【基于單片機(jī)的教室電能智能監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)10000字（論文）】

緒論1.1課題研究背景及意義現(xiàn)代社會(huì)，能源消耗越來越大，節(jié)能控制是目前的主流。教室是培養(yǎng)人才的主要場(chǎng)地，教室的照明質(zhì)量對(duì)學(xué)生用眼健康和學(xué)習(xí)效率有直接影響。受教室開放式使用模式影響，電能浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，開展教室照明系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化改造不僅是國(guó)家綠色發(fā)展的需要，更是創(chuàng)建綠色校園、履行社會(huì)責(zé)任的理性選擇。因此開發(fā)設(shè)計(jì)一種價(jià)格低廉、功耗低、具有自動(dòng)控制功能的教室智能監(jiān)管系統(tǒng)顯得尤為必要。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，智能照明系統(tǒng)被越來越廣泛地接受和使用，這類產(chǎn)品更是層出不窮。正確的照明控制方式是實(shí)現(xiàn)照明藝術(shù)性和舒適性的有效手段，是節(jié)約能源的有效措施。綠色照明是指所用照明產(chǎn)品高效率長(zhǎng)壽命、節(jié)電、節(jié)能、低噪音、低諧波﹑低電磁干擾。在照明設(shè)計(jì)中，合理和正確地選用照明控制方式，不僅是經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的良好統(tǒng)一，也是一個(gè)實(shí)現(xiàn)“綠色照明”的重要環(huán)節(jié)。單片機(jī)電子技術(shù)的發(fā)展為教室智能照明系統(tǒng)帶來革命性的跨越，現(xiàn)代電子智能家居產(chǎn)品多利用單片機(jī)進(jìn)行核心調(diào)控，如智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能感應(yīng)窗簾系統(tǒng)、自動(dòng)傳菜機(jī)器人、掃拖一體機(jī)、智能消毒系統(tǒng)等等，都是利用單片機(jī)技術(shù)搭建各類傳感器、無線技術(shù)、顯示模塊、報(bào)警系統(tǒng)等功能模塊推進(jìn)智慧電子設(shè)備行業(yè)的進(jìn)步和更新迭代，但由于市場(chǎng)具有一定潛藏的壟斷性，當(dāng)前智能電子設(shè)備性價(jià)比還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到大眾可以接受的程度?；诖耍疚臄M設(shè)計(jì)一款可以兼顧自動(dòng)感應(yīng)、智能開關(guān)和具備學(xué)生簽到管理等功能的教室電能監(jiān)管系統(tǒng)，最大化節(jié)省功耗，為市場(chǎng)多提供一份選擇，這類需求在市場(chǎng)上有需求，有研究設(shè)計(jì)意義。1.2論文的結(jié)構(gòu)安排第一章，緒論。主要描述了本次研究的需求所在及設(shè)計(jì)初衷，借助互聯(lián)網(wǎng)上的社會(huì)調(diào)研數(shù)據(jù)和國(guó)內(nèi)外研究實(shí)例來進(jìn)一步說明設(shè)計(jì)的必要性和意義。第二章，主要的框架設(shè)計(jì)。根據(jù)所需要實(shí)現(xiàn)的功能點(diǎn)畫出整個(gè)系統(tǒng)框架，針對(duì)框架中核心主控和外設(shè)部件的選型，比對(duì)主流市場(chǎng)常見方案的優(yōu)劣，同時(shí)考慮成本和推廣價(jià)值，明確最終的設(shè)計(jì)方案，為下一步的詳細(xì)設(shè)計(jì)做鋪墊。第三章，硬件電路設(shè)計(jì)。根據(jù)上一節(jié)的硬件選型進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)，首先完成單片機(jī)最小系統(tǒng)和所需供電電源電路的設(shè)計(jì)，其次完成各功能模塊部件的設(shè)計(jì)，最終完成信號(hào)連接整合。第四章，軟件設(shè)計(jì)。通過將功能需求分成多組模組，可劃分為信號(hào)采集功能模組，數(shù)據(jù)處理功能模組和控制驅(qū)動(dòng)功能模組，針對(duì)各具體程序的邏輯使用流程圖的方式來展示。第五章，系統(tǒng)制作和功能調(diào)試。通過焊接組裝和燒錄步驟完成軟硬件設(shè)計(jì)的整合，實(shí)現(xiàn)一個(gè)可完成預(yù)設(shè)功能的實(shí)物系統(tǒng)，并進(jìn)行功能準(zhǔn)確性和可靠性驗(yàn)證，最終輸出一個(gè)可經(jīng)得起考驗(yàn)的設(shè)計(jì)實(shí)物第六章，總結(jié)。主要針對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過程的缺失、不足以及收獲進(jìn)行整理，從設(shè)計(jì)的質(zhì)量和時(shí)效性兩方面回溯，提取輸出經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為未來的學(xué)習(xí)和工作提供更好的方法。

