基于嵌入式系統的智能自習室設計

張歆彤

（西北民族大學 電氣工程學院，甘肅 蘭州 730124）

嵌入式系統是一種“完全嵌入受控器件內部，為特定應用而設計的專用計算機系統”。與個人計算機這樣的通用計算機系統不同，嵌入式系統通常執行的是帶有特定要求的預先定義的任務。由于嵌入式系統只針對一項特殊的任務，設計人員能夠對它進行優化，減小尺寸降低成本[1]。嵌入式系統通常進行大量生產，所以單個的成本節約，能夠隨著產量進行成百上千的放大。嵌入式系統的核心是由一個或幾個預先編程好以用來執行少數幾項任務的微處理器或者單片機組成。與通用計算機能夠運行用戶選擇的軟件不同，嵌入式系統上的軟件通常是暫時不變的，所以經常稱為“固件”。由嵌入式系統設計的產品工作穩定，可靠性高[2]。

1 嵌入式系統基本結構

一個嵌入式系統裝置一般都由嵌入式計算機系統和執行裝置組成，如圖1所示，嵌入式計算機系統是整個嵌入式系統的核心，由硬件層、中間層、系統軟件層和應用軟件層組成。執行裝置也稱為被控對象，它可以接受嵌入式計算機系統發出的控制命令，執行所規定的操作或任務。執行裝置可以很簡單，如手機上的一個微小型的電機，當手機處于震動接收狀態時打開；也可以很復雜，如SONY智能機器狗，上面集成了多個微小型控制電機和多種傳感器，從而可以執行各種復雜的動作和感受各種狀態信息。

2 總體設計

（1）智能自習室系統運用指紋識別功能開門，能夠記錄自習室內的人數并顯示出來。

（2）智能自習室系統能夠自動檢測自習室內的光線強度，同時檢測自習室相應位置是否有人以決定是否為用戶提供照明。

（3）智能自習室系統還可以自動檢測并調節室內溫度，當室內溫度超出設定范圍就可進行自動報警，當溫度過高時，打開風扇，溫度過低時，啟動供暖設施，使室內始終保持在適宜的溫度范圍內。

（4）智能自習室系統采用智能監控設備對自習室內的情況進行實時監控。

圖1 嵌入式系統基本結構

3 系統所使用的具體模塊

（1）單片機：采用Atmel公司的STC89C52作為控制核心。（2）指紋識別模塊：采用FPM10A模塊進行指紋識別。（3）顯示模塊：采用LCD1602液晶顯示。（4）紅外傳感模塊：采用光電傳感器模塊E18-D80NK。（5）溫度傳感器模塊：采用DS18B20進行溫度感應。（6）煙霧傳感器模塊：采用MQ-2煙霧氣敏傳感器進行煙霧檢測。（7）光線檢測模塊：采用光敏電阻傳感器進行光線檢測。（8）驅動模塊：采用+12 V穩壓源和300 mA恒流源。

4 智能自習室系統的特點

（1）智能自習室可以根據人物所在位置控制燈光的亮滅，做到人走燈滅。

（2）通過指紋識別進行門禁控制。

（3）通過紅外傳感器檢測進出自習室人數，從而確定室內具體人數，為尋找空位的同學節省時間。

（4）自動調節溫度，使室內始終保持人體適宜的溫度。

5 硬件設計

本設計由STC89C52作為主控單元，通過各個模塊的配合達到智能控制的效果。各個模塊通過敏感元件采集到相應的信息，由于采集到的信息為模擬量，而單片機只能處理數字量，所以采集到的信息經過A/D轉換后，將數字量傳送到單片機內進行處理，單片機計算完成后驅動相應模塊進行動作。首先，指紋識別模塊識別到指紋后，將指紋信息發送到單片機內與指紋庫中的指紋進行對比，識別成功后驅動電機打開自習室的門。紅外傳感器將檢測到的人數信息發送到單片機，經處理后在顯示模塊上進行自習室內人數的顯示。光線檢測模塊實時監測室內環境的明暗程度以進行燈光亮度的調整。此外，溫度傳感器模塊和煙霧傳感器模塊不斷檢測室內的溫度和煙霧情況，并將信息實時傳輸到單片機進行處理，當溫度過高時驅動風扇進行降溫，當溫度過低時驅動供暖設施加溫，當煙霧濃度過高時驅動蜂鳴器發出蜂鳴聲。

在實際搭建的過程中，借助最小系統板通過串口燒錄程序采用雙列直插式將主控芯片STC89C52的所有引腳由排針引出，最小系統板的串口用于直接從PC端下載程序到單片機中。系統硬件框如圖2所示。

圖2 系統硬件框

6 軟件設計

智能自習室系統是以STC89C52為核心，多個模塊集合而成的系統，因此利用模塊化方式對該系統進行設計，程序采用C語言編寫，主要包含主控制程序、指紋識別對比程序、紅外感應程序、光線感應程序、溫度檢測程序、煙霧檢測程序、液晶顯示屏顯示程序以及各個模塊的驅動程序等。各個

模塊的程序所使用的算法不同，要根據各模塊具體的功能進行編寫。在編寫主程序時，首先要對各功能模塊進行初始化，啟動各模塊的功能，然后根據各模塊返回的實時數據編寫調用驅動模塊的程序。在系統運行的過程中，不停地查詢與各個檢測模塊相連的單片機I/O口，一旦查詢到I/O口有信號，就進入相應的子程序其執行程序，從而控制整個智能自習室系統的正常運行。在系統運行的過程中，不斷地重復上述過程，使自習室系統達到能夠智能控制的目的。系統軟件流程如圖3所示。

圖3 系統軟件流程

7 結語

本文提出了基于嵌入式系統的智能自習室設計，該設計以STC89C52為核心，通過紅外傳感模塊、溫度模塊、煙霧傳感器模塊等其他模塊的配合組成了一個能夠自動控制的智能系統。各個傳感器定時地采集室內和室外的環境數據，并送入單片機內部，單片機根據接收到的數據，進行智能化地分析、處理，并通過驅動相應的模塊控制相應的傳感器，使得整個系統在不需要人為干擾的情況下，能夠有條不紊地工作。該系統為在校學生提供了便捷化、智能化的服務，節省了同學們的占座時間，保證了自習室內的公共財產安全，同時還有效地避免了不必要的電能浪費。

[參考文獻]

[1]周青云，王建勛.嵌入式系統的應用與發展[J].工業儀表與自動化裝置，2008（3）：16-20.

[2]李林功，李華玲.嵌入式系統的構成與特點[J].電測與儀表，2003（5）：29-34.