單片機自習(xí)室管理系統(tǒng)的方案選擇與論證案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u20479單片機自習(xí)室管理系統(tǒng)的方案選擇與論證案例概述 1158851.1設(shè)計總體思路 1166581.2單片機芯片選擇 1249331.3紅外線傳感器選擇 344721.4溫度濕度傳感器 4262521.5數(shù)據(jù)傳輸選擇 5117981.6顯示模塊選擇 5243421.7硬件系統(tǒng)構(gòu)成 61.1設(shè)計總體思路設(shè)計一個可以單獨置于教室內(nèi)的自習(xí)室管理系統(tǒng)：用單片機作為主要核心，兩個紅外傳感器統(tǒng)計室內(nèi)人數(shù)，一個統(tǒng)計進一個統(tǒng)計出，室內(nèi)溫濕度等條件由溫濕度傳感器檢測，液晶顯示屏來顯示當(dāng)前自習(xí)室的座位數(shù)，人數(shù)，余座，溫濕度。最后各項數(shù)據(jù)通過藍牙模塊在手機上顯示。系統(tǒng)整體框架如圖2-1所示：圖2-1系統(tǒng)整體框圖1.2單片機芯片選擇在單片機基礎(chǔ)領(lǐng)域中，比較常用的就是51單片機，它是由Intel的8004單片機逐步發(fā)展而來的，也逐漸成為了目前應(yīng)用最為廣泛的8位單片機之一。尤其是AT89系列是目前51系列領(lǐng)域中比較有代表性的單片機。所以本系統(tǒng)芯片就從51單片機系列的3種表芯片中進行比較選擇[5]。表2-2三種芯片性能比較AT89S52AT89C51STC89C52與MCS-51?產(chǎn)品兼容工作電壓/V工作頻率/Mhz三級程序內(nèi)存鎖定內(nèi)部RAM/位中斷源/個可編程I/O線路/條UART串行通道從斷電模式中斷恢復(fù)看門狗定時器雙數(shù)據(jù)指針電源關(guān)閉標志快速編程時間√4.0-5.50-33√256×8832全雙工√√√√×√4.0-5.50-24√128×8632半雙工×××××√3.8-5.50-35√512×8435半雙工√√未知未知未知上圖便是對51系列三種具有代表性的單片機進行了詳細的比較，首先比較AT89C51和AT89S52在斷電模式中斷恢復(fù)，看門狗定時器，雙數(shù)據(jù)指針，電源關(guān)閉標志，成本這幾種數(shù)據(jù)中顯示AT89C51更勝一籌，但其成本低的同時意味著性能，工作頻率方面將會次于AT89S52。但TC系列具有工作頻率高，內(nèi)部RAM大，可編程I/O線路條數(shù)多的優(yōu)點，并且做了很多改進，具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能，同時成本最低。因為此設(shè)計應(yīng)用于教室，第一需要對人流數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，能對通同學(xué)動作作出快速反應(yīng)，所以需要工作頻率較高的單片機。第二如果是在教室內(nèi)，可以通過USB接口來連接電源，或者用干電池串聯(lián)提供電源，電壓可能不穩(wěn)定。第三從成本方面考慮，此設(shè)計后續(xù)成功應(yīng)用后會向批量生產(chǎn)組成系統(tǒng)網(wǎng)的方向發(fā)展，所以應(yīng)該減少成本。綜合考慮STC89C52芯片從工作頻率，電壓范圍，兼容性，成本，和存儲空間上都優(yōu)于其他芯片，所以最終選擇STC89C52芯片作為本系統(tǒng)的芯片。STC8C52引腳如圖2-3所示：圖2-3STC89C52引腳圖1.3紅外線傳感器選擇由于紅外傳感器的種類比較多，在本設(shè)計中選取了三種市面上常見到的紅外傳感器作比較：HC-SR501它是一種基于紅外線技術(shù)為基礎(chǔ)的自動控制模塊，它采用了德國進口的LH1778探頭設(shè)計，使得它的靈敏度，可靠性等方面都比較優(yōu)越，且采用超低電壓的工作模式，在各類自動感應(yīng)的電器設(shè)備中廣泛被應(yīng)用，尤其在由干電池供電的自動控制器件中應(yīng)用最多；SRO6熱釋電人體紅外傳感器，它的優(yōu)點是體積和靜態(tài)功率都比較小，相應(yīng)速度快，安裝方便，已裝好透鏡排針，配電源，無需調(diào)試，且廣泛用于自動感應(yīng)設(shè)備和單片機系統(tǒng)；E18-D80NK-N它是一種發(fā)射和接受在一個主體上的光電傳感器，發(fā)射的光會通過調(diào)制之后再發(fā)出，然后由接收頭對反射的光進行解調(diào)輸出，這樣可以有效的避免可見光的干擾。在檢測距離方面，因為該型號傳感器中含有透鏡的應(yīng)用，這樣使得檢測最遠的距離可以達到80厘米左右（但由于紅外光的特性，顏色的不同也影響著檢測距離，例如白色物體檢測最遠，黑色物體檢測最近）?？偨Y(jié)來說該傳感去具有探測距離遠，可見光影響小，價格低廉，易操作等優(yōu)點。可以在類似于機器人避障，流水計件等多種場合廣泛應(yīng)用[2]。