教室人数智能统计与显示系统的研制.docx
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教室人数智能统计与显示系统的研制
题目教室人数智能统计与显示系统的研制
一、选题依据（拟开展研究项目的背景、目的及现实意义）
选题背景：
我国现阶段的考勤方法主要有：
签到、电子钟、IC卡打卡、指纹打卡和人脸图像识别。
签到的最大优点在于成本小，不必购置什么设备即可进行。
签到这种形式较适合于小型公司或临时性考勤，如培训时签到。
电子钟的特点和签到相差不大，但是电子钟避免了员工在签到时随意填写时间的弊端。
这种考勤方法的缺点在于代打卡作弊，很难控制。
IC卡打卡机的优点很多，比如它可以连接门禁，成为保安系统的一部分；IC卡可以实现一卡多用，可以将员工简单资料印制其上，当胸卡使用，还可以和食堂刷卡同用；IC卡打卡机的最大缺点和电子钟一样，代打卡现象无法控制，而且，成本费用也较高。
指纹打卡机的最大优点在于杜绝了代打卡现象，从而实现了考勤的真正公平。
它也可以和IC卡打卡机一样连接门禁，实现对数据的自动化处理。
但是，指纹打卡机由于扫描指纹，敏感度较高。
机器需要精心保养，带来麻烦和成本问题。
人脸图像识别考勤，避免了上述考勤方法的主要问题，但考勤系统庞大，造价高昂，功能单一。
目的意义：
为了能实时监测教室人数,方便各大高校的日常教学及管理活动,研制了教室人数智能统计与显示系统，用于统计教室人数。
另外，考勤只是该系统的一个主要功能，最大的优点是具有多种人性化的功能，为教师和学生提供多种实用化的服务，为营造良好的学习氛围提供帮助，提高学生到课率，提高同学们的上课积极性。
“教室人数智能化统计与显示系统”具有人数统计、剩余座位统计、日历时间显示等功能，而且价格低廉。
教室人数统计功能，便于教师对到课人数的统计，督促同学们准时上课，提高同学们的上课积极性。
而上课计时功能又能提醒教师把控授课时间，避免拖堂而影响同学们的生活与学习。
剩余座位统计与显示功能，能够提醒和告知寻找自习教室的同学，不用开门就清楚教室内有无空余座位，正在上课提示功能，避免由于同学们不知道室内有无空位和是否正在上课带来的干扰，对于营造良好的学习氛围具有重要意义。
本项研究的应用，对于提高学生的到课率、提高教师的授课效果以及改善教室的学习环境，都具有实际价值。
随着科技的发展，对考勤系统的要求也越来越高。
要求系统具有高度稳定性和采集性。
各种考勤系统不断优化，其中基于传感器与单片机的考勤系统具有非接触，稳定性好，准确度高等优点，将有良好的发展前景。
二、文献综述（国内外研究现状分析、主要参考文献）
长期以来，国内外众多的企业都是采用传统的手工方式记录企业员工每日的出勤情况。
这种方式繁琐易错，准确性、透明度、实时性差，受人为因素影响过大，从现在出现的一些考勤管理系统分析[3]，我们可以把企业考勤管理系统从管理功能上大致分为两种：
第一种是门禁安全系统。
门禁安全管理系统主要是解决重要部门出入口实现安全防范管理的有效措施，集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体。
它能够自动识别出入的人员身份，记录人员出入时间等，但一般没有综合的考勤分析功能。
第二种是综合考勤管理系统。
一般为企业管理部门使用，掌握并管理企业的员工出勤动态，一般包括考勤记录和考勤分析两大总体功能。
另外，国内外也有使用光电传感器进行检测的情况[1]。
国内外员工签到系统的研究开发正朝着智能型综合化的方向发展。
签到的成本小，但员工可随意填写自己签到时间。
签到这种形式较适合于小型公司或临时性考勤如培训时签到。
电子钟的特点和签到相差不大，但是电子钟避免了员工在签到时随意填写时间的弊端。
这种考勤方法的缺点在于代打卡作弊，很难控制。
另外，需手动处理数据，这和签到也是一样的。
电子钟同样只适合于小型公司[5]。
IC卡可以实现一卡多用，可以将员工简单资料印制其上，省时省力。
IC卡打卡成本费用高。
当然，小型公司考虑到成本的问题，不必采用这种方法。
指纹打卡机的最大优点在于杜绝了代打卡现象，但是，指纹打卡机由于扫描指纹，敏感度较高[3]。
机器需要精心保养，带来麻烦和成本问题。
人脸图像识别考勤，避免了上述考勤方法的主要问题，但考勤系统庞大，造价高昂，功能单一[7]。
分析发现传统的签到的考勤方法耗时且不方便；IC刷卡考勤的缺点在于可由他人代替考勤；较为先进的指纹扫描考勤可靠性较高，但指纹扫描速度相对较慢；先进的人脸图像识别考勤系统需要配备计算机，系统相对庞大，造价相对高昂。
综上所述，上述考勤方法均不适于课间间隔只有10分钟的教室考勤。
针对此问题，基于微控器并采用双调制频率双光路的可逆计量传感器，研制了一套教室人数智能化统计与显示系统，实现自动、快速考勤的目的。
[1]邱召运,李述香,等.基于红外接收模组的智能光电开关设计[J].传感器世界,2009,01（15）.