2教室電能監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)教室電能監(jiān)管系統(tǒng)產(chǎn)品在市場(chǎng)上已存在多種實(shí)現(xiàn)形態(tài)，其中較主流的方案均是利用一個(gè)集成處理器芯片來控制功能模塊完成，基于傳感器通信技術(shù)的快速提升，整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)分為由硬件元件連接組成的環(huán)境采集和學(xué)生體征采集完成數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)液晶屏直觀顯示和電器控制設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。整個(gè)教室電能監(jiān)管系統(tǒng)整體框架圖如下圖2.1所示。設(shè)計(jì)思路為利用核心處理器對(duì)教室電能監(jiān)管系統(tǒng)輸入模塊的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理驅(qū)動(dòng)后端控制設(shè)備響應(yīng)，最終完成一個(gè)教室電能監(jiān)管系統(tǒng)。圖2-1整體框架示意圖2.2主要器件選型與方案論證2.2.1核心控制模塊的選擇方案一：系統(tǒng)的主控芯片選用51系列單片機(jī)的主流產(chǎn)品STC89C52型號(hào)單片機(jī)。單片機(jī)是集成化芯片發(fā)展應(yīng)用的低端形態(tài)，51系列單片機(jī)作為首款跨時(shí)代的單片機(jī)產(chǎn)品在個(gè)人電子用品、公共場(chǎng)所電氣設(shè)備、工業(yè)環(huán)境的監(jiān)測(cè)維保設(shè)備等領(lǐng)域上都得到了長(zhǎng)久的應(yīng)用。STC89C52單片機(jī)是一個(gè)以40管腳外形展示的芯片形態(tài)，內(nèi)部集成了flash存儲(chǔ)單元可實(shí)現(xiàn)控制程序的寫入和調(diào)用，STC89C52單片機(jī)的芯片封裝小在PCB設(shè)計(jì)上不會(huì)有位置空間受限的顧慮，運(yùn)行時(shí)的功耗低且性能可保持穩(wěn)定，可作為布置在戶外長(zhǎng)期運(yùn)行的監(jiān)測(cè)設(shè)備，在節(jié)省能源的同時(shí)確保功能執(zhí)行到位。在多年的應(yīng)用和問題解決上STC89C52單片機(jī)已存在海量的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)庫(kù)和異常處理對(duì)策，在學(xué)習(xí)和應(yīng)用上可獨(dú)自完成且更容易上手。方案二：系統(tǒng)的主控芯片選用MSP系列單片機(jī)的主流產(chǎn)品MSP430型號(hào)單片機(jī)。此型號(hào)單片機(jī)是美國(guó)德州電子TI公司大力推廣的低功耗處理器，單片機(jī)的待機(jī)電壓極低，同時(shí)在喚醒后能夠快速進(jìn)入運(yùn)算工作模式，很好的實(shí)現(xiàn)待機(jī)和工作的切換，處理器在精簡(jiǎn)的指令集和多元化尋址方式兩大MSP430特有優(yōu)勢(shì)下呈現(xiàn)出超一流的運(yùn)算能力，在執(zhí)行各類型多重層級(jí)的控制指令仍然游刃有余，幾乎不會(huì)出現(xiàn)卡頓和出錯(cuò)的情況，也是由于計(jì)算周期的縮短和低功耗特點(diǎn)，MSP430在很多需要快速響應(yīng)和長(zhǎng)時(shí)間工作的戶外基站等設(shè)備得到大量的應(yīng)用，工業(yè)上使用的頻率高，在個(gè)人學(xué)習(xí)和消費(fèi)類市場(chǎng)的占有率不高，一是其使用案例大多應(yīng)用中公司層面，不便于公開；二是MSP430的片內(nèi)存儲(chǔ)空間的程序指令占用率會(huì)高于其他同類型單片機(jī)，使得在功能拓展上存在一定的弊端。方案三：選系統(tǒng)的主控芯片選用ARM嵌入式系列處理器的主流產(chǎn)品STM32型號(hào)單片機(jī)。STM32型號(hào)單片機(jī)的小版本從低配置到高配置應(yīng)有盡有，極大的滿足各種類型的產(chǎn)品應(yīng)用，小至電子鬧鐘大至人臉識(shí)別計(jì)算均有可適配的小版本型號(hào)，STM32單片機(jī)在單個(gè)指令處理周期上能夠同時(shí)識(shí)別并響應(yīng)32位的數(shù)據(jù)內(nèi)容，相當(dāng)于4個(gè)51系列的單片機(jī)同時(shí)處理的效率，因此系統(tǒng)的處理性能在低功耗單片機(jī)范疇中獨(dú)一檔，STM32單片機(jī)的接口數(shù)量也非常多，可支持多功能性的拓展，故此且具備豐富的外設(shè)擴(kuò)展能力。通過將所有這些功能整合成一體,STM32可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)家庭的監(jiān)控管理，從而為用戶提供全方位的智能化服務(wù)。