基于STC15F2K60S2單片機的智能管理教室系統

張琦+穆遠威+劉美娟

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

關鍵詞：智能；教室管理；STC15F2K60S2；傳感器

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

0 引 言

目前，大多數學校的教室管理還是以人工管理為主。以當前學校管理為例，每天晚上都要派專人按時關窗鎖門，但下雨天無法及時關窗，且教室空無一人時也無法自動關燈斷電，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狀況，本文開發的智能管理教室系統不僅可以避免上述情況的發生，還能將照明燈逐漸點亮，進一步節省了電力資源，且成本低、設計簡單、易于安裝。

1 整體方案設計

本小節闡述了智能管理教室系統的整體設計方案，該系統由STC15F2K60S2單片機和各種傳感器組成。智能管理教室系統整體設計如圖1所示。

通過傳感器采集當前教室光照強度、溫濕度、教室人數數據，將采集到的信息傳輸至STC15F2K60S2單片機并與單片機預設值比較，當數值不在設定閾值范圍內時，由單片機控制調節系統開始工作，實現智能管理教室的目的，大大減少了資源浪費。

2 硬件系統設計

在對教室信息采集的過程中，采用了模塊化的設計方法，分為數據采集模塊電路設計，控制設備模塊電路設計，串口通信電路設計。在該系統中，對教室環境參數的采集主要依靠各種傳感器，傳感器將采集到的信息轉化為數字量傳送至單片機內部，單片機通過判斷接收的數據是否符合要求來控制教室設備的開啟，在該系統中使用了 STC15F2K60S2單片機進行設計。

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數據Flash、2048Byte的SRAM和42個I/O口線。同時還具有集成度高，系統結構簡單，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]，因此適合該系統使用。

2.2 傳感器設計

該系統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境進行監測。

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換為電信號，通過調整光敏電阻的靈敏度可以實現設定不同光照強度下的光照檢測[3]，同時光敏電阻可以感應光線的明暗變化，將光照強度反映在光敏電阻阻值上，進而反映在電阻兩端的電壓值上。該系統采用的光敏電阻傳感器模塊有DO TTL數字量輸出接口，其內部原理圖如圖2所示。當環境光照強度高于設定閾值時輸出高電平，反之則輸出低電平。在室內安裝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，從而控制照明系統和窗簾開關。該方法不僅可節約成本，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、質量可靠[5]。該傳感器檢測距離為4～13 mm，可以滿足該系統對窗簾控制電路的要求。ST188結構圖如圖3所示，由高發射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成。A、K是紅外發射二極管的正負極，C、E是接收管的正負極。紅外發射管可發出紅外線，當接收管接收到反射回來的紅外線時，E輸出高電平，說明窗簾已經被拉至合適位置，此時單片機控制的直流電機停止轉動，窗簾被自動拉至合適位置。

2.2.3 溫濕度采集DHT11傳感器

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它采用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感器技術，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定性。由于該傳感器采用單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷，且體積適中，功耗低，連接方式簡單，故成為本設計系統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FR-04雙面材料，應用鍍鎳處理表面，具有對抗氧化性、導電性等特性，同時采用比較器輸出，輸出信號干凈，波形好，驅動能力強。該傳感器模塊有DO TTL數字量輸出接口，當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，使用簡單易于處理，所以采用該傳感器計算教室進出人數，并將計算出的人數在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、窗戶開關控制電路和窗簾開關電路。繼電器控制電路主要用于對教室空調、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置了三個閾值U1、U2、U3（U1

3 軟件系統設計

該系統使用Keil軟件對STC15F2K60S2單片機進行C語言程序編寫。

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

4 結 語

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

參考文獻

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[2]張毅剛，彭喜元.單片機原理與應用設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2008.

[3]吳衍佳，李笑笑，梁振奇，等.基于無線傳感網絡的智能教室管理系統[J].橡塑技術與裝備，2016，42（8）：115-120.

[4]蘭羽.基于紅外傳感器ST188的自動循跡小車設計[J].電子設計工程，2013，21（3）：64-66.

[5]邊春元，李文濤，江杰.C51單片機典型模塊設計與應用[M].北京：機械工業出版社，2008.

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[8]劉謀黎.基于物聯網的高校教室照明節能方案研究[J].物聯網技術，2014，4（12）：77-78.