[2]郑戟明,曹玉茹,等.分数傅里叶变换在图像加密中的应用[J].实验室研究与探索.2010.11（29）.
[3]章通,陈金玉.网络指纹考勤系统的设计与实现[J].计算机应用与软件.2011.02（28）.
[4]GeorgeJoseph,A.S.ManjunathOpticalinfraredremotesensorsProceedingsoftheIndianAcademyofSciencesSectionC:
EngineeringSciences1994-2Springer期刊
[5]吴钢,于光磊.各类高校学生评价教师课堂教学的调查研究[J].高校教育管理.2012,06
（1）.
[6]ZurongQiu,HaixiuChen,GuoxiongZhang.APhotoelectricMultiple‐WavelengthLiquidDropSensorInstrumentationScience&Technology2003-3Taylor&Francis期
[7]叶继华,陈亚慧.基于LBPT方法的彩色人脸图像识别[J].系统仿真学报,2016.01（28）.
[8]冯笑笑,胡佳娟,吴偏偏,等.红外光电传感器的性能分析与应用[J].苏州大学学报,2012,02.
三、研究方案（主要研究目标、研究内容、研究方法及创新之处）
研究目标与创新：
1.可逆计量红外传感器系统克服了其他考勤装置的功能单一、造价高、浪费时间的缺点，大大提高了效率，同时促进了科技的进步。
2.通过研究单片机的原理和应用及数字显示其的特点，并将其结合在一起，实现教室人数智能化统计与显示系统的的功能，并将其应用于教学与办公领域，特别是用在教室。
3.设计可逆计量红外传感器系统：
可逆计量红外传感器系统包括光学系统、检测元件、转换电路。
红外传感器件要有和发射和接收装置，利用红外线的性质，可将检测到的信息反馈回来，进而可以对数据进行处理。
这就可以对信息进行处理并且具有可逆功能。
研究内容：
1.“教室人数智能化统计与显示系统”主要应用于在教学与办公领域，具有人数统计、剩余座位统计、日历时间显示等功能。
教室人数统计功能：
运用自行研制的可逆计量红外传感器系统，对进出教室的人数自动进行计数统计，比如，进教室即加，出教室即减。
剩余座位统计与显示功能：
根据每个教室的情况设置座位总数，通过计算进入教室人数，显示出剩余座位数。
正在上课提示功能：
如正在上课，屏幕下方显示“上课中”三字，并且“上课中”三字下方有时间计时，提示课堂剩余时间。
2.设计可逆计量红外传感器系统：
可逆计量红外传感器系统由两组透射式光电传感器构成，为避免环境光干扰，传感器将采用调制红外光技术；为避免传感器间的干扰，拟采用双向光路、双调制频率检测技术。
通过人体挡光判断是否有人员出入教室，通过检测挡光次序判断是进入教室还是走出教室，为单片机控制系统提供可靠的人员出入教室的信息，并由单片机控制系统对数据进行处理，然后送显示系统显示数据。
3.设计多功能数码显示系统：
拟采用LED数码显示器设计多功能显示屏，屏幕上方显示总座位数与剩余座位数，屏幕下方显示是否上课或无课，最下方显示日历和时间计时。
4.设计单片机智能控制系统：
智能控制系统拟采用高性能低价格的STC89C52单片机，其内建有中央处理器CPU、8K字节FLASH程序存储器、2K字节的非易失EEPROM、256字节数据存储RAM、系统程序运行监视Watchdog系统等系统资源，为设计单片机智能控制系统提供了方便。
采用单片机设计智能控制系统，使该项研究便于实现数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
研究方法：
1.通过研究单片机的原理和应用及数字显示其的特点，并将其结合在一起，实现教室人数智能化统计与显示系统的的功能，并将其应用于教学与办公领域，特别是用在教室。
2.传感器系统：
采用可逆计量红外传感器系统，可逆计量红外传感器系统包括光学系统、检测元件、转换电路。
检测原件光电检测元件，光电检测元件主要用光敏电阻。
红外传感器件要有和发射和接收装置，利用红外线的性质，可将检测到的信息反馈回来，进而可以对数据进行处理。
这就可以对信息进行处理并且具有可逆功能。
3.设计多功能数码显示系统：