此外還能進(jìn)行語(yǔ)音控制等多種操作。在現(xiàn)智能設(shè)備市場(chǎng)上，智能家居、智能無線傳感器采集系統(tǒng)、智能小車驅(qū)動(dòng)以及人臉識(shí)別的產(chǎn)品應(yīng)用中STM32的市場(chǎng)占有率保持在90%以上，如此龐大的市場(chǎng)應(yīng)用產(chǎn)生了豐厚的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和漏洞缺陷的修復(fù)，以STM32核心的開發(fā)系統(tǒng)以一個(gè)更加成熟的姿態(tài)去適應(yīng)和兼容各類型新型應(yīng)用，更為重要的是量產(chǎn)已久的STM32芯片的價(jià)格早已收回研發(fā)成本，因此在性價(jià)比層面上具有極佳的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)的主控方案有很多種類可選擇，針對(duì)各主控方案的優(yōu)劣勢(shì)也很顯著，因此在對(duì)主控方案的選擇時(shí)一定要充分考慮設(shè)計(jì)的背景以及所需要實(shí)現(xiàn)的功能接口數(shù)量，不能出現(xiàn)設(shè)計(jì)階段才發(fā)現(xiàn)接口不足以支撐整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的低級(jí)錯(cuò)誤，另外整個(gè)設(shè)計(jì)的兼容性也需要放在首要考慮，因?yàn)楹罄m(xù)的功能器件選型也是基于主控模塊的適配程度來處理，最后便是整個(gè)設(shè)計(jì)成本要在可控范圍內(nèi)，否則就不具備可量產(chǎn)化和推廣性，基于兼容性、接口個(gè)數(shù)以及產(chǎn)品性價(jià)比三個(gè)維度來考量，最終選擇STM32單片機(jī)處理器。2.2.2液晶顯示模塊的選擇方案一：教室電能監(jiān)管系統(tǒng)利用老式的LED數(shù)碼管來顯示充電電壓數(shù)值以及工作狀態(tài)。LED數(shù)碼管是顯示技術(shù)的鼻祖，早期的工程師利用8個(gè)可自由控制亮滅的LED燈來組成一個(gè)LED數(shù)碼管，通過自由LED燈亮滅組合實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)字字符的顯示，由于顯示內(nèi)容的局限性，通常使用多個(gè)數(shù)碼管來同時(shí)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。數(shù)碼管的組成原料非常簡(jiǎn)單，且并不涉及液晶所使用的化學(xué)材料等，因此在使用過程環(huán)保，具有易修復(fù)性，也正是有以上的優(yōu)勢(shì)LED數(shù)碼管通常保有很長(zhǎng)的生命周期，LED數(shù)碼管的優(yōu)缺陷都很突出，使用的選擇要考慮最終投入的應(yīng)用場(chǎng)景的光線強(qiáng)度，顯示內(nèi)容的篇幅以及刷新頻率等等。方案二：教室電能監(jiān)管系統(tǒng)利用LCD1602液晶屏來顯示充電電壓數(shù)值以及工作狀態(tài)。LCD1602液晶屏模組是由一片可支持16*2字符同時(shí)顯示的LCD顯示屏和一個(gè)驅(qū)動(dòng)主控芯片組成，通常出廠狀態(tài)做出一個(gè)排針信號(hào)接入的形態(tài)成為一個(gè)常規(guī)的通用件，個(gè)人學(xué)習(xí)使用和實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用上都有很大的便利性，使用時(shí)僅需對(duì)其提供5V的供電電壓，EN使能腳保持常高，CLK時(shí)鐘信號(hào)和SDA數(shù)據(jù)信號(hào)與主控單元按照液晶屏的顯示驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行連接和驅(qū)動(dòng)就可完成液晶屏的背光點(diǎn)亮和顯示內(nèi)容的呈現(xiàn)。LCD1602相比數(shù)碼管的優(yōu)勢(shì)在于顯示內(nèi)容的多樣性，且整體設(shè)計(jì)的復(fù)雜度也較低，即便是存在問題，也能夠找到很多以往的問題總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。方案三：選擇OLED12864液晶屏來完成系統(tǒng)的顯示界面需求。OLED液晶是新一代的液晶顯示技術(shù)，在成熟的LCD液晶顯示技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，OLED在正常通電下即可實(shí)現(xiàn)發(fā)光，無需一個(gè)獨(dú)立的背光層，因此OLED液晶屏的尺寸厚度相對(duì)薄一些，且OLED具備彎曲性，現(xiàn)市面上流行的曲面屏均是OLED工藝制作而成，OLED12866具有顯示內(nèi)容獨(dú)立性的特點(diǎn)，可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)部分背光點(diǎn)亮，無需將整個(gè)背光全部點(diǎn)亮，因此具有較好的節(jié)能特性。