基于嵌入式系统的智能自习室设计

张歆彤

（西北民族大学 电气工程学院，甘肃 兰州 730124）

嵌入式系统是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”。与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本[1]。嵌入式系统通常进行大量生产，所以单个的成本节约，能够随着产量进行成百上千的放大。嵌入式系统的核心是由一个或几个预先编程好以用来执行少数几项任务的微处理器或者单片机组成。与通用计算机能够运行用户选择的软件不同，嵌入式系统上的软件通常是暂时不变的，所以经常称为“固件”。由嵌入式系统设计的产品工作稳定，可靠性高[2]。

1 嵌入式系统基本结构

一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，如图1所示，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，如SONY智能机器狗，上面集成了多个微小型控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受各种状态信息。

2 总体设计

（1）智能自习室系统运用指纹识别功能开门，能够记录自习室内的人数并显示出来。

（2）智能自习室系统能够自动检测自习室内的光线强度，同时检测自习室相应位置是否有人以决定是否为用户提供照明。

（3）智能自习室系统还可以自动检测并调节室内温度，当室内温度超出设定范围就可进行自动报警，当温度过高时，打开风扇，温度过低时，启动供暖设施，使室内始终保持在适宜的温度范围内。

（4）智能自习室系统采用智能监控设备对自习室内的情况进行实时监控。

图1 嵌入式系统基本结构

3 系统所使用的具体模块

（1）单片机：采用Atmel公司的STC89C52作为控制核心。（2）指纹识别模块：采用FPM10A模块进行指纹识别。（3）显示模块：采用LCD1602液晶显示。（4）红外传感模块：采用光电传感器模块E18-D80NK。（5）温度传感器模块：采用DS18B20进行温度感应。（6）烟雾传感器模块：采用MQ-2烟雾气敏传感器进行烟雾检测。（7）光线检测模块：采用光敏电阻传感器进行光线检测。（8）驱动模块：采用+12 V稳压源和300 mA恒流源。

4 智能自习室系统的特点

（1）智能自习室可以根据人物所在位置控制灯光的亮灭，做到人走灯灭。

（2）通过指纹识别进行门禁控制。

（3）通过红外传感器检测进出自习室人数，从而确定室内具体人数，为寻找空位的同学节省时间。

（4）自动调节温度，使室内始终保持人体适宜的温度。

5 硬件设计

本设计由STC89C52作为主控单元，通过各个模块的配合达到智能控制的效果。各个模块通过敏感元件采集到相应的信息，由于采集到的信息为模拟量，而单片机只能处理数字量，所以采集到的信息经过A/D转换后，将数字量传送到单片机内进行处理，单片机计算完成后驱动相应模块进行动作。首先，指纹识别模块识别到指纹后，将指纹信息发送到单片机内与指纹库中的指纹进行对比，识别成功后驱动电机打开自习室的门。红外传感器将检测到的人数信息发送到单片机，经处理后在显示模块上进行自习室内人数的显示。光线检测模块实时监测室内环境的明暗程度以进行灯光亮度的调整。此外，温度传感器模块和烟雾传感器模块不断检测室内的温度和烟雾情况，并将信息实时传输到单片机进行处理，当温度过高时驱动风扇进行降温，当温度过低时驱动供暖设施加温，当烟雾浓度过高时驱动蜂鸣器发出蜂鸣声。

在实际搭建的过程中，借助最小系统板通过串口烧录程序采用双列直插式将主控芯片STC89C52的所有引脚由排针引出，最小系统板的串口用于直接从PC端下载程序到单片机中。系统硬件框如图2所示。

图2 系统硬件框

6 软件设计

智能自习室系统是以STC89C52为核心，多个模块集合而成的系统，因此利用模块化方式对该系统进行设计，程序采用C语言编写，主要包含主控制程序、指纹识别对比程序、红外感应程序、光线感应程序、温度检测程序、烟雾检测程序、液晶显示屏显示程序以及各个模块的驱动程序等。各个

模块的程序所使用的算法不同，要根据各模块具体的功能进行编写。在编写主程序时，首先要对各功能模块进行初始化，启动各模块的功能，然后根据各模块返回的实时数据编写调用驱动模块的程序。在系统运行的过程中，不停地查询与各个检测模块相连的单片机I/O口，一旦查询到I/O口有信号，就进入相应的子程序其执行程序，从而控制整个智能自习室系统的正常运行。在系统运行的过程中，不断地重复上述过程，使自习室系统达到能够智能控制的目的。系统软件流程如图3所示。

图3 系统软件流程

7 结语

本文提出了基于嵌入式系统的智能自习室设计，该设计以STC89C52为核心，通过红外传感模块、温度模块、烟雾传感器模块等其他模块的配合组成了一个能够自动控制的智能系统。各个传感器定时地采集室内和室外的环境数据，并送入单片机内部，单片机根据接收到的数据，进行智能化地分析、处理，并通过驱动相应的模块控制相应的传感器，使得整个系统在不需要人为干扰的情况下，能够有条不紊地工作。该系统为在校学生提供了便捷化、智能化的服务，节省了同学们的占座时间，保证了自习室内的公共财产安全，同时还有效地避免了不必要的电能浪费。

[参考文献]

[1]周青云，王建勋.嵌入式系统的应用与发展[J].工业仪表与自动化装置，2008（3）：16-20.

[2]李林功，李华玲.嵌入式系统的构成与特点[J].电测与仪表，2003（5）：29-34.