拟采用LED数码显示器设计多功能显示屏，屏幕上方显示总座位数与剩余座位数，屏幕下方显示是否上课或无课，最下方显示日历和时间计时。
4.设计单片机智能控制系统：
智能控制系统拟采用高性能低价格的STC89C52单片机，其内建有中央处理器CPU、8K字节FLASH程序存储器、2K字节的非易失EEPROM、256字节数据存储RAM、系统程序运行监视Watchdog系统等系统资源，为设计单片机智能控制系统提供了方便。
采用单片机设计智能控制系统，使该项研究便于实现数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
摘要
为了方便教师考勤和提高到课率，方便同学们寻找空余自习座位，营造更好的学习环境，提出了一套教室人数智能统计与信息显示系统。
本文在分析了传统考勤方式的适用范围及优缺点的基础上，对该系统的功能设置和适用性进行了研究。
以单片机系统为核心设计主控电路，并扩展了时钟日历芯片和多功能显示系统，采用自行设计的双光路可逆计量红外传感系统，实现到课人数、剩余座位等信息的计量与显示的功能。
结果表明，该系统的人数统计功能显著提高了学生的按时到课率以及学生的上课积极性，空余座位显示功能方便了学生寻找自习教室，大大节省了时间，日历时间显示功能方便老师掌控授课时间，保证按时上下课。
应用该系统可以进一步提高学校的教学水平和管理水平，为现代化办学提供了一套先进的教学管理设备。
关键词：
考勤；单片机；传感器；可逆计量；双调制频率
Abstract
Inordertofacilitatetheattendance,improvetherateofstudentstoclassontime,asetofintelligentstatisticsandinformationdisplaysystemforclassroomattendanceisproposed.Itisconvenientforstudentstofindfreeseatsforstudyandtocreateabetterlearningenvironment.Basedontheanalysisoftheapplicablescopeandadvantagesanddisadvantagesofthetraditionalattendancemode,thispaperstudiesthefunctionalsettingsandapplicabilityofthesystem.ThissystemtakesSingle-chipmicrocomputersystemasthemaincontrolcircuit,andexpandedtheclockcalendarchipandmultifunctiondisplaysystem,andcombinesthedoublelightpathreversiblemeasuringinfraredsensorsystemdesignedbyourselves.Itcanrealizethefunctionofthemeasurementanddisplayofthenumbertoclassandtheremainingseats.Theresultsshowthatthestatisticalfunctionofthesystemsignificantlyimprovestherateofstudentstoclassontime,andthefunctionofsystemtodisplayspareseatsisconvenientforstudentstolookforself-studyclassroom,andthefunctionofsystemtodisplaycalendartimeisconvenientforteacherstocontroltheteachingtimeandensurethattheclassisfinishedontime.Applicationofthesystemcanfurtherimprovetheteachinglevelandmanagementleveloftheschool,andprovidesasetofadvancedteachingmanagementequipmentforthemodernizationofeducation.