同時(shí)由于其采用的TFT結(jié)構(gòu)使顯示屏的功耗大大低于LCD,從而可以降低整體能耗。此外,OLED還擁有很高的對(duì)比度和分辨率以及良好的色域范圍。OLED的像素點(diǎn)顏色切換時(shí)間也就是灰階響應(yīng)時(shí)間極短，在畫面切換和變更時(shí)不會(huì)產(chǎn)生明顯的拖影，產(chǎn)品顯示使用的客戶體驗(yàn)感較之LCD有明顯提升，OLED12864的液晶屏信號(hào)管腳的數(shù)量?jī)H為6-8個(gè)，也遠(yuǎn)小于LCD的16個(gè)以上管腳數(shù)，節(jié)省了單片機(jī)主控的接口使用數(shù)量，便于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更多擴(kuò)展，非常適用于學(xué)生自我學(xué)習(xí)的開發(fā)研究和一些簡(jiǎn)易的電子帶顯示產(chǎn)品。如上針對(duì)三種液晶屏的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行說明，LED數(shù)碼管是最基礎(chǔ)最老式的顯示方式，LCD是使用最廣泛的一種改善型顯示方式，OLED則是現(xiàn)階段市面上最主流最高級(jí)的顯示方式，鑒于本次教室電能監(jiān)管系統(tǒng)的顯示需求及可能應(yīng)用的場(chǎng)景分析，本次最終選擇OLED12864作為液晶顯示模塊。

3硬件電路設(shè)計(jì)3.1STM32單片機(jī)系統(tǒng)在本次教室電能監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)主控核心處理功能的是STM32單片機(jī)，該單片機(jī)的封裝為BGA封裝、有四排引腳共40個(gè)pin腳，除了VCC電源腳、GND接地腳、RST復(fù)位腳等5個(gè)功能管教外，其余35個(gè)均為數(shù)據(jù)管腳，共分為3組定義為PA*至PB*，每一組數(shù)據(jù)管腳有15個(gè)數(shù)據(jù)引腳，STM32單片機(jī)的片內(nèi)集成了一個(gè)FLASH存儲(chǔ)，可支持重復(fù)擦寫將編譯好的程序燒錄進(jìn)去，隨后單片機(jī)利用尋址、中斷、定時(shí)器等控制指令實(shí)現(xiàn)程序的運(yùn)行和對(duì)后端的控制。單片機(jī)的最小系統(tǒng)包含能保持穩(wěn)定供電的電源模塊，一個(gè)能使開機(jī)起振，運(yùn)行按照固定指令周期的RTC晶振電路，以及一個(gè)可支持外部按鍵進(jìn)行復(fù)位初始化控制的復(fù)位電路，由此三部分共同協(xié)助完成單片機(jī)系統(tǒng)的開啟和穩(wěn)定運(yùn)行。STM32單片機(jī)的供電電壓可支持3.3V-5V，其功耗極低，32位的數(shù)據(jù)處理模式下運(yùn)行響應(yīng)快速，下圖3-1為單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路原理圖。圖3-1STM32單片機(jī)的管腳圖單片機(jī)的晶振電路的主要組成部分就是通過石英晶體振蕩器和外圍的匹配電容，通過石英晶體振蕩器了解其起振的條件和頻率，也是由于有此前豐富的使用案例，在此處設(shè)計(jì)時(shí)就可參照推薦電路進(jìn)行布置，使用8MHz頻率規(guī)格的晶體振蕩器來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)的輸出，若僅靠晶振自行控制震蕩的效果不佳，使得單片機(jī)時(shí)鐘周期會(huì)不斷波動(dòng)，根本無法滿足單片機(jī)控制指令的周期，因此通過在晶振的2個(gè)pin腳接上22PF的匹配電容，通過示波器可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)輸出的晶振波形處于一個(gè)非常穩(wěn)定的正弦波，若出現(xiàn)頻率波動(dòng)不穩(wěn)定的情況需要對(duì)匹配電容進(jìn)行調(diào)整，頻偏的范圍必須控制在±3%以內(nèi)，方可保證頻率不突變，單片機(jī)可正常進(jìn)行指令控制。3.2OLED液晶顯示模塊本次教室電能監(jiān)管系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包含簽到人數(shù)、錄入引導(dǎo)等內(nèi)容，為了讓高校管理人員能夠快速直接的知悉各參數(shù)的變化，也就是需要將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過液晶屏OLED12864實(shí)時(shí)刷新顯示及同步顯示各電器設(shè)備的工作狀態(tài)，OLED12864在正常通電下即可實(shí)現(xiàn)發(fā)光，無需一個(gè)獨(dú)立的背光層，因此OLED液晶屏的尺寸厚度相對(duì)薄一些，OLED12864的外觀結(jié)構(gòu)尺寸約為L(zhǎng)CD1602的一半，但顯示的內(nèi)容是其一倍以上，OLED12866具有顯示內(nèi)容獨(dú)立性的特點(diǎn)，針對(duì)各顯示單元寄存器上的地址為修改數(shù)值可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)部分背光點(diǎn)亮，無需將整個(gè)背光全部點(diǎn)亮，因此具有較好的節(jié)能特性。