基于微控制器的实验室教学管理系统设计与实现*

史建飞++杨飞++马文停+梁达鹏

摘 要：现在高校实验室管理系统，许多都实现了可视化管理，例如可以利用现代多媒体技术将学生实验过程用视频进行监控并进行管理。同时在实验教学考勤方面，许多实验室管理系统都选用RFID来进行身份认证。使用RFID来进行身份认证和其它一些技术相比起来，方便快捷，经济实惠，技术要求不高，实现起来比较容易。因此本文提出并设计了一种能够在电脑界面实时监控学生实验过程、用RFID进行学生实验教学考勤，并能够自动处理一些简单意外事件的基于微控制器的实验室管理系统。

关键词：微控制器；MFC；通讯系统；实验室管理系统

中图分类号：G482 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2014）09-0065-02

一、概述

本文研究的基于微控制器的实验室管理系统，分为上位机和下位机两个部分，上位机和下位机之间利用串口进行通讯。图1为系统整体框架。上位机部分为一个控制显示界面，使用VC++的MFC来完成，使用MFC中的各种控件来实现串口通讯、信息显示等功能。下位机部分选择了处理器核心是ATmega2560的Arduino平台，该平台在开发上有很大的扩展空间，编程方便而且稳定性好，技术成熟。该平台采用的是USB接口的核心电路板，在开发上位机的通讯功能时，省去了复杂的接口转换操作，直接可以和计算机的USB接口相兼容。Arduino平台具有54路数字输入输出，可以适用于大量的IO接口的设计，其可扩展性极高。本系统采用了多个传感器获取实验台的环境信息，能够实时监控试验台的环境参数，在上位机进行处理并判断试验台是否处于安全状态或是否需对一些意外情况做出应急处理时及时报警。

二、系统硬件设计

图2为系统硬件。硬件微处理器选用Arduino ATmega2560,因其拥有大量数字和模拟IO，使该系统可以任意添加外设而不用担心IO不够用的情况。在该系统中我们添加的硬件有温度传感器、湿度传感器、光强传感器、火焰传感器、蜂鸣器、RFID卡读卡器、继电器等。传感器将试验台周围环境中的参数发送给上位机显示并处理，使实验指导教师可以清楚地了解试验台的工作情况。

在使用IC卡进行考勤时，IC卡在读卡器上刷一次，读卡器获取该卡的信息并传输给上位机进行处理，上位机识别该卡后认定该学生为实验上机学生；当该卡再次刷一次后，上位机认定该学生为实验完毕、签退的学生。

温度传感器，返回温度数值，当达到一定高温界限时，上位机自动报警，蜂鸣器响应发声，提示教师进行处理；当湿度传感器返回数值达到一定上限时，反应试验台周围可能有漏水，提示教师进行处理；当光强传感器返回数值低于某一值时，反映试验台光照不够，影响了学生的实验过程，提示教师进行相应处理；当火焰传感器检测到有效信号时，上位机通过驱动继电器自动进行断电处理，并使蜂鸣器发声报警。

三、系统通讯原理

整个系统通过串口RS232进行通讯，上、下位机都要设定特定的程序和参数才能进行完整的通讯。上位机和下位机的通讯波特率都设为9600，无奇偶校验位、8位数据位、1位停止位。上位机选择接收方式为模式1（二进制接收），代码为“m_comm1.SetInputMode(1)”，采用串口事件的方式处理消息，当串口接收到特定字节的数据后触发串口事件并进一步处理。首先，要在上位机界面选择正确的串口（下位机对应的串口）并打开，然后在接收到上位机发送的正确指令后，下位机将包含学生信息、传感器信息等在内的数据包发送给上位机，上位机在接收到数据包后，对数据进行校验，设定数据包的前3位为校验位（使用特殊符号）。在上位机处理并显示了上一个数据包的内容后，重新向下位机继续发送要求接收数据的指令。图3为上位机通讯流程, 图4为下位机通讯流程。

四、系统软件设计

1.上位机软件设计

上位机的软件界面使用VC++的MFC来编写。在VC++6.0软件中打开MFC Appwizard（exe），并选择基于对话框的应用程序，完成界面的整体框架初始化。利用控件表里的控件选项，向对话框中添加相应的控件。图5为添加完控件后的对话框。

对串口及其它控件的初始化需在Dlg.cppZ中的OnInitDialog()下添加相应代码。

2.下位机软件设计

下位机使用Arduino ATmega2560微控制器，编程语言兼容C语言大部分关键字，而且提供有大量比较全面的官方API函数，在编程过程中非常方便快捷。下位机软件分为通讯、读卡、读取传感器信息、驱动外设器件四部分。程序代码的编写主要包括三个部分：一是初始化，这部分代码在void setup()中编写。二是循环，这部分代码在void loop()中编写。三是外部子函数，这部分代码同C语言一样，定义在主函数之外。

五、结束语

本文设计了一个基于微控制器的实验室管理系统，采用RFID和传感器技术实现了简单的上机实验智能化管理，减轻了实验指导教师的负担，同时也增强了上机实验学生的安全保障。

参考文献：

[1]熊丽,谭亮.基于射频卡的高等农林院校计算机实验室管理系统的设计与实现[J].农业网络信息,2007(3):82-84.

