基于嵌入式系統(tǒng)的智能自習(xí)室設(shè)計(jì)

張歆彤

（西北民族大學(xué) 電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124）

嵌入式系統(tǒng)是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。與個(gè)人計(jì)算機(jī)這樣的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行的是帶有特定要求的預(yù)先定義的任務(wù)。由于嵌入式系統(tǒng)只針對(duì)一項(xiàng)特殊的任務(wù)，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)λM(jìn)行優(yōu)化，減小尺寸降低成本[1]。嵌入式系統(tǒng)通常進(jìn)行大量生產(chǎn)，所以單個(gè)的成本節(jié)約，能夠隨著產(chǎn)量進(jìn)行成百上千的放大。嵌入式系統(tǒng)的核心是由一個(gè)或幾個(gè)預(yù)先編程好以用來(lái)執(zhí)行少數(shù)幾項(xiàng)任務(wù)的微處理器或者單片機(jī)組成。與通用計(jì)算機(jī)能夠運(yùn)行用戶選擇的軟件不同，嵌入式系統(tǒng)上的軟件通常是暫時(shí)不變的，所以經(jīng)常稱為“固件”。由嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品工作穩(wěn)定，可靠性高[2]。

1 嵌入式系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

一個(gè)嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，如圖1所示，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對(duì)象，它可以接受嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。執(zhí)行裝置可以很簡(jiǎn)單，如手機(jī)上的一個(gè)微小型的電機(jī)，當(dāng)手機(jī)處于震動(dòng)接收狀態(tài)時(shí)打開(kāi)；也可以很復(fù)雜，如SONY智能機(jī)器狗，上面集成了多個(gè)微小型控制電機(jī)和多種傳感器，從而可以執(zhí)行各種復(fù)雜的動(dòng)作和感受各種狀態(tài)信息。

2 總體設(shè)計(jì)

（1）智能自習(xí)室系統(tǒng)運(yùn)用指紋識(shí)別功能開(kāi)門，能夠記錄自習(xí)室內(nèi)的人數(shù)并顯示出來(lái)。

（2）智能自習(xí)室系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)自習(xí)室內(nèi)的光線強(qiáng)度，同時(shí)檢測(cè)自習(xí)室相應(yīng)位置是否有人以決定是否為用戶提供照明。

（3）智能自習(xí)室系統(tǒng)還可以自動(dòng)檢測(cè)并調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，當(dāng)室內(nèi)溫度超出設(shè)定范圍就可進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，打開(kāi)風(fēng)扇，溫度過(guò)低時(shí)，啟動(dòng)供暖設(shè)施，使室內(nèi)始終保持在適宜的溫度范圍內(nèi)。

（4）智能自習(xí)室系統(tǒng)采用智能監(jiān)控設(shè)備對(duì)自習(xí)室內(nèi)的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1 嵌入式系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)所使用的具體模塊

（1）單片機(jī)：采用Atmel公司的STC89C52作為控制核心。（2）指紋識(shí)別模塊：采用FPM10A模塊進(jìn)行指紋識(shí)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(jìn)行溫度感應(yīng)。（6）煙霧傳感器模塊：采用MQ-2煙霧氣敏傳感器進(jìn)行煙霧檢測(cè)。（7）光線檢測(cè)模塊：采用光敏電阻傳感器進(jìn)行光線檢測(cè)。（8）驅(qū)動(dòng)模塊：采用+12 V穩(wěn)壓源和300 mA恒流源。

4 智能自習(xí)室系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）智能自習(xí)室可以根據(jù)人物所在位置控制燈光的亮滅，做到人走燈滅。

（2）通過(guò)指紋識(shí)別進(jìn)行門禁控制。

（3）通過(guò)紅外傳感器檢測(cè)進(jìn)出自習(xí)室人數(shù)，從而確定室內(nèi)具體人數(shù)，為尋找空位的同學(xué)節(jié)省時(shí)間。

（4）自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，使室內(nèi)始終保持人體適宜的溫度。

5 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由STC89C52作為主控單元，通過(guò)各個(gè)模塊的配合達(dá)到智能控制的效果。各個(gè)模塊通過(guò)敏感元件采集到相應(yīng)的信息，由于采集到的信息為模擬量，而單片機(jī)只能處理數(shù)字量，所以采集到的信息經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字量傳送到單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，單片機(jī)計(jì)算完成后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)模塊進(jìn)行動(dòng)作。首先，指紋識(shí)別模塊識(shí)別到指紋后，將指紋信息發(fā)送到單片機(jī)內(nèi)與指紋庫(kù)中的指紋進(jìn)行對(duì)比，識(shí)別成功后驅(qū)動(dòng)電機(jī)打開(kāi)自習(xí)室的門。紅外傳感器將檢測(cè)到的人數(shù)信息發(fā)送到單片機(jī)，經(jīng)處理后在顯示模塊上進(jìn)行自習(xí)室內(nèi)人數(shù)的顯示。光線檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境的明暗程度以進(jìn)行燈光亮度的調(diào)整。此外，溫度傳感器模塊和煙霧傳感器模塊不斷檢測(cè)室內(nèi)的溫度和煙霧情況，并將信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行處理，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行降溫，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)驅(qū)動(dòng)供暖設(shè)施加溫，當(dāng)煙霧濃度過(guò)高時(shí)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲。

在實(shí)際搭建的過(guò)程中，借助最小系統(tǒng)板通過(guò)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(tǒng)板的串口用于直接從PC端下載程序到單片機(jī)中。系統(tǒng)硬件框如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框

6 軟件設(shè)計(jì)

智能自習(xí)室系統(tǒng)是以STC89C52為核心，多個(gè)模塊集合而成的系統(tǒng)，因此利用模塊化方式對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，程序采用C語(yǔ)言編寫，主要包含主控制程序、指紋識(shí)別對(duì)比程序、紅外感應(yīng)程序、光線感應(yīng)程序、溫度檢測(cè)程序、煙霧檢測(cè)程序、液晶顯示屏顯示程序以及各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)程序等。各個(gè)

模塊的程序所使用的算法不同，要根據(jù)各模塊具體的功能進(jìn)行編寫。在編寫主程序時(shí)，首先要對(duì)各功能模塊進(jìn)行初始化，啟動(dòng)各模塊的功能，然后根據(jù)各模塊返回的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)編寫調(diào)用驅(qū)動(dòng)模塊的程序。在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，不停地查詢與各個(gè)檢測(cè)模塊相連的單片機(jī)I/O口，一旦查詢到I/O口有信號(hào)，就進(jìn)入相應(yīng)的子程序其執(zhí)行程序，從而控制整個(gè)智能自習(xí)室系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，不斷地重復(fù)上述過(guò)程，使自習(xí)室系統(tǒng)達(dá)到能夠智能控制的目的。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程

7 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于嵌入式系統(tǒng)的智能自習(xí)室設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)以STC89C52為核心，通過(guò)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(gè)能夠自動(dòng)控制的智能系統(tǒng)。各個(gè)傳感器定時(shí)地采集室內(nèi)和室外的環(huán)境數(shù)據(jù)，并送入單片機(jī)內(nèi)部，單片機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能化地分析、處理，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的模塊控制相應(yīng)的傳感器，使得整個(gè)系統(tǒng)在不需要人為干擾的情況下，能夠有條不紊地工作。該系統(tǒng)為在校學(xué)生提供了便捷化、智能化的服務(wù)，節(jié)省了同學(xué)們的占座時(shí)間，保證了自習(xí)室內(nèi)的公共財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)還有效地避免了不必要的電能浪費(fèi)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]周青云，王建勛.嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2008（3）：16-20.

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