OLED的像素點(diǎn)顏色切換時(shí)間也就是灰階響應(yīng)時(shí)間極短，在畫面切換和變更時(shí)不會(huì)產(chǎn)生明顯的拖影。OLED12864液晶屏是4管腳的器件，SCL是液晶屏的時(shí)鐘信號(hào)用于實(shí)現(xiàn)液晶屏上電啟動(dòng)和工作時(shí)序的控制，SDA是液晶屏的數(shù)據(jù)顯示信號(hào)用于實(shí)現(xiàn)液晶屏的顯示內(nèi)容輸出，SCL和SDA都與單片機(jī)接口直連，在設(shè)計(jì)時(shí)通過查看OLED12864液晶屏的規(guī)格書中關(guān)于上電時(shí)序進(jìn)行處理，遵循液晶屏的上電邏輯。OLED12864液晶顯示模塊的原理圖如圖3-2所示。圖3-2液晶顯示模塊電路圖3.3傳感器模塊傳感器模塊從概念上來解析就是一款能夠采集外在感官參數(shù)轉(zhuǎn)化成芯片組所能夠識(shí)別的信號(hào)的功能模塊。傳感器模塊的核心部件就是類似人體感官的熱敏、光敏、煙霧等環(huán)感器件，工作原理就是通過以上環(huán)感大類器件來完成外在環(huán)境的輸入端采集隨后通過AD數(shù)模轉(zhuǎn)換，再通過濾波放大電路將參數(shù)更加直觀的體現(xiàn)給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)環(huán)境圈的回環(huán)電路，前端的傳感器采集電信號(hào)，中間過程通過信號(hào)處理電路，后端的主控模塊完成接收和識(shí)別。3.3.1人體紅外傳感器模塊本次系統(tǒng)利用熱釋電紅外傳感器來對(duì)是否有人進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該模塊的主要原理時(shí)利用一個(gè)紅外線進(jìn)行收發(fā)，根據(jù)收發(fā)結(jié)果得到的電平差異推斷出當(dāng)前是否有人。HC-SR501的敏感性極強(qiáng)，可監(jiān)測(cè)到5cm范圍內(nèi)的人體感應(yīng)。HC-SR501的管腳數(shù)為3個(gè)，除了VCC電源腳和GND地腳外，同樣就只需紅外信號(hào)收發(fā)結(jié)果的電平信號(hào)輸出與單片機(jī)直連，便可實(shí)現(xiàn)人體紅外數(shù)據(jù)的采集，整個(gè)連接簡(jiǎn)單，操作方便，設(shè)計(jì)時(shí)將3腳VCC拉到電源供電信號(hào)上，1腳GND與主板的大地信號(hào)互聯(lián)，電平輸出管腳通過連接單片機(jī)定義為人體紅外傳感器的管腳上，即可實(shí)現(xiàn)人體紅外傳感器模塊的設(shè)計(jì)和電路連接。本次系統(tǒng)的人體紅外傳感器原理圖如圖3-3所示。圖3-3人體紅外傳感器模塊電路圖3.3.2指紋采集模塊本設(shè)計(jì)中選用了成熟的STK-AS608指紋識(shí)別模塊作為本次系統(tǒng)的指紋識(shí)別的載體，其實(shí)現(xiàn)指紋采集的基本原理是光學(xué)特性，通過模塊內(nèi)部發(fā)光體與采集面的棱鏡產(chǎn)生對(duì)應(yīng)折射，與折射角反射不同，表面指紋與發(fā)射光的線條不匹配。在CMOS或CCD光學(xué)儀器中，可以立即實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前采集面所放置的指紋特征進(jìn)行識(shí)別，并完成數(shù)據(jù)寫入到單片機(jī)，AS608指紋識(shí)別模塊是一個(gè)4腳模組可使用4pin的ph座子與單片機(jī)進(jìn)行通信，在電路設(shè)計(jì)時(shí)將1腳VCC和VA拉至主板的VCC供電端，4腳與主板大地連接，TXD和RXD收發(fā)信號(hào)與單片機(jī)的PA10、PA9進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，完成最終指紋的采集和識(shí)別。本設(shè)計(jì)中所運(yùn)用到的指紋識(shí)別模塊的原理圖如圖3-4所示。圖3-4指紋傳感器模塊原理圖3.3.3光照傳感器模塊光敏電阻指的是一種電阻值隨著入射光強(qiáng)度的變化而發(fā)生改變的電阻，入射光強(qiáng)度降低，入射光變?nèi)?，電阻值增大，光敏電阻常被廣泛用于光的監(jiān)測(cè)、光的控制及光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。因此，可以通過連續(xù)采集光電導(dǎo)體對(duì)地電壓來獲得燈周圍光強(qiáng)度的變化。