一套教室人数智能统计与显示系统的研制

张海潮++马风玲++郑伯明++蔡占秀++邱召运

摘 要 为提高学生的按时到课率，帮助教师了解学生的到课情况，以及改善教室的学习环境，基于微控器设计教室人数智能统计与显示系统。对该系统的功能、结构和工作原理进行阐述，并介绍传感系统和计量原理。结果表明，该系统的考勤功能显著提高了学生的按时到课率，系统的空余座位显示功能方便了学生寻找自习教室。

关键词 教室人数智能统计与显示系统；考勤；微控器；传感器

中图分类号：G642 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）24-0040-03

Research of An Intelligent Counting and Display System for Classroom//ZHANG Haichao， MA Fengling， ZHENG Boming， CAI Zhanxiu， QIU Zhaoyun

Abstract In order to improve the rate of students to class on time， help teachers to understand the situation and improve the learning environment of the classroom， an Intelligent Counting and Display System based on the mircro-controller for classroom is designed. The

function， structure and working principle of the system are described，

and the sensing system and measurement principle are introduced emphatically. The results show that the systems attendance function significantly improves the rate of students to class on time， and the function of system to display spare seats is convenient for student to look for self-study classroom.

Key words intelligent counting and display system for classroom； attendance； mircro controller； sensor

1 引言

考勤方法主要有點名、签到、IC卡刷卡、指纹识别[1]和人脸图像识别[2]。分析发现传统的点名和签到的考勤方法耗时且不方便；IC刷卡考勤的缺点在于可由他人代替考勤；较为先进的指纹扫描考勤可靠性较高，但指纹扫描速度相对较慢；先进的人脸图像识别考勤系统需要配备计算机，系统相对庞大，造价相对高昂。

显然，上述考勤方法均不适于课间间隔只有10分钟的教室考勤。针对此问题，基于微控器并采用双调制频率双光路的可逆计量传感器，研制一套教室人数智能化统计与显示系统，实现自动、快速考勤的目的。考虑到学校的学习环境情况，该系统具有人数统计、剩余座位统计、日历时间显示等功能，能实时、直观显示多种有用信息，且操作方便，节省时间，造价低廉，避免了上述考勤方法的缺点，对于提高学生的到课率，增强教师的授课效果[3]以及改善教室的学习环境，具有实际价值。

2 教室人数智能统计与显示系统的设计

统计与显示系统的功能 教室人数智能统计与显示系统的主要功能是课堂考勤，能够对出入教室的人员进行智能化统计。下课后，为方便学生寻找有空位的自习教室，该系统设计有剩余座位统计功能；为防止上课期间被打扰，设计有上课提醒功能；为便于教师掌控授课时间，设计有日历、时间显示等功能。

用于考勤的人数统计功能包括按时到课人数统计和自习时室内人数统计功能。考勤功能便于教师对到课人数进行统计，督促学生准时上课，提高学生的上课积极性。日历、时间显示功能包括日历显示、课堂剩余时间显示、课间剩余时间显示和“正在上课”显示等功能，能够提醒教师掌握授课时间，避免拖堂而影响学生的生活与学习。“正在上课”和剩余座位统计功能则有利于提醒和告知寻找自习教室的学生，无须开门就清楚教室内有无空余座位、是否正在上课，避免对上课和自习带来的干扰，对于改善教学和学习环境、营造良好的学习氛围具有重要意义。

统计与显示系统的构成 图1为教室人数智能统计与显示系统的整体构成框图。该系统主要由微控器系统、传感器系统、时钟系统、显示系统、键盘系统等部分组成。其中微控器系统采用STC89C52单片机[4]为核心设计，单片机内建有程序存储器、数据存储器、用户EEPROM、程序监控系统、上电复位等系统资源，仅通过I2C总线扩展一片时钟芯片，其他I/O口通过连接器与其他系统连接，大大简化微控器系统的设计。传感器系统由红外发射电路和接收电路构成，对进出教室人员信息进行检测，通过两个I/O口线输入微控器系统对数据进行处理。微控器还分时扫描时钟系统和键盘输入系统，并将统计数据和时钟计时等信息输出到显示系统进行实时显示。键盘输入系统则用于控制操作、时钟校准、密码输入和系统设置。

统计计量的准确性主要取决于传感器系统，为此采用自主设计的双频双通道可逆计量传感器[5]。为方便观察，显示系统由室内显示器和室外显示器构成，两显示器显示的信息不尽相同，其中室内显示器主要用于考勤和计时，而室外显示器主要用于告知室外人员教室内部的状态。

