平响应结束等待高电平响应结束等待高电平响应结束进入数据接收进入数据接收数据校验是否成功数据校验是否成功NNYY返回温度湿度值返回温度湿度值结束结束结束结束图4-7DHT11通信程序图结束结束显示模块部分中需要注意的是将数据合理的排列在显示屏上，可以将汉字笔划模拟成数字，笔画区域当作“1”，其余地方当作“0”。由此方式排列，便可以得出一个完整的汉字。在LCD液晶显示屏中两行六列就是12个汉字，再根据上述笔划模拟数字的方法就可以将汉字完整的呈现在液晶显示屏上。显示模块流程如图4-8所示：开始开始设置工作方式设置工作方式测试显示测试显示定义&更新显示字符定义&更新显示字符设置显示位置设置显示位置将字符进行显示将字符进行显示图4-8LCD12864显示流程图第5章硬件组装与调试5.1硬件模块调试首先，我先针对红外传感器作出检验标准，所检验的方式就是验证其性能的灵敏度，分别站在距离传感器2米和5米的地方，以及当间隔时间较短经过传感器时，传感器做出的反应，检测传感器接收信息的灵敏度。蓝牙模块的检验方式也是分别站在不同距离处，通信设备与器件构成蓝牙连接，检验在距离8m以内是否能通过蓝牙模块准确传送信息。经过测试，得到以下结论：该型号红外传感器的反应时间较短，能够在人与人间隔2S以内的时间迅速作出反应，但是检测到距离没有达到理想状态，在5m时接受不到信息。当设备启动后，蓝牙模块处于待连接状态，指示灯快闪，手机连接蓝牙后，与主设备构成主从模块，连接成功后，指示灯缓慢闪烁，并将主设备上的全部信息实时传送到手机从设备上，由此连接成功。测试也如预期一样，在8m之内都可以传送信息。但是由于技术和资金等方面原因，目前只适用于旧版手机系统，日后我会继续精进这部分的缺陷。与此同时LCD12864显示模块和DHT11温湿度模块调试都很顺利。检验过程如图5-1所示：图5-1检测过程图5.2软件模块调试在软件模块调试过程中出现了许多错误，比如顺序问题，语法错误，少了括号，分号，参数列表得到长度不同，需要检查开始的函数声明和定义的参数是否一致，且参数必须要说明类别。是否使用了定义得到变量等等。在搭建好调试的平台之后，便对软件程序进行调试，进入到设置页面后，若未发现程序调试错误，便开始验证系统功能的完整性，如果发现问题，便要反复进行调试。程序调试页面如图5-2、5-3所示：图5-2程序调试页面图5-3蓝牙部分调试图5.3实物演示第一步先将各部分器件与单片机进行连接，第二步编写好程序，第三步将程序烧写进去就可以拿到实际操作空间进行测试：。按下电源按钮，先检查最直观的显示屏，观察数据是否都完整的显示在了屏幕上。接着观察显示屏上的温湿度数据，可以选用专业的测温工具，对当前空间进行测试，对比二者结果，如差距保证在误差范围内，则证明运行成功。最关键的一步，对红外传感器的功能进行一个检测，最直接的方法就是人经过观察人数变化，必须要排除所能产生一切误差的因素，比如当红外传感器因为某些原因移动了会不会影响人数的变化。所以我采用手动测试的方法，将红外传感器从下到上和从上到下进行移动，观察数据显示正常。或者当室内的的人进行活动，会不会影响到红外传感器统计数据。还有当有人从教室门口经过时，红外传感器是否会发生变化。经检测几乎目前所有产生误差因素都可以排除掉。最后就是检测数据传输的准确性，依据上述蓝牙模块的调试，会发现数据传输的基本一致，中间可能会有少部分的延迟时间，对正常运行此设计并无太大影响。自习室管理系统正面如图5-4所示：图5-4自习室管理系统正面图数据传输过程如图5-5所示：图5-5数据传输演示图结论本系统至此设计调试完成，硬件系统连接正确工作正常，软件部分也测试完毕,系统存在一些问题，如环境