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

緒論1.1課題研究背景及意義現(xiàn)代社會，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)人才的主要場地，教室的照明質(zhì)量對學(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)化改造不僅是國家綠色發(fā)展的需要，更是創(chuàng)建綠色校園、履行社會責(zé)任的理性選擇。因此開發(fā)設(shè)計一種價格低廉、功耗低、具有自動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)計中，合理和正確地選用照明控制方式，不僅是經(jīng)濟性和實用性的良好統(tǒng)一，也是一個實現(xiàn)“綠色照明”的重要環(huán)節(jié)。單片機電子技術(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)品多利用單片機進行核心調(diào)控，如智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、智能感應(yīng)窗簾系統(tǒng)、自動傳菜機器人、掃拖一體機、智能消毒系統(tǒng)等等，都是利用單片機技術(shù)搭建各類傳感器、無線技術(shù)、顯示模塊、報警系統(tǒng)等功能模塊推進智慧電子設(shè)備行業(yè)的進步和更新迭代，但由于市場具有一定潛藏的壟斷性，當(dāng)前智能電子設(shè)備性價比還遠遠達不到大眾可以接受的程度?；诖?，本文擬設(shè)計一款可以兼顧自動感應(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，為市場多提供一份選擇，這類需求在市場上有需求，有研究設(shè)計意義。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)計初衷，借助互聯(lián)網(wǎng)上的社會調(diào)研數(shù)據(jù)和國內(nèi)外研究實例來進一步說明設(shè)計的必要性和意義。第二章，主要的框架設(shè)計。根據(jù)所需要實現(xiàn)的功能點畫出整個系統(tǒng)框架，針對框架中核心主控和外設(shè)部件的選型，比對主流市場常見方案的優(yōu)劣，同時考慮成本和推廣價值，明確最終的設(shè)計方案，為下一步的詳細設(shè)計做鋪墊。第三章，硬件電路設(shè)計。根據(jù)上一節(jié)的硬件選型進行模塊化的設(shè)計，首先完成單片機最小系統(tǒng)和所需供電電源電路的設(shè)計，其次完成各功能模塊部件的設(shè)計，最終完成信號連接整合。第四章，軟件設(shè)計。通過將功能需求分成多組模組，可劃分為信號采集功能模組，數(shù)據(jù)處理功能模組和控制驅(qū)動功能模組，針對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)計的整合，實現(xiàn)一個可完成預(yù)設(shè)功能的實物系統(tǒng)，并進行功能準(zhǔn)確性和可靠性驗證，最終輸出一個可經(jīng)得起考驗的設(shè)計實物第六章，總結(jié)。主要針對整個設(shè)計過程的缺失、不足以及收獲進行整理，從設(shè)計的質(zhì)量和時效性兩方面回溯，提取輸出經(jīng)驗總結(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)計方案2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計教室電能監(jiān)管系統(tǒng)產(chǎn)品在市場上已存在多種實現(xiàn)形態(tài)，其中較主流的方案均是利用一個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，進而驅(qū)動液晶屏直觀顯示和電器控制設(shè)備的驅(qū)動。整個教室電能監(jiān)管系統(tǒng)整體框架圖如下圖2.1所示。設(shè)計思路為利用核心處理器對教室電能監(jiān)管系統(tǒng)輸入模塊的信號數(shù)據(jù)進行處理驅(qū)動后端控制設(shè)備響應(yīng)，最終完成一個教室電能監(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系列單片機的主流產(chǎn)品STC89C52型號單片機。單片機是集成化芯片發(fā)展應(yīng)用的低端形態(tài)，51系列單片機作為首款跨時代的單片機產(chǎn)品在個人電子用品、公共場所電氣設(shè)備、工業(yè)環(huán)境的監(jiān)測維保設(shè)備等領(lǐng)域上都得到了長久的應(yīng)用。STC89C52單片機是一個以40管腳外形展示的芯片形態(tài)，內(nèi)部集成了flash存儲單元可實現(xiàn)控制程序的寫入和調(diào)用，STC89C52單片機的芯片封裝小在PCB設(shè)計上不會有位置空間受限的顧慮，運行時的功耗低且性能可保持穩(wěn)定，可作為布置在戶外長期運行的監(jiān)測設(shè)備，在節(jié)省能源的同時確保功能執(zhí)行到位。在多年的應(yīng)用和問題解決上STC89C52單片機已存在海量的設(shè)計經(jīng)驗庫和異常處理對策，在學(xué)習(xí)和應(yīng)用上可獨自完成且更容易上手。方案二：系統(tǒng)的主控芯片選用MSP系列單片機的主流產(chǎn)品MSP430型號單片機。