Keywords:
Attendance;Microcontrollers;Sensor;ReversibleCounting;Dualmodulationfrequency
引言
国内外的考勤方法多种多样，主要有指纹识别、人脸图像识别、点名、签到、电子钟、IC卡刷卡等。
指纹识别的优点在于可以在一定程度上避免代签到的情况，缺点在于成本较高，如果机器出现故障，可能会造成指纹识别度不高，导致工作人员不能及时指纹打卡签到。
签到的优点在于成本小，方便实施，缺点在于可能会出现代签的情况，一方面员工可能会任意写上下班时间，另一方面，签到得到的数据要经过处理，耗费时间和精力。
电子钟的特点类似于签到，可避免任意填写时间的弊端，但不可避免代替打卡作弊，难以掌控，只适用于小型公司。
人脸图像识别的优点在于可有效避免代签、作弊的问题，但是其系统庞大，成本较高，不适用于高校教学过程中。
点名适用于人数较少的情况，点名数据简单易得，但是在人数较多的时候，这种考勤方式就不合适了。
IC卡刷卡的优点在于可连接门禁，可以和食堂饭卡通用等，可实现一卡多用的目的，数据分析省时省力，但是课间刷卡进出教室并不方便。
以上所述的这些考勤方式各有优点，缺点以及适用范围，但均不适用于教室上课的环境。
高校学生考勤管理系统大多数存在着人工管理效率低、利用率较低、统计困难的问题，不利于掌握学生的考勤信息[1]。
教室人数智能统计与显示系统是一套基于单片机并且采用双调制频率双光路的可逆计量光电传感器的一套装置，适用于课堂考勤，价格低廉。
此系统还有多种显示功能，可显示教室内的人数，日历时间等，直观实时呈现多种信息，操作方便，节省时间。
该系统的课堂考勤功能有利于督促同学们按时上课，教师人数统计功能有利于同学们快速寻找有空余座位的自习教室，避免了同学们寻找自习室时开关门的带来的干扰。
正文
1系统总体构成
1.1系统的功能
“教室人数智能统计与显示系统”具有人数统计、剩余座位统计、日历时间显示等功能。
但是主要的功能是课堂考勤，通过传感器判断是走出教室还是进入了教室来确定教室内的人数，一方面有利于老师快速掌握同学们的到课情况，另一方面可以督促同学们按时到课，从心理角度分析，没有安装这套系统之前，同学们按时到课的意识不强烈，安装之后，具有一定的督促与约束效果。
同时，安装在教室门外的显示器上显示的数据还可以告知同学们教室内的空余座位情况，方便同学们寻找自习教室。
平时，日历时间显示还可以提醒老师以及同学们上课以及下课时间。
系统整体结构简单、成本低、小型化、使用方便，适用于高校及办公领域，有利于提高工作效率，改善教学环境。
1.2系统的构成
如图1所示，系统由传感器系统、室内显示系统、室外显示系统、键盘系统、时钟系统构成。
其中单片机STC89C52为系统的核心控制器件，通过编程，可以实现众多功能。
STC89C52的最高时钟频率可达90MHz，而且价格低、功耗低、稳定可靠、应用于各个领域[2]。
单片机通过P2.0,P2.1.P3.0口扩展一片PCF8563时钟芯片，时钟系统可对时间进行实时反映。
考虑到需要使系统具有可逆判断方向的功能又不至于互相干扰，传感器系统采用一体化设计的可逆计量传感器，传感器的发射和接收分别位于两侧。
一体化设计的可逆计量传感器安装在教室门框两侧大约高1.5米的位置，可以有效检测出入教室人员情况。
发射电路与接收电路通过红外光路构成了无接触式检测系统，广泛用于物位检测和工控领域[3]。
室内和室外各有一套显示系统，室内显示系统显示教室人数和时间，显示图见图2，室外显示系统显示剩余座位数和时间，显示图见图3。
1.3系统工作过程
系统采用一体化设计的可逆计量传感器，两个发射装置分时发射38KHZ和56KHZ的脉冲。
当被检物经过时，通过检测遮断两条光路的先后次序，由接收电路控制芯片判断出物体的运动方向，并通过加脉冲或者减脉冲向单片机STC89C52的P3.2、P3.3口发送高、低脉冲信号[4]。
单片机采用中断的方式对I/O端口输入的外部脉冲计数，进行加减运算，如果是有人进入教室，单片机会接收到一个加脉冲进而对数据处理进行加一运算，如果是有人走出教室，单片机则会接收到一个减脉冲，然后对数据处理进行减一运算，送显示系统显示，室内的显示器显示到课人数和时间，室外显示器显示剩余座位数和时间。
同时，系统还有键盘系统，当按下设置键超过3秒时，系统自动进入设置状态，按着“加一”或减“一”键系统会连续的加一或减一，按下键盘上的“复位”键，系统会将显示器上的数据清零，按下键盘上的“上课”键，指示上课的小灯会被点亮。
1.4传感器的选择
为了克服传统传感器无法判向或者是会发生串扰的缺点，系统选择了一个发射38KHz，另一个发射56KHz脉冲的双通道双频的对射式光电传感器。