光敏電阻是常用的光照采集模塊，該模塊的電路也很簡(jiǎn)單，通過模塊表面的光感材料和內(nèi)部具有轉(zhuǎn)化電平信號(hào)的集成電路，可實(shí)現(xiàn)光照值采集一體化實(shí)現(xiàn)的效果，光敏采集模塊的管腳數(shù)為3個(gè)，除了VCC電源腳和GND地腳外，就只需將一根信號(hào)輸出D0與單片機(jī)直連，便可實(shí)現(xiàn)光照值的采集，整個(gè)連接簡(jiǎn)單，操作方便，設(shè)計(jì)時(shí)將1腳VCC拉到電源供電信號(hào)上，2腳GND與主板的大地信號(hào)互聯(lián)，信號(hào)輸出管腳通過連接單片機(jī)定義為光照值傳感器的管腳上，即可實(shí)現(xiàn)光照值傳感器模塊的設(shè)計(jì)和電路連接。如圖3-5所示。圖3-5光照傳感器模塊原理圖3.3.4人臉采集模塊本次設(shè)計(jì)選用了openmv模塊來進(jìn)行人臉識(shí)別，OpenMV是一個(gè)開源，低成本，功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺模塊。以STM32F427CPU為核心，集成了OV7725攝像頭芯片，在小巧的硬件模塊上，用C語(yǔ)言高效地實(shí)現(xiàn)了核心機(jī)器視覺算法。攝像頭模塊電路如下圖3-6所示，GND腳連接大地，在3.3V穩(wěn)定正常供電后，OV_SCL和OV_SDL兩組圖像輸出的時(shí)鐘信號(hào)就驅(qū)動(dòng)往OV_PCLK寫入數(shù)據(jù)，后端完成讀取并轉(zhuǎn)換成圖片格式輸出至單片機(jī)內(nèi)。圖3-6人臉采集識(shí)別模塊原理圖圖3-7系統(tǒng)連接圖

4教室電能監(jiān)管系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案4.1開發(fā)軟件介紹單片機(jī)的軟件編程使用的C語(yǔ)言在Keiluvision5的環(huán)境下進(jìn)行編譯，該軟件具有很強(qiáng)的芯片兼容性，從AT系列的51單片機(jī)至ARM系列的STM32單片機(jī)均可在此平臺(tái)上編譯和開發(fā)，軟件界面非常簡(jiǎn)潔，從建立工程開啟，隨后完成各調(diào)用的子程序函數(shù)，利用一個(gè)main函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)各功能子程序的調(diào)用，在編譯的方式上通過模塊化，使得整個(gè)系統(tǒng)的程序不繁雜，并且在定位問題時(shí)也容易定位具體執(zhí)行錯(cuò)誤的子程序位置，編譯完成后運(yùn)行無誤即可生成hex文件，使用串口燒入工具實(shí)現(xiàn)下載至單片機(jī)的Flash中，驅(qū)動(dòng)單片機(jī)完成預(yù)設(shè)功能的執(zhí)行。軟件調(diào)試界面如圖4.1所示。圖4-1系統(tǒng)軟件編程界面圖4.2主程序設(shè)計(jì)本次教室電能監(jiān)管系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)，程序運(yùn)行的第一步也是關(guān)鍵的一步，需完成初始化配置，將此前已記錄的程序運(yùn)行節(jié)點(diǎn)與狀態(tài)數(shù)據(jù)清除，調(diào)用液晶屏顯示函數(shù)，將預(yù)設(shè)的顯示字符段通過調(diào)用呈現(xiàn)出來，當(dāng)以上系統(tǒng)準(zhǔn)備階段完成后，處于等待采集信號(hào)輸入或?qū)ψ兓碾娖叫盘?hào)識(shí)別的數(shù)據(jù)處理過程，本次教室電能監(jiān)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入主要有指紋輸入傳感器及光照傳感器、人體紅外傳感器的電平信號(hào)變化數(shù)值和人臉判斷結(jié)果。完成以上變量數(shù)據(jù)的識(shí)別后關(guān)鍵在于對(duì)數(shù)據(jù)的處理和響應(yīng)，完成數(shù)據(jù)的加減操作，若識(shí)別正確的人臉和指紋方可進(jìn)入教室，實(shí)現(xiàn)智能人員管理的功能，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)智能照明控制，系統(tǒng)的核心分析處理就在于實(shí)現(xiàn)對(duì)光照參數(shù)的數(shù)值分析，與系統(tǒng)設(shè)置的正常照明閾值區(qū)間循環(huán)調(diào)用比對(duì)，低于照明閾值下限且有人就會(huì)調(diào)用并驅(qū)動(dòng)開燈程序，系統(tǒng)主程序的整體流程如下圖4-2所示。圖4-2系統(tǒng)主程序流程圖4.3傳感器采集程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分的內(nèi)容需利用指紋傳感器和光照傳感器的返回值進(jìn)行識(shí)別，程序開始首先對(duì)傳感器初始化并判斷是否在位，只有傳感器全部在位才會(huì)進(jìn)入下一采集階段，傳感器的狀態(tài)默認(rèn)保持高電平，若電平無變化則未進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)檢測(cè)到有一個(gè)低電平信號(hào)，則單片機(jī)讀取傳感器信號(hào)值并發(fā)送，本次傳感器采集結(jié)束返回，輸出本次的采集數(shù)值，完成該流程后重新進(jìn)入此函數(shù)，并循環(huán)不斷采集和輸出。