此型號單片機是美國德州電子TI公司大力推廣的低功耗處理器，單片機的待機電壓極低，同時在喚醒后能夠快速進入運算工作模式，很好的實現(xiàn)待機和工作的切換，處理器在精簡的指令集和多元化尋址方式兩大MSP430特有優(yōu)勢下呈現(xiàn)出超一流的運算能力，在執(zhí)行各類型多重層級的控制指令仍然游刃有余，幾乎不會出現(xiàn)卡頓和出錯的情況，也是由于計算周期的縮短和低功耗特點，MSP430在很多需要快速響應(yīng)和長時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，在個人學(xué)習(xí)和消費類市場的占有率不高，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)存儲空間的程序指令占用率會高于其他同類型單片機，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型號單片機。STM32型號單片機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別計算均有可適配的小版本型號，STM32單片機在單個指令處理周期上能夠同時識別并響應(yīng)32位的數(shù)據(jù)內(nèi)容，相當(dāng)于4個51系列的單片機同時處理的效率，因此系統(tǒng)的處理性能在低功耗單片機范疇中獨一檔，STM32單片機的接口數(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)擴展能力。通過將所有這些功能整合成一體,STM32可以實現(xiàn)對整個家庭的監(jiān)控管理，從而為用戶提供全方位的智能化服務(wù)。此外還能進行語音控制等多種操作。在現(xiàn)智能設(shè)備市場上，智能家居、智能無線傳感器采集系統(tǒng)、智能小車驅(qū)動以及人臉識別的產(chǎn)品應(yīng)用中STM32的市場占有率保持在90%以上，如此龐大的市場應(yīng)用產(chǎn)生了豐厚的經(jīng)驗總結(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芯片的價格早已收回研發(fā)成本，因此在性價比層面上具有極佳的優(yōu)勢。系統(tǒng)的主控方案有很多種類可選擇，針對各主控方案的優(yōu)劣勢也很顯著，因此在對主控方案的選擇時一定要充分考慮設(shè)計的背景以及所需要實現(xiàn)的功能接口數(shù)量，不能出現(xiàn)設(shè)計階段才發(fā)現(xiàn)接口不足以支撐整個設(shè)計系統(tǒng)的低級錯誤，另外整個設(shè)計的兼容性也需要放在首要考慮，因為后續(xù)的功能器件選型也是基于主控模塊的適配程度來處理，最后便是整個設(shè)計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、接口個數(shù)以及產(chǎn)品性價比三個維度來考量，最終選擇STM32單片機處理器。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個可自由控制亮滅的LED燈來組成一個LED數(shù)碼管，通過自由LED燈亮滅組合實現(xiàn)一個數(shù)字字符的顯示，由于顯示內(nèi)容的局限性，通常使用多個數(shù)碼管來同時呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。數(shù)碼管的組成原料非常簡單，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LED數(shù)碼管通常保有很長的生命周期，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)用場景的光線強度，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字符同時顯示的LCD顯示屏和一個驅(qū)動主控芯片組成，通常出廠狀態(tài)做出一個排針信號接入的形態(tài)成為一個常規(guī)的通用件，個人學(xué)習(xí)使用和實際產(chǎn)品應(yīng)用上都有很大的便利性，使用時僅需對其提供5V的供電電壓，EN使能腳保持常高，CLK時鐘信號和SDA數(shù)據(jù)信號與主控單元按照液晶屏的顯示驅(qū)動設(shè)計規(guī)則進行連接和驅(qū)動就可完成液晶屏的背光點亮和顯示內(nèi)容的呈現(xiàn)。LCD1602相比數(shù)碼管的優(yōu)勢在于顯示內(nèi)容的多樣性，且整體設(shè)計的復(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。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)上進行優(yōu)化，OLED在正常通電下即可實現(xiàn)發(fā)光，無需一個獨立的背光層，因此OLED液晶屏的尺寸厚度相對薄一些，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)容獨立性的特點，可單獨驅(qū)動部分背光點亮，無需將整個背光全部點亮，因此具有較好的節(jié)能特性。同時由于其采用的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還擁有很高的對比度和分辨率以及良好的色域范圍。OLED的像素點顏色切換時間也就是灰階響應(yīng)時間極短，在畫面切換和變更時不會產(chǎn)生明顯的拖影，產(chǎn)品顯示使用的客戶體驗感較之LCD有明顯提升，OLED12864的液晶屏信號管腳的數(shù)量僅為6-8個，也遠小于LCD的16個以上管腳數(shù)，節(jié)省了單片機主控的接口使用數(shù)量，便于系統(tǒng)實現(xiàn)更多擴展，非常適用于學(xué)生自我學(xué)習(xí)的開發(fā)研究和一些簡易的電子帶顯示產(chǎn)品。