光电传感器应用广泛，特别是在各种光电检测系统中效果显著，其功能是将可见、红外及紫外光辐射等光信号转换成电信号[5]。
传感器部分采用一体化设计的可逆计量光电红外传感系统，光电检测时，物体与物体不直接接触即可测量，这就意味着可以检测的范围比较大，同时，这种检测方法也是比较灵敏的，响应时间短，而且可以测定多个参数，方式方法比较灵活[6]。
为了避免传统传感器会发生串扰或达不到可逆计量的目的，设计了双调制频率双光路的红外光电传感器。
传感器芯片交替发射不同频率的调制光，并且通过反馈信息分时检测人体遮断光路的次序，实现了对出入教室人员的方向检测，因此传感器还具有输出可逆计量信息的特征[7]。
2系统硬件设计
2.1系统核心器件介绍
教室人数智能统计与显示系统的核心控制部件为完成数据运算处理并且高效低功耗的STC89C52单片机。
单片机与其他部件、软件结合可实现众多功能。
该系统用到的芯片包括STC89C52单片机、段驱动芯片74LS245、位驱动芯片ULN2803，时钟芯片PCF8563。
2.1.1单片机STC89C52介绍
STC89C52单片机内部中央处理器CPU、8K字节的Flash程序存储器，4个8位并行端口、512字节的RAM数据存储器，2K字节的系统断电数据不丢失的EEPROM等。
STC89系列单片机的指令系统与80C51系列单片机相差无几，但STC89系列单片机工作频率比80C51系列单片机高[8]。
为设计基于单片机的智能控制系统提供了方便，性能高，抗干扰能力强。
CPU可以及时处理控制系统中许多随机产生的参数和信息，具有实时处理的能力，从而提高了控制系统的性能[9]。
小型化、成本低，适应温度范围宽，即使是在各种恶劣条件下也能非常可靠的工作。
单片机的发展经历了四个阶段，正朝着可靠性高、指令系统更加完善与丰富、强运算能力、小型价廉、低功耗的方向发展，图4是STC89C52单片机内部结构图。
2.1.2芯片74LS245简介
74LS245各引脚相关参数如表1所示。
一般而言，74LS245的输入电压不得超过7V，工作环境温度在0~70℃。
由于单片机不能直接驱动数码管，具体而言则是I/O端口负载已达到或者是超过了最大负载能力时，这时就要用74LS245作为驱动芯片，驱动数码管发光。
74LS245在教室人数智能统计与显示系统中为数码管提供足够的电流，作为段驱动器使用，引脚图如图5所示。
表174LS245引脚参数
符号
管脚号
用途
DIR
1
方向控制端
A
2-9
A总线端
GND
10
地
B
11-18
B总线端
/G
19
三态允许端
VCC
20
电源端
2.1.3芯片ULN2803简介
ULN2803各个引脚参数如表2所示，芯片ULN2803的驱动负载电流达到500mA，驱动负载电压达到50V，这一特性使得该器件在计算机控制、工业控制和消费类产品领域得以广泛应用[10]，教室人数智能统计与显示系统用芯片ULN2803作为位驱动器。
引脚图如图6所示。
表2ULN2803引脚参数
符号
管脚号
用途
IN1-IN8
1-8
输入端
OUT1-OUT8
11-18
输出端
GND
9
地端
COM
10
公共端
2.1.4芯片PCF8563简介
PCF8563的引脚参数如表3所示，PCF8563有8个管脚，PCF8563资源包括16个8位具有唯一地址的寄存器，内部振荡器，秒、分、时等的地址寄存器，定时器和I2C总线接口等[11]。
本系统通过对时钟芯片初始化，读取和写入数据，可以调整时间和清零，PCF8563芯片引脚图如图7所示。
表3PCF8563引脚参数
符号
管脚号
描述
OSCI
1
振荡器输入
OSCO
2
振荡器输出
/INT
3
中断输出
VSS
4
地
SDA
5
串行数据I/O
SCL
6
串行时钟输入
CLKOUT
7
时钟输出
VDD
8
正电源
2.2系统硬件总线路
系统硬件电路图如图8所示，采用STC89C52作为本系统的核心处理芯片[12]，LM7805三端稳压电源一个，74LS245一片，ULN2803A一片，共阴极数码管8个，5个按键键盘等。
单片机P1口接芯片74LS245，起到进行段驱动的作用，P0口接芯片ULN2803，起到位驱动的作用，通过软件编程点亮数码管。
P3.1、P3.4、P3.5、P3.6、P3.7口分别与“设置”、“增一”、“减一”、“复位”、“上课”五个按键相连。
P3.0、P2.0、P2.1口接PCF8563时钟芯片。
八个数码管中前三个显示教室人数，后五个数码管显示实时时间
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