基于单片机的图书馆智能座位管理平台

基于单片机的图书馆智能座位管理平台设计

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1. 系统功能概述

本设计的"基于单片机的图书馆智能座位管理平台"旨在通过智能化手段提高图书馆座位利用效率，实现对座位使用情况的实时监控与可视化管理。系统以单片机为核心控制单元，结合红外人体感应模块、LED指示灯、数码管显示模块等外围电路，实现对座位占用状态的自动检测与显示控制。

当有人坐到座位上时，对应的红外传感器检测到人体信号，单片机接收到信号后立即点亮座位指示灯，并在显示屏上增加一个计数值，表示当前占用座位数。当检测到座位无人时，系统开始计时，若5秒后仍未检测到人体信号，则自动熄灭对应座位灯，同时显示屏上的人数计数减一。系统最多支持16个座位的检测与管理，并可实时显示当前占用人数。

该系统结构简单、稳定性高，既可用于图书馆座位管理，也可推广至自习室、阅览室、办公区等场所。其优点在于：

• 通过自动检测减少人工巡查；
• 可视化显示座位状态，便于管理与使用；
• 延时判定机制避免误判；
• 扩展性强，可支持更多座位节点。

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2. 系统电路设计

系统的硬件电路以单片机为核心，包括主控模块 、红外感应检测模块 、LED座位指示灯模块 、数码管显示模块 、时钟与延时模块 以及电源模块。以下对各个模块进行详细介绍。

2.1 主控模块设计

系统采用 STC89C52 单片机 作为主控制核心。该单片机具有低功耗、高可靠性、丰富的I/O接口以及良好的扩展性能，能够满足多通道输入与输出控制的需求。

在电路设计中，P1口用于红外检测信号输入，P2口用于数码管显示输出，P3口则作为控制与通信接口。单片机通过定时器实现延时与计时功能，内部中断机制用于响应红外输入信号的变化。

其主要电路功能如下：

• 接收红外模块输入信号；
• 控制对应LED座位灯亮灭；
• 驱动数码管显示当前占用座位数；
• 实现延时检测逻辑，防止误判；
• 支持多通道输入并行检测。

2.2 红外人体感应模块

红外模块是系统检测座位占用状态的关键组件。每个座位配备一个红外传感器，用于检测人体是否存在。模块原理是通过人体发出的红外辐射被探测器接收并转换为电信号，从而判断是否有人。

红外模块的输出信号接入单片机I/O口（如P1.0~P1.7），当检测到人体时输出高电平，无人时输出低电平。单片机周期性读取这些输入信号，并根据状态变化判断座位是否被占用。

为了提高稳定性与抗干扰性，红外模块在设计中加入了稳压与滤波电路，保证信号清晰、响应及时。

2.3 LED座位指示灯模块

LED灯用于显示座位占用状态。每个座位对应一个LED灯，当红外模块检测到有人坐下时，对应LED点亮，表示座位被占用；当检测到无人且超过延时时间后，LED熄灭，表示座位空闲。

LED灯由单片机的输出端控制，通过限流电阻接入电源，确保电流安全。由于系统需要同时控制16个LED，因此使用P0口配合锁存器74HC573实现多路控制，减少单片机I/O资源占用。

2.4 数码管显示模块

为了直观显示当前占用座位数，系统使用四位共阴极数码管显示模块。单片机根据当前检测到的"有人"座位总数，将结果转换为BCD码输出至数码管。通过动态扫描的方式，单片机依次点亮各位显示，实现数字刷新。

显示内容包括：

• 当前占用人数；
• 当所有座位空闲时显示"0"；
• 当所有座位被占用时显示"16"。

动态显示程序利用定时中断控制扫描周期，刷新频率约为100Hz，保证肉眼视觉连续性。

2.5 延时与计时模块

系统在检测无人状态时加入了延时机制，以防止因短暂离座或动作导致误判。延时模块依托于单片机内部定时器（如T0），每当检测到无人状态时启动计时，若在5秒内再次检测到人体信号则取消延时，否则执行灭灯与人数减一操作。