如上針對三種液晶屏的優(yōu)缺點進行說明，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3.1STM32單片機系統(tǒng)在本次教室電能監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計中，實現(xiàn)主控核心處理功能的是STM32單片機，該單片機的封裝為BGA封裝、有四排引腳共40個pin腳，除了VCC電源腳、GND接地腳、RST復(fù)位腳等5個功能管教外，其余35個均為數(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個數(shù)據(jù)引腳，STM32單片機的片內(nèi)集成了一個FLASH存儲，可支持重復(fù)擦寫將編譯好的程序燒錄進去，隨后單片機利用尋址、中斷、定時器等控制指令實現(xiàn)程序的運行和對后端的控制。單片機的最小系統(tǒng)包含能保持穩(wěn)定供電的電源模塊，一個能使開機起振，運行按照固定指令周期的RTC晶振電路，以及一個可支持外部按鍵進行復(fù)位初始化控制的復(fù)位電路，由此三部分共同協(xié)助完成單片機系統(tǒng)的開啟和穩(wěn)定運行。STM32單片機的供電電壓可支持3.3V-5V，其功耗極低，32位的數(shù)據(jù)處理模式下運行響應(yīng)快速，下圖3-1為單片機的最小系統(tǒng)電路原理圖。圖3-1STM32單片機的管腳圖單片機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)計時就可參照推薦電路進行布置，使用8MHz頻率規(guī)格的晶體振蕩器來實現(xiàn)單片機的基準(zhǔn)時鐘信號的輸出，若僅靠晶振自行控制震蕩的效果不佳，使得單片機時鐘周期會不斷波動，根本無法滿足單片機控制指令的周期，因此通過在晶振的2個pin腳接上22PF的匹配電容，通過示波器可以發(fā)現(xiàn)此時輸出的晶振波形處于一個非常穩(wěn)定的正弦波，若出現(xiàn)頻率波動不穩(wěn)定的情況需要對匹配電容進行調(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，單片機可正常進行指令控制。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實時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現(xiàn)發(fā)光，無需一個獨立的背光層，因此OLED液晶屏的尺寸厚度相對薄一些，OLED12864的外觀結(jié)構(gòu)尺寸約為LCD1602的一半，但顯示的內(nèi)容是其一倍以上，OLED12866具有顯示內(nèi)容獨立性的特點，針對各顯示單元寄存器上的地址為修改數(shù)值可單獨驅(qū)動部分背光點亮，無需將整個背光全部點亮，因此具有較好的節(jié)能特性。OLED的像素點顏色切換時間也就是灰階響應(yīng)時間極短，在畫面切換和變更時不會產(chǎn)生明顯的拖影。OLED12864液晶屏是4管腳的器件，SCL是液晶屏的時鐘信號用于實現(xiàn)液晶屏上電啟動和工作時序的控制，SDA是液晶屏的數(shù)據(jù)顯示信號用于實現(xiàn)液晶屏的顯示內(nèi)容輸出，SCL和SDA都與單片機接口直連，在設(shè)計時通過查看OLED12864液晶屏的規(guī)格書中關(guān)于上電時序進行處理，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別的信號的功能模塊。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，實現(xiàn)一個環(huán)境圈的回環(huán)電路，前端的傳感器采集電信號，中間過程通過信號處理電路，后端的主控模塊完成接收和識別。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是否有人進行監(jiān)測，該模塊的主要原理時利用一個紅外線進行收發(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，可監(jiān)測到5cm范圍內(nèi)的人體感應(yīng)。HC-SR501的管腳數(shù)為3個，除了VCC電源腳和GND地腳外，同樣就只需紅外信號收發(fā)結(jié)果的電平信號輸出與單片機直連，便可實現(xiàn)人體紅外數(shù)據(jù)的采集，整個連接簡單，操作方便，設(shè)計時將3腳VCC拉到電源供電信號上，1腳GND與主板的大地信號互聯(lián)，電平輸出管腳通過連接單片機定義為人體紅外傳感器的管腳上，即可實現(xiàn)人體紅外傳感器模塊的設(shè)計和電路連接。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)計中選用了成熟的STK-AS608指紋識別模塊作為本次系統(tǒng)的指紋識別的載體，其實現(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，可以立即實現(xiàn)對當(dāng)前采集面所放置的指紋特征進行識別，并完成數(shù)據(jù)寫入到單片機，AS608指紋識別模塊是一個4腳模組可使用4pin的ph座子與單片機進行通信，在電路設(shè)計時將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)信號與單片機的PA10、PA9進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，完成最終指紋的采集和識別。