统计与显示系统的工作过程 接通电源后，系统自动进行初始化，并进入系统运行主程序，依次循环执行程序流程：读取相关数据→刷新显示数据→查询传感器状态→扫描键盘状态→返回主程序。其中读取的数据包含考勤数据、剩余座位数据和时钟计时数据，并送显示缓冲区，供显示程序刷新显示。系统检测到传感器系统传送数据时，微控器将根据传感器的状态做相应运算处理，即确认人员进入室内时，则室内人员数加1，剩余座位数减1，然后返回主程序并将考勤结果送室内显示器，剩余座位数送室外显示器。同时，两显示器的时间窗口显示时钟数据。

系统检测到键盘输入的“上课”指令时，系统将停止考勤功能并自动减1以修正考勤数据，时间显示自动进入课堂授课倒计时工作状态，并点亮室外显示器的“正在上课”指示，提醒室外人员请勿打扰。倒计时时间设置为两段：一节课时间和课间休息时间。倒计时完毕，系统自动进入考勤状态。教师下课后可手动取消“上课”指令，否则系统将根据预设的作息时间表自动取消“正在上课”状态。

3 双调制频率双光路可逆计量传感器设计

应用通用光电传感器存在的问题 教室人数智能化统计与显示系统项目研究过程中曾采用两个通用的单频单光路透射式红外光电传感器[6]实现可逆计量检测。实验发现，受安装位置限制且检测距离又相对较远，当两个传感器的间隔距离较近时，传感器会出现误检测。分析造成误检测的原因有两个方面：当红外接收器位于同一侧时，由于光线散射，来自任一红外发射器的光线都会照射到两个接收器上，接收器分辨不出是哪个光路被遮挡；当接收器位于两侧时，上述问题得到克服，但又出现新的问题，即当人体的反射光投射到两侧的接收器时，两传感器也会出现串扰现象并造成误检测。因此，必须根据实际情况，对红外传感器进行革新设计，以提高系统的可靠性和准确性。

基于单片机和红外接收模组设计双调制频率双光路可逆计量传感器[7]，包括红外发射电路、红外接收和控制电路。可逆计量红外传感器系统由两组透射式光电传感器构成，为避免环境光干扰和传感器间的串扰，传感器采用双调制频率红外光技术。因此，传感器具有双光路、双调制频率的技术特征。通过交替发射不同频率的调制光，并分时检测人体遮断光路的次序，实现对出入教室人员的方向检测，因此，传感器还具有输出可逆计量信息的特征。革新设计的传感器为微控器控制系统提供了可靠的人员出入教室的信息，保障了系统的可靠性和准确性。传感器尺寸小巧，方便安装和应用。

双调制频率双光路可逆计量传感器构成 图2为双调制频率双光路可逆计量传感器的电路原理图。图2中红外发光二极管L1、L2和限流电阻R1、R2构成红外发射电路，红外光电接收模组IR38、IR56构成红外接收电路，其中L1与IM56构成一透射式检测光路A，IR56的中心接收频率为56 kHz；L2与IR38构成另一红外检测光路B，IR38的中心接收频率为38 kHz。A、B光路分时交替工作，即A光路发射56 KHz调制光时，B光路停止发射；B光路发射38 KHz调制光时，A光路停止发射。因此，任一时刻只有一个接收器能够正常接收，具有光路的识别作用，从而避免两光路的串扰，并且能够分辨出哪个光路被遮断。

A、B光路的工作由单片机STC15F104E控制，其为一8引脚的小尺寸单片机，具有6个可编程I/O口，内建系统资源丰富，适于传感器的小型化设计。A光路由P3.3口驱动，接收信号输入到单片机P3.1口；B光路由P3.2口驱动，接收信号输入到单片机P3.0口；驱动信号由单片机的软件系统产生；接收信号经软件系统行逻辑运算后经P3.4、P3.5输出可逆计量信号，经J1接口输入教室人数智能化统计与显示系统。

可逆计量传感器调制频率选择 设传感器发射f1和f2两个频率的红外脉冲光信号，接收电路采用两个中心频率分别为f1和f2的光电接收模组作为光信号检测元件，与红外发射电路构成A、B检测光路。当两光路距离较近，A、B光路同时工作时，A、B光路必然会产生信号叠加，若f1≠f2，尽管接收器件具有选频功能，也无法识别哪个光脉冲信号是来自哪个光路；A、B光路分时交替工作时，若f1=f2，虽然A、B光路不会产生信号叠加，但由于光外光散射，两个接收器会同时接收到光脉冲信号，接收器也不能识别光路A、B。