[2]刘兵,王强.基于RFID技术的实验室智能管理系统设计研究[J].黑龙江科技信息,2010(29):111.

[3]毛美华.基于射频卡的考勤管理系统的设计与开发[D].山东大学,2010.

[4]罗建辉.用VC++和MFC实现与单片机的串口通讯[J].长沙航空职业技术学院学报,2005(2):35-37.

[5]蔡睿妍.Arduino的原理及应用[J].电子设计工程,2012(16):155-157.

[6]秦华,孙晓松.基于Arduino/Android的环境状况监测系统设计[J].无线互联科技,2013(1):59-61.

[7]李媛媛.智能消防服系统信息获取与处理关键技术研究[D].东华大学,2013.

[8]杨东海,翁新华,杨汝清.基于VC++和MFC的上位机与PLC的通讯系统[J].微计算机信息,2003(3):10-12.

[9]徐璇,姜明新,黄静,徐晶,李敏.基于MFC的工程软件界面设计[J].电子设计工程,2011(21):11-13.

[10]聂华,王洁,曾宇.基于VC++开发串口通信的方法[J].中国信息导报,2003(1):54-56.

（编辑:王天鹏）

endprint

摘 要：现在高校实验室管理系统，许多都实现了可视化管理，例如可以利用现代多媒体技术将学生实验过程用视频进行监控并进行管理。同时在实验教学考勤方面，许多实验室管理系统都选用RFID来进行身份认证。使用RFID来进行身份认证和其它一些技术相比起来，方便快捷，经济实惠，技术要求不高，实现起来比较容易。因此本文提出并设计了一种能够在电脑界面实时监控学生实验过程、用RFID进行学生实验教学考勤，并能够自动处理一些简单意外事件的基于微控制器的实验室管理系统。

关键词：微控制器；MFC；通讯系统；实验室管理系统

中图分类号：G482 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2014）09-0065-02

一、概述

本文研究的基于微控制器的实验室管理系统，分为上位机和下位机两个部分，上位机和下位机之间利用串口进行通讯。图1为系统整体框架。上位机部分为一个控制显示界面，使用VC++的MFC来完成，使用MFC中的各种控件来实现串口通讯、信息显示等功能。下位机部分选择了处理器核心是ATmega2560的Arduino平台，该平台在开发上有很大的扩展空间，编程方便而且稳定性好，技术成熟。该平台采用的是USB接口的核心电路板，在开发上位机的通讯功能时，省去了复杂的接口转换操作，直接可以和计算机的USB接口相兼容。Arduino平台具有54路数字输入输出，可以适用于大量的IO接口的设计，其可扩展性极高。本系统采用了多个传感器获取实验台的环境信息，能够实时监控试验台的环境参数，在上位机进行处理并判断试验台是否处于安全状态或是否需对一些意外情况做出应急处理时及时报警。

二、系统硬件设计

图2为系统硬件。硬件微处理器选用Arduino ATmega2560,因其拥有大量数字和模拟IO，使该系统可以任意添加外设而不用担心IO不够用的情况。在该系统中我们添加的硬件有温度传感器、湿度传感器、光强传感器、火焰传感器、蜂鸣器、RFID卡读卡器、继电器等。传感器将试验台周围环境中的参数发送给上位机显示并处理，使实验指导教师可以清楚地了解试验台的工作情况。

在使用IC卡进行考勤时，IC卡在读卡器上刷一次，读卡器获取该卡的信息并传输给上位机进行处理，上位机识别该卡后认定该学生为实验上机学生；当该卡再次刷一次后，上位机认定该学生为实验完毕、签退的学生。

温度传感器，返回温度数值，当达到一定高温界限时，上位机自动报警，蜂鸣器响应发声，提示教师进行处理；当湿度传感器返回数值达到一定上限时，反应试验台周围可能有漏水，提示教师进行处理；当光强传感器返回数值低于某一值时，反映试验台光照不够，影响了学生的实验过程，提示教师进行相应处理；当火焰传感器检测到有效信号时，上位机通过驱动继电器自动进行断电处理，并使蜂鸣器发声报警。