傳感器采集模塊的采集程序流程圖如圖4-3所示。圖4-3傳感器采集程序流程圖4.4人體檢測(cè)程序設(shè)計(jì)人體檢測(cè)子程序主要是用于系統(tǒng)處于自動(dòng)模式下，如果檢測(cè)到有人，則對(duì)光照的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)合適的光照亮度，在保證系統(tǒng)能夠最大限度節(jié)約能源的情況下，保證整個(gè)系統(tǒng)功能的流程使用，這一程序具體實(shí)現(xiàn)流程如圖4-4所示。圖4-4人體檢測(cè)流程圖4.5光線強(qiáng)度檢測(cè)程序設(shè)計(jì)光線強(qiáng)度檢測(cè)程序主要通過光敏電阻對(duì)環(huán)境的光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，方便單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，按一定的算法實(shí)現(xiàn)燈光亮度的調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)的在黑暗環(huán)境下也能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能的流暢使用，具體流程如圖4-5所示。圖4-5光線強(qiáng)度檢測(cè)流程圖4.6人臉識(shí)別程序設(shè)計(jì)對(duì)于本次人臉識(shí)別的設(shè)計(jì)，首先要完成對(duì)人像照片庫(kù)的寫入，同一個(gè)人像的照片可以寫入多張以便更好的采集特征值，人臉比對(duì)的原理主要通過當(dāng)前實(shí)時(shí)采集的人像數(shù)據(jù)和照片庫(kù)里的所有圖片進(jìn)行比對(duì)，完成特征差異度的比對(duì)輸出，下一步便要判斷差異度，實(shí)時(shí)輸出的差異度要與差異度標(biāo)準(zhǔn)比較，如果符合標(biāo)準(zhǔn)則系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)正常放行，如果超出了差異度標(biāo)準(zhǔn)，則系統(tǒng)無法識(shí)別到正確的人像數(shù)據(jù)不會(huì)驅(qū)動(dòng)通行。人臉識(shí)別門禁控制流程圖如圖4-4所示。圖4-6人臉識(shí)別程序流程圖4.7用戶認(rèn)證模塊設(shè)計(jì)用戶認(rèn)證模塊為進(jìn)入到系統(tǒng)的基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)備份功能來說，因?yàn)槭菍?duì)于整體系統(tǒng)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)功能，所以一般操作人員并沒有此種操作權(quán)限，只是使權(quán)限賦予到高級(jí)別系統(tǒng)管理人員中。在網(wǎng)絡(luò)安管管理系統(tǒng)中的操作人員及安全管理人員角色并不沖突，簡(jiǎn)單來說就是一個(gè)賬號(hào)不僅具備操作人員權(quán)限，還具備系統(tǒng)管理人員權(quán)限。，圖4-5為用戶認(rèn)證模塊的流程。根據(jù)圖4-5表示，在具備系統(tǒng)管理人員權(quán)限賬號(hào)能夠利用系統(tǒng)管理人員的角色，對(duì)教室電能智能監(jiān)管系統(tǒng)登錄，從而看到數(shù)據(jù)備份功能操作接口，進(jìn)入到此操作接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份策略配置，然后實(shí)現(xiàn)在整體級(jí)聯(lián)系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份。對(duì)沒有系統(tǒng)管理人員權(quán)限使用人員，或者具備系統(tǒng)管理員權(quán)限，但是將操作人員角色登錄到教室電能智能監(jiān)管系統(tǒng)使用人員，能夠隱藏?cái)?shù)據(jù)備份操作接口。另外，還要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份操作接口頁(yè)面的處理。利用任何手段進(jìn)入到此功能前都要事先身份驗(yàn)證，只有滿足條件使用功能人員才能夠打開界面，如果使用人員不符合條件，就會(huì)返回失敗信息。圖4-7用戶認(rèn)證模塊的流程