要想识别A、B光路，应选择f1≠f2，且应分时交替工作模式。根据连续脉冲的傅里叶变换，两倍频信号幅度相对较高[8]，当2倍频等于接收器的中心频率时，中心频率较高的接收器会对2倍频信号进行误解调。因此，当2f1=f2或2f2=f1时，亦可能产生光信号间的串扰。为了增加A、B光路的辨识度，应选取频率2f1>f2或2f2>f1。根据红外接收器件的性能参数，优选的频率分别为f1=38 kHz，f2=56 kHz。

实验证明，传感器克服了两光路间的串扰现象，简化了应用现场的安装。

4 系统应用结果

系统安装与调试 图3是室外显示器效果图，图4是室内显示器效果图。显示器采用共阳LED数码管设计，室外显示器的“正在上课”提示状态采用LED背光板显示。两显示器的显示格式相同，其中“空位数”与“倒计时”采用公共显示窗，显示何种数据由LED指示灯表示，上课时显示倒计时，下课后或考勤期间显示剩余座位数，室内与室外的时钟显示窗数据相同。室内显示器安装在室内门口一侧，高度以方便操作键盘为准；室外显示器安装在室外墙壁上，安装高度以观察方便为准。

传感器的两路发射和两路接收分别采用一体化小型设计，安装简便。实验证明，检测人的肩部以上部位可以避免手臂对测量的影响，综合考虑人员的身高情况后，将传感器安装在教室门口两侧距地面约1.5米高的位置，按照A光路在外、B光路在内的约定，两光路水平安装传感器。

系统在考勤和下课工作状态时，有人进入教室，显示器的室内人数加“1”，同时显示器的空位数减“1”，时钟显示窗显示时间。启动“上课”后，自动停止考勤功能，点亮室外显示器的“正在上课，请勿打扰”显示区，并启动倒计时功能。室内显示器的键盘系统用来设置每个教室座位总数、作息时间和校准时钟；微控器电路系统和电源系统安装在室内显示器内。

系统应用结果 表1、表2是该系统应用前后连续4个周的考勤统计情况。未使用该系统时，请假、旷课人数平均每天7人以上；使用该系统后，每天最多仅为4人，迟到人数也由使用该系统前的平均每天9～11人降为0～5人，准时到课率大大提高。上课和自习期间被打扰次数由原来的平均每天10次以上降为5次以下。统计结果表明，使用教室人数智能统计与显示系统后，学生的到课情况显著改善，被打扰的次数明显降低，为现代化办学提供了一套先进的教学管理设备。

5 结束语

革新设计的双调制频率双光路可逆计量传感器，避免了环境光干扰和传感器间的串扰，为微控器系统提供了可靠的出入教室人员的信息，实现自动考勤功能，提高了准时到课率和教学质量。剩余座位统计和免打扰提醒功能，方便了学生寻找空余座位，提高了自修学习的效率，改善了学习环境。系统的多信息统计和显示功能不仅方便了授课教师掌控教学环节，而且有利于提高学校的教学水平和管理水平。

参考文献

[1]章通，陈金玉.网络指纹考勤系统的设计与实现[J].计算机应用与软件，2011，28（2）：73-75.

[2]叶继华，陈亚慧.基于LBPT方法的彩色人脸图像识别[J].系统仿真学报，2016，28（1）：160-166.

[3]吴钢，于光磊.各类高校学生评价教师课堂教学的调查研究[J].高校教育管理，2012，6（1）：80-85.

[4]STC89C52系列单片机器件手册[EB/OL].http：//www.stcmcu.

com/datasheet/STC89C52.pdf.

[5]马风玲，张海潮，郑伯明，等.双路双频可逆计量红外传感器[P].中国专利：ZL201520980827.3，2016-04-06.

[6]冯笑笑，胡佳娟，吴偏偏，等.红外光电传感器的性能分析与应用[J].苏州大学学报：工科版，2012，32（1）：11-14.

[7]邱召運，李述香，等.基于红外接收模组的智能光电开关设计[J].传感器世界，2009，15（1）：29-32.

[8]郑戟明，曹玉茹，等.分数傅里叶变换在图像加密中的应用[J].实验室研究与探索，2010，29（11）：44-47.