三、系统通讯原理

整个系统通过串口RS232进行通讯，上、下位机都要设定特定的程序和参数才能进行完整的通讯。上位机和下位机的通讯波特率都设为9600，无奇偶校验位、8位数据位、1位停止位。上位机选择接收方式为模式1（二进制接收），代码为“m_comm1.SetInputMode(1)”，采用串口事件的方式处理消息，当串口接收到特定字节的数据后触发串口事件并进一步处理。首先，要在上位机界面选择正确的串口（下位机对应的串口）并打开，然后在接收到上位机发送的正确指令后，下位机将包含学生信息、传感器信息等在内的数据包发送给上位机，上位机在接收到数据包后，对数据进行校验，设定数据包的前3位为校验位（使用特殊符号）。在上位机处理并显示了上一个数据包的内容后，重新向下位机继续发送要求接收数据的指令。图3为上位机通讯流程, 图4为下位机通讯流程。

四、系统软件设计

1.上位机软件设计

上位机的软件界面使用VC++的MFC来编写。在VC++6.0软件中打开MFC Appwizard（exe），并选择基于对话框的应用程序，完成界面的整体框架初始化。利用控件表里的控件选项，向对话框中添加相应的控件。图5为添加完控件后的对话框。

对串口及其它控件的初始化需在Dlg.cppZ中的OnInitDialog()下添加相应代码。

2.下位机软件设计

下位机使用Arduino ATmega2560微控制器，编程语言兼容C语言大部分关键字，而且提供有大量比较全面的官方API函数，在编程过程中非常方便快捷。下位机软件分为通讯、读卡、读取传感器信息、驱动外设器件四部分。程序代码的编写主要包括三个部分：一是初始化，这部分代码在void setup()中编写。二是循环，这部分代码在void loop()中编写。三是外部子函数，这部分代码同C语言一样，定义在主函数之外。

五、结束语

本文设计了一个基于微控制器的实验室管理系统，采用RFID和传感器技术实现了简单的上机实验智能化管理，减轻了实验指导教师的负担，同时也增强了上机实验学生的安全保障。

参考文献：

[1]熊丽,谭亮.基于射频卡的高等农林院校计算机实验室管理系统的设计与实现[J].农业网络信息,2007(3):82-84.

[2]刘兵,王强.基于RFID技术的实验室智能管理系统设计研究[J].黑龙江科技信息,2010(29):111.

[3]毛美华.基于射频卡的考勤管理系统的设计与开发[D].山东大学,2010.

[4]罗建辉.用VC++和MFC实现与单片机的串口通讯[J].长沙航空职业技术学院学报,2005(2):35-37.

[5]蔡睿妍.Arduino的原理及应用[J].电子设计工程,2012(16):155-157.

[6]秦华,孙晓松.基于Arduino/Android的环境状况监测系统设计[J].无线互联科技,2013(1):59-61.

[7]李媛媛.智能消防服系统信息获取与处理关键技术研究[D].东华大学,2013.

[8]杨东海,翁新华,杨汝清.基于VC++和MFC的上位机与PLC的通讯系统[J].微计算机信息,2003(3):10-12.

[9]徐璇,姜明新,黄静,徐晶,李敏.基于MFC的工程软件界面设计[J].电子设计工程,2011(21):11-13.

[10]聂华,王洁,曾宇.基于VC++开发串口通信的方法[J].中国信息导报,2003(1):54-56.

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摘 要：现在高校实验室管理系统，许多都实现了可视化管理，例如可以利用现代多媒体技术将学生实验过程用视频进行监控并进行管理。同时在实验教学考勤方面，许多实验室管理系统都选用RFID来进行身份认证。使用RFID来进行身份认证和其它一些技术相比起来，方便快捷，经济实惠，技术要求不高，实现起来比较容易。因此本文提出并设计了一种能够在电脑界面实时监控学生实验过程、用RFID进行学生实验教学考勤，并能够自动处理一些简单意外事件的基于微控制器的实验室管理系统。

关键词：微控制器；MFC；通讯系统；实验室管理系统

中图分类号：G482 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2014）09-0065-02

一、概述

本文研究的基于微控制器的实验室管理系统，分为上位机和下位机两个部分，上位机和下位机之间利用串口进行通讯。图1为系统整体框架。上位机部分为一个控制显示界面，使用VC++的MFC来完成，使用MFC中的各种控件来实现串口通讯、信息显示等功能。下位机部分选择了处理器核心是ATmega2560的Arduino平台，该平台在开发上有很大的扩展空间，编程方便而且稳定性好，技术成熟。该平台采用的是USB接口的核心电路板，在开发上位机的通讯功能时，省去了复杂的接口转换操作，直接可以和计算机的USB接口相兼容。Arduino平台具有54路数字输入输出，可以适用于大量的IO接口的设计，其可扩展性极高。本系统采用了多个传感器获取实验台的环境信息，能够实时监控试验台的环境参数，在上位机进行处理并判断试验台是否处于安全状态或是否需对一些意外情况做出应急处理时及时报警。