本設(shè)計中所運用到的指紋識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度的變化而發(fā)生改變的電阻，入射光強度降低，入射光變?nèi)酰娮柚翟龃?，光敏電阻常被廣泛用于光的監(jiān)測、光的控制及光電信號的轉(zhuǎn)換。因此，可以通過連續(xù)采集光電導(dǎo)體對地電壓來獲得燈周圍光強度的變化。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)化電平信號的集成電路，可實現(xiàn)光照值采集一體化實現(xiàn)的效果，光敏采集模塊的管腳數(shù)為3個，除了VCC電源腳和GND地腳外，就只需將一根信號輸出D0與單片機直連，便可實現(xiàn)光照值的采集，整個連接簡單，操作方便，設(shè)計時將1腳VCC拉到電源供電信號上，2腳GND與主板的大地信號互聯(lián)，信號輸出管腳通過連接單片機定義為光照值傳感器的管腳上，即可實現(xiàn)光照值傳感器模塊的設(shè)計和電路連接。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)計選用了openmv模塊來進行人臉識別，OpenMV是一個開源，低成本，功能強大的機器視覺模塊。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語言高效地實現(xiàn)了核心機器視覺算法。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兩組圖像輸出的時鐘信號就驅(qū)動往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內(nèi)。圖3-6人臉采集識別模塊原理圖圖3-7系統(tǒng)連接圖

4教室電能監(jiān)管系統(tǒng)軟件設(shè)計方案4.1開發(fā)軟件介紹單片機的軟件編程使用的C語言在Keiluvision5的環(huán)境下進行編譯，該軟件具有很強的芯片兼容性，從AT系列的51單片機至ARM系列的STM32單片機均可在此平臺上編譯和開發(fā)，軟件界面非常簡潔，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main函數(shù)實現(xiàn)對各功能子程序的調(diào)用，在編譯的方式上通過模塊化，使得整個系統(tǒng)的程序不繁雜，并且在定位問題時也容易定位具體執(zhí)行錯誤的子程序位置，編譯完成后運行無誤即可生成hex文件，使用串口燒入工具實現(xiàn)下載至單片機的Flash中，驅(qū)動單片機完成預(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)計本次教室電能監(jiān)管系統(tǒng)的主程序設(shè)計，程序運行的第一步也是關(guān)鍵的一步，需完成初始化配置，將此前已記錄的程序運行節(jié)點與狀態(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，處于等待采集信號輸入或?qū)ψ兓碾娖叫盘栕R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)的識別后關(guān)鍵在于對數(shù)據(jù)的處理和響應(yīng)，完成數(shù)據(jù)的加減操作，若識別正確的人臉和指紋方可進入教室，實現(xiàn)智能人員管理的功能，同時為了實現(xiàn)對智能照明控制，系統(tǒng)的核心分析處理就在于實現(xiàn)對光照參數(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，低于照明閾值下限且有人就會調(diào)用并驅(qū)動開燈程序，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行識別，程序開始首先對傳感器初始化并判斷是否在位，只有傳感器全部在位才會進入下一采集階段，傳感器的狀態(tài)默認保持高電平，若電平無變化則未進行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)檢測到有一個低電平信號，則單片機讀取傳感器信號值并發(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人體檢測程序設(shè)計人體檢測子程序主要是用于系統(tǒng)處于自動模式下，如果檢測到有人，則對光照的強度進行檢測，從而實現(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，保證整個系統(tǒng)功能的流程使用，這一程序具體實現(xiàn)流程如圖4-4所示。圖4-4人體檢測流程圖4.5光線強度檢測程序設(shè)計光線強度檢測程序主要通過光敏電阻對環(huán)境的光照強度進行檢測，將檢測到的數(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，方便單片機進行運算，按一定的算法實現(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光線強度檢測流程圖4.6人臉識別程序設(shè)計對于本次人臉識別的設(shè)計，首先要完成對人像照片庫的寫入，同一個人像的照片可以寫入多張以便更好的采集特征值，人臉比對的原理主要通過當(dāng)前實時采集的人像數(shù)據(jù)和照片庫里的所有圖片進行比對，完成特征差異度的比對輸出，下一步便要判斷差異度，實時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)動正常放行，如果超出了差異度標(biāo)準(zhǔn)，則系統(tǒng)無法識別到正確的人像數(shù)據(jù)不會驅(qū)動通行。人臉識別門禁控制流程圖如圖4-4所示。