5系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試通過第三章和第四章的軟硬件分模塊設(shè)計(jì)，已完成設(shè)計(jì)階段的任務(wù)，下一階段的任務(wù)就是對(duì)軟硬件設(shè)計(jì)整合，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合功能調(diào)試。針對(duì)第二章的器件選型方案內(nèi)容進(jìn)行物料采購(gòu)，另外對(duì)外圍電路使用到的阻容按鍵等小元件一并購(gòu)買，物料購(gòu)買回來后首先對(duì)物料的規(guī)格書進(jìn)行查閱，了解器件的管腳封裝和定義進(jìn)行設(shè)計(jì)和連接制作。5.1硬件調(diào)試本次教室電能監(jiān)管系統(tǒng)的實(shí)物使用的是萬用板，由于PCB打板周期長(zhǎng)和物流延誤等因素暫放棄使用PCB來進(jìn)行硬件聯(lián)合調(diào)試，在萬用板的布局首先要對(duì)主控模塊的選位做好考慮，因?yàn)榛舅械墓δ苣K和器件都是與單片機(jī)主控管腳直連，若擺放位置不佳，可能會(huì)對(duì)后續(xù)其他功能模塊的布局產(chǎn)生影響，因此首先確定主控的居中位置，在外圍逐步焊下最小系統(tǒng)等功能模塊，通過使用飛線將原理圖對(duì)應(yīng)導(dǎo)通管腳進(jìn)行連接，飛行要避免打結(jié)或過多堆積，可能會(huì)對(duì)信號(hào)和焊接牢靠性產(chǎn)生影響，焊接過程一定要注意不要出現(xiàn)假焊、包焊等焊接不良的問題，可通過萬用表對(duì)導(dǎo)通結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。使用的辦法是利用電烙鐵工具和焊錫來完成，中途在焊接過程可能需要助焊劑才可處理。將各個(gè)模塊的管腳插入洞洞中，并將過長(zhǎng)的管腳剪掉避免與其他干擾源短接造成短路的問題。焊接開啟時(shí)，需要先將原理圖打印出來根據(jù)每一個(gè)模塊封裝對(duì)應(yīng)的管腳連接，焊接完成后一定要檢查是否有錫珠等異物殘留在PCB板上，并使用萬用表對(duì)焊接過程中無法確定是否已正確連接的信號(hào)兩端用導(dǎo)通檔測(cè)試，是否有蜂鳴聲來確認(rèn)，實(shí)物系統(tǒng)制作完好才是最關(guān)鍵的部分，也是調(diào)試部分的一個(gè)良好開端。最終系統(tǒng)的實(shí)物連接圖如圖5.1所示。圖5-1實(shí)物連接圖5.2軟件調(diào)試在完成硬件模塊的連接設(shè)計(jì)后，需要對(duì)硬件模塊寫入控制指令，利用Keil軟件對(duì)各模塊和主函數(shù)進(jìn)行編譯并調(diào)試，通過后可下載入單片機(jī)實(shí)現(xiàn)功能。1、打開KEIL軟件，新建一個(gè)教室電能監(jiān)管系統(tǒng)的工程文件，接著就編寫OLED液晶顯示子模塊、傳感器采集子模塊，隨后在main函數(shù)中寫入調(diào)用各子模塊函數(shù)的指令。2、完成各模塊程序和主程序的編譯后，需點(diǎn)擊運(yùn)行按鍵，實(shí)現(xiàn)跑程序驗(yàn)證是否有執(zhí)行BUG或錯(cuò)誤，可通過記錄顯示的錯(cuò)誤行列對(duì)錯(cuò)誤語(yǔ)句進(jìn)行處理，待全部執(zhí)行無誤才晚上軟件部分的編譯。3、下一步就是將程序處理生成HEX文件，通過USB轉(zhuǎn)串口工具連接單片機(jī)的調(diào)試口實(shí)現(xiàn)程序的燒入，燒錄完成后即可進(jìn)行啟動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試。5.3整機(jī)測(cè)試通過以上硬件焊接和軟件燒錄及整合調(diào)試后系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)光照、指紋以及人臉數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，完成智能光控開燈和熄滅，并可以支持人數(shù)計(jì)數(shù)簽到管理功能，系統(tǒng)調(diào)試符合設(shè)計(jì)功能。

圖5-2實(shí)物連接圖圖5-3實(shí)物連接圖

結(jié)論智能人體特征識(shí)別是個(gè)歷史發(fā)展的趨勢(shì)，是現(xiàn)代化需求的一個(gè)重要體現(xiàn)，通過第二章節(jié)對(duì)整體方案的概述和選項(xiàng)，以及第三第四節(jié)分別對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，終于做出了一個(gè)基于單片機(jī)的教室電能監(jiān)管系統(tǒng)。經(jīng)過第五章的調(diào)試后系統(tǒng)預(yù)期的功能均已得到一一驗(yàn)證，符合設(shè)計(jì)任務(wù)的功能要求，并提出了一套高精度、性價(jià)比極高的教室電能監(jiān)管系統(tǒng)。總結(jié)以來就是利用STM32單片機(jī)作為核心模塊，接入了光照傳感器模塊、人體紅外傳感器、紅外光電模塊、指紋傳感器及人臉采集模塊等采集設(shè)備，并利用LCD12864液晶屏顯示模塊作為人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生簽到和門禁自動(dòng)開啟的教學(xué)管理，并通過光控照明模式實(shí)現(xiàn)教室的節(jié)能自動(dòng)控制。但是由于畢竟本次設(shè)計(jì)的僅是一個(gè)模擬作品，還未對(duì)結(jié)構(gòu)等外觀進(jìn)行完整設(shè)計(jì)，在實(shí)際各類應(yīng)用場(chǎng)合中可靠性方案值得深究，另外準(zhǔn)確度由于未使用真正的溫濕度等工業(yè)級(jí)精度采集儀進(jìn)