二、系统硬件设计

图2为系统硬件。硬件微处理器选用Arduino ATmega2560,因其拥有大量数字和模拟IO，使该系统可以任意添加外设而不用担心IO不够用的情况。在该系统中我们添加的硬件有温度传感器、湿度传感器、光强传感器、火焰传感器、蜂鸣器、RFID卡读卡器、继电器等。传感器将试验台周围环境中的参数发送给上位机显示并处理，使实验指导教师可以清楚地了解试验台的工作情况。

在使用IC卡进行考勤时，IC卡在读卡器上刷一次，读卡器获取该卡的信息并传输给上位机进行处理，上位机识别该卡后认定该学生为实验上机学生；当该卡再次刷一次后，上位机认定该学生为实验完毕、签退的学生。

温度传感器，返回温度数值，当达到一定高温界限时，上位机自动报警，蜂鸣器响应发声，提示教师进行处理；当湿度传感器返回数值达到一定上限时，反应试验台周围可能有漏水，提示教师进行处理；当光强传感器返回数值低于某一值时，反映试验台光照不够，影响了学生的实验过程，提示教师进行相应处理；当火焰传感器检测到有效信号时，上位机通过驱动继电器自动进行断电处理，并使蜂鸣器发声报警。

三、系统通讯原理

整个系统通过串口RS232进行通讯，上、下位机都要设定特定的程序和参数才能进行完整的通讯。上位机和下位机的通讯波特率都设为9600，无奇偶校验位、8位数据位、1位停止位。上位机选择接收方式为模式1（二进制接收），代码为“m_comm1.SetInputMode(1)”，采用串口事件的方式处理消息，当串口接收到特定字节的数据后触发串口事件并进一步处理。首先，要在上位机界面选择正确的串口（下位机对应的串口）并打开，然后在接收到上位机发送的正确指令后，下位机将包含学生信息、传感器信息等在内的数据包发送给上位机，上位机在接收到数据包后，对数据进行校验，设定数据包的前3位为校验位（使用特殊符号）。在上位机处理并显示了上一个数据包的内容后，重新向下位机继续发送要求接收数据的指令。图3为上位机通讯流程, 图4为下位机通讯流程。

四、系统软件设计

1.上位机软件设计

上位机的软件界面使用VC++的MFC来编写。在VC++6.0软件中打开MFC Appwizard（exe），并选择基于对话框的应用程序，完成界面的整体框架初始化。利用控件表里的控件选项，向对话框中添加相应的控件。图5为添加完控件后的对话框。

对串口及其它控件的初始化需在Dlg.cppZ中的OnInitDialog()下添加相应代码。

2.下位机软件设计

下位机使用Arduino ATmega2560微控制器，编程语言兼容C语言大部分关键字，而且提供有大量比较全面的官方API函数，在编程过程中非常方便快捷。下位机软件分为通讯、读卡、读取传感器信息、驱动外设器件四部分。程序代码的编写主要包括三个部分：一是初始化，这部分代码在void setup()中编写。二是循环，这部分代码在void loop()中编写。三是外部子函数，这部分代码同C语言一样，定义在主函数之外。

五、结束语

本文设计了一个基于微控制器的实验室管理系统，采用RFID和传感器技术实现了简单的上机实验智能化管理，减轻了实验指导教师的负担，同时也增强了上机实验学生的安全保障。

参考文献：

[1]熊丽,谭亮.基于射频卡的高等农林院校计算机实验室管理系统的设计与实现[J].农业网络信息,2007(3):82-84.

[2]刘兵,王强.基于RFID技术的实验室智能管理系统设计研究[J].黑龙江科技信息,2010(29):111.

[3]毛美华.基于射频卡的考勤管理系统的设计与开发[D].山东大学,2010.

[4]罗建辉.用VC++和MFC实现与单片机的串口通讯[J].长沙航空职业技术学院学报,2005(2):35-37.

[5]蔡睿妍.Arduino的原理及应用[J].电子设计工程,2012(16):155-157.

[6]秦华,孙晓松.基于Arduino/Android的环境状况监测系统设计[J].无线互联科技,2013(1):59-61.

[7]李媛媛.智能消防服系统信息获取与处理关键技术研究[D].东华大学,2013.

[8]杨东海,翁新华,杨汝清.基于VC++和MFC的上位机与PLC的通讯系统[J].微计算机信息,2003(3):10-12.

[9]徐璇,姜明新,黄静,徐晶,李敏.基于MFC的工程软件界面设计[J].电子设计工程,2011(21):11-13.

[10]聂华,王洁,曾宇.基于VC++开发串口通信的方法[J].中国信息导报,2003(1):54-56.

（编辑:王天鹏）

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