圖4-6人臉識別程序流程圖4.7用戶認證模塊設(shè)計用戶認證模塊為進入到系統(tǒng)的基礎(chǔ)，對數(shù)據(jù)備份功能來說，因為是對于整體系統(tǒng)級聯(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，簡單來說就是一個賬號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)限賬號能夠利用系統(tǒng)管理人員的角色，對教室電能智能監(jiān)管系統(tǒng)登錄，從而看到數(shù)據(jù)備份功能操作接口，進入到此操作接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)備份策略配置，然后實現(xiàn)在整體級聯(lián)系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份。對沒有系統(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，能夠隱藏數(shù)據(jù)備份操作接口。另外，還要實現(xiàn)數(shù)據(jù)備份操作接口頁面的處理。利用任何手段進入到此功能前都要事先身份驗證，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，就會返回失敗信息。圖4-7用戶認證模塊的流程

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，已完成設(shè)計階段的任務(wù)，下一階段的任務(wù)就是對軟硬件設(shè)計整合，實現(xiàn)聯(lián)合功能調(diào)試。針對第二章的器件選型方案內(nèi)容進行物料采購，另外對外圍電路使用到的阻容按鍵等小元件一并購買，物料購買回來后首先對物料的規(guī)格書進行查閱，了解器件的管腳封裝和定義進行設(shè)計和連接制作。5.1硬件調(diào)試本次教室電能監(jiān)管系統(tǒng)的實物使用的是萬用板，由于PCB打板周期長和物流延誤等因素暫放棄使用PCB來進行硬件聯(lián)合調(diào)試，在萬用板的布局首先要對主控模塊的選位做好考慮，因為基本所有的功能模塊和器件都是與單片機主控管腳直連，若擺放位置不佳，可能會對后續(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應(yīng)導(dǎo)通管腳進行連接，飛行要避免打結(jié)或過多堆積，可能會對信號和焊接牢靠性產(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，可通過萬用表對導(dǎo)通結(jié)果進行驗證。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。將各個模塊的管腳插入洞洞中，并將過長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，需要先將原理圖打印出來根據(jù)每一個模塊封裝對應(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，并使用萬用表對焊接過程中無法確定是否已正確連接的信號兩端用導(dǎo)通檔測試，是否有蜂鳴聲來確認，實物系統(tǒng)制作完好才是最關(guān)鍵的部分，也是調(diào)試部分的一個良好開端。最終系統(tǒng)的實物連接圖如圖5.1所示。圖5-1實物連接圖5.2軟件調(diào)試在完成硬件模塊的連接設(shè)計后，需要對硬件模塊寫入控制指令，利用Keil軟件對各模塊和主函數(shù)進行編譯并調(diào)試，通過后可下載入單片機實現(xiàn)功能。1、打開KEIL軟件，新建一個教室電能監(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，需點擊運行按鍵，實現(xiàn)跑程序驗證是否有執(zhí)行BUG或錯誤，可通過記錄顯示的錯誤行列對錯誤語句進行處理，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的調(diào)試口實現(xiàn)程序的燒入，燒錄完成后即可進行啟動系統(tǒng)測試。5.3整機測試通過以上硬件焊接和軟件燒錄及整合調(diào)試后系統(tǒng)可實現(xiàn)光照、指紋以及人臉數(shù)據(jù)的實時采集，完成智能光控開燈和熄滅，并可以支持人數(shù)計數(shù)簽到管理功能，系統(tǒng)調(diào)試符合設(shè)計功能。

圖5-2實物連接圖圖5-3實物連接圖

結(jié)論智能人體特征識別是個歷史發(fā)展的趨勢，是現(xiàn)代化需求的一個重要體現(xiàn)，通過第二章節(jié)對整體方案的概述和選項，以及第三第四節(jié)分別對系統(tǒng)軟硬件進行設(shè)計，終于做出了一個基于單片機的教室電能監(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證，符合設(shè)計任務(wù)的功能要求，并提出了一套高精度、性價比極高的教室電能監(jiān)管系統(tǒng)?？偨Y(jié)以來就是利用STM32單片機作為核心模塊，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交互界面，實現(xiàn)了學(xué)生簽到和門禁自動開啟的教學(xué)管理，并通過光控照明模式實現(xiàn)教室的節(jié)能自動控制。但是由于畢竟本次設(shè)計的僅是一個模擬作品，還未對結(jié)構(gòu)等外觀進行完整設(shè)計，在實際各類應(yīng)用場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)級精度采集儀進