表2-4三種紅外線傳感器的性能比較HC-SR501SR-602E18-D80NK-N工作電壓DC/V靜態(tài)電流/uA電平輸出高/低觸發(fā)方式延時時間工作溫度/°C感應(yīng)距離/m4.5-20503.3V/0V可重復(fù)/不可重復(fù)8-200s-15-70<73.3-15V203.3V/0V可重復(fù)2s未知<55DC10-153.3V/0V可重復(fù)2s未知<8以上是對三種紅外線傳感器做出的比較，首先從距離的角度看，E18-D80-N的感應(yīng)距離最遠，因為本設(shè)計將應(yīng)用與教室內(nèi)，進入教學(xué)樓的學(xué)生能夠最早接受到信息最好，所以應(yīng)當(dāng)選用感應(yīng)距離最遠的。第二，從延時時間考慮，延時時間越短理論上就可以在相同的時間容納并統(tǒng)計越大的人流量，2s的延時是一個比較合適的值，既不太短在一個人路過的時間內(nèi)不會多次觸發(fā)，又不太長下一個人經(jīng)過時能及時觸發(fā)，進行統(tǒng)計；其他因素相對于教室系統(tǒng)影響不大。綜合考慮，決定傳感器是否合適的核心因素是工作距離和延時時間，均滿足要求的為E18-D80-N模塊，故本系統(tǒng)選擇使用E18-D80-N作為紅外線傳感器。1.4溫度濕度傳感器市面上常見的溫濕度傳感器主要有兩種，一種是DH11溫濕度傳感器，一種是LM35A溫度傳感器，因其市面上正規(guī)且專業(yè)的溫濕度傳感器比較少，所以在本設(shè)計中只選取了這兩種進行比較。DHT11LM35ALM35D溫度量程/°C溫度精度/°C濕度量程/RH濕度精度/RH供電電壓/V輸出電壓/V0-50<220-90%+-5%3.3-5.5≈3-55-150<0.54-30-1-60-100<0.54-30-1-6表2-5三種溫濕度傳感器比較以上便是對常見的兩大類溫濕度傳感器進行比較，由圖表可看出，LM35A系列對于濕度是沒有辦法進行測量的。從供電電壓方面考慮，單片機供電約為5V，對于DHT11溫濕度傳感器來說，在它的工作電壓范圍內(nèi)處于較中間的位置，更加的合適，但對于LM35A溫度傳感器來說它只能剛好滿足最低電壓，因此會影響精度或者出現(xiàn)供電不足等情況。DHT11溫濕度傳感器是一種具有校準數(shù)字信號的復(fù)合型傳感器，其應(yīng)用專門的數(shù)字模塊采集和溫濕度傳感技術(shù)，在保證產(chǎn)品具有較高可靠性的同時也保證了它的長期穩(wěn)定性。且DHT11數(shù)字溫濕度傳感器含有電阻式感濕元件和NTC測溫元件，二者皆與性能高的8位單片機相連，總結(jié)來說DHT11溫濕度傳感器具有品質(zhì)好，響應(yīng)快，抗干擾能力強，性價比高的特點，因其為4針單排引腳封裝，在組裝方面也會比較方便。綜合考慮，首先LM35A不能進行濕度的測量，而且DHT11功能更加全面，電壓更加合適，并且能夠達到系統(tǒng)設(shè)計的要求。所以最終采用DHT11溫濕度傳感器作為本設(shè)計的溫濕度測量元件。1.5數(shù)據(jù)傳輸選擇在選擇傳輸模塊上，比較WIFI模塊與藍牙模塊，選擇了藍牙模塊，在同樣的距離限制下WIFI模塊更容易受信號強弱的影響，無法保證其可靠性，所以選擇了HC-05藍牙模塊。HC-O5實物如圖2-6所示：圖2-6HC-05藍牙模塊實物圖HC-05藍牙模塊主要采用CSR主流藍牙芯片，其輸入電壓的范圍在3.6V-6V中，最大不可超過7V;用戶可以自行設(shè)置其波特率，有1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200等選項;藍牙連接成功與否可以參考連接狀態(tài)指示燈，當(dāng)小燈快速閃爍時，表示此時為藍牙未連接狀態(tài)，小燈緩慢閃爍時，表示此時進入AT命令模式，藍牙連接成功;其板載為3.3V穩(wěn)壓芯片，輸入電壓直流3.3V-6V;未配對狀態(tài)下，電流在30mA左右（可能受指示燈閃爍影響），配對成功后，電流趨于穩(wěn)定，大概在10mA左右[3]。1.6顯示模塊選擇本設(shè)計預(yù)期實現(xiàn)在液晶屏上顯示出座位，余座，溫濕度。預(yù)期顯示方式如下：座位：50人員：04余座：46溫度：28℃濕度：78%而顯示有3種選擇，一是用數(shù)碼管，二是用LCD1602，三是用LCD12864。數(shù)碼管無法顯示漢字，同時如果用英文表示，一次也只能顯示6個字符，無法同時顯示以上所有信息，若要顯示，需要滾動顯示，同時要用英文縮寫表示。LCD1602雖然可以顯示中文，也能同時顯示32個字符,但仍然不足以完整的顯示出上述內(nèi)容，同樣需要滾動播放或者其他方式。LCD12864有128×64的點陣，能夠同時顯示上述所有信息，能夠完成上述信息的中文顯示并且是同時顯示。綜上所述，3種方式理論上都能夠?qū)崿F(xiàn)，但出于效率原因，選擇最適合進行這些信息顯示的LCD12864.下圖為LCD實際顯示情況：1.7硬件系統(tǒng)構(gòu)成所以根據(jù)以上對各個模塊型號的比較，最終選擇了工作頻