该机制通过软定时器实现，无需额外硬件支持。计时器中断服务程序用于精确计时，并在计时到达设定值后触发状态更新。

2.6 电源模块

系统使用5V直流电源供电。考虑到红外模块与数码管的功耗，电源模块设计中加入稳压芯片（如7805）与滤波电容，以确保供电稳定。所有模块共地，电源线路布线尽量短以减少干扰。

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3. 程序设计

系统的软件部分采用C语言编写，使用Keil uVision环境进行编译与调试。程序主要包括初始化设置、红外信号检测、延时判断、LED控制、数码管显示更新等部分。

3.1 主程序设计

主程序是整个系统的核心逻辑控制部分，负责协调各个模块的工作流程。程序启动后完成初始化设置（包括定时器、中断与I/O端口配置），随后进入主循环，不断检测各座位的状态并更新显示。

主循环执行流程如下：

1. 读取红外模块输入状态；
2. 判断座位是否被占用；
3. 更新座位灯状态；
4. 启动或停止计时；
5. 更新数码管显示。

主程序框架如下：

#include <reg52.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char

uchar seatStatus[16];   // 座位状态数组
uchar seatCount = 0;    // 当前占用座位数

void Delay_ms(uint x);
void Display_SeatCount(uchar num);
void Check_Seat(void);

void main() {
    TMOD = 0x01;   // 定时器0模式
    TH0 = 0xFC;
    TL0 = 0x18;
    ET0 = 1;       // 允许定时器中断
    EA = 1;        // 总中断打开
    TR0 = 1;       // 启动定时器

    while(1) {
        Check_Seat();             // 检测座位状态
        Display_SeatCount(seatCount);  // 更新显示
    }
}

3.2 红外检测模块程序设计

红外检测程序负责采集每个座位的红外状态信号。单片机周期性扫描P1口的输入信号，将结果存入 seatStatus[] 数组。若检测到高电平则表示座位有人，否则无人。

在检测无人时，程序会启动5秒计时逻辑。若5秒后状态仍为无人，则执行灭灯与计数减一。

void Check_Seat(void) {
    uchar i;
    uchar tempCount = 0;
    for(i = 0; i < 16; i++) {
        if(P1 & (1 << i)) {  // 检测到有人
            seatStatus[i] = 1;
        } else {
            if(seatStatus[i] == 1) {
                Delay_ms(5000); // 延时5秒
                if(!(P1 & (1 << i))) {
                    seatStatus[i] = 0;
                }
            }
        }
        if(seatStatus[i] == 1) tempCount++;
    }
    seatCount = tempCount;
}

3.3 LED座位指示模块程序设计

LED灯的控制程序通过读取 seatStatus[] 数组状态来确定亮灭状态。当 seatStatus[i] == 1 时，对应LED亮起，否则熄灭。LED通过锁存器输出控制。

void Update_LED(void) {
    uchar i;
    for(i = 0; i < 16; i++) {
        if(seatStatus[i]) P2 |= (1 << i);
        else P2 &= ~(1 << i);
    }
}

3.4 数码管显示模块程序设计

数码管显示当前座位占用人数。系统采用动态扫描显示方式，刷新速率高，不会出现闪烁。

uchar code DIG_CODE[10] = {0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};

void Display_SeatCount(uchar num) {
    uchar ge,shi;
    ge = num % 10;
    shi = num / 10;
    P0 = DIG_CODE[ge];
    // 假设P2口控制数码管位选
    P2 = 0xFE;  // 选择个位
    Delay_ms(5);
    P0 = DIG_CODE[shi];
    P2 = 0xFD;  // 选择十位
    Delay_ms(5);
}

3.5 定时与延时程序设计

系统使用定时器T0实现基础延时。通过中断方式计时，每1ms进入中断一次，用于软件延时计数与扫描刷新。

void Timer0_ISR(void) interrupt 1 {
    TH0 = 0xFC;
    TL0 = 0x18;
}

延时函数如下：

void Delay_ms(uint x) {
    uint i, j;
    for(i = 0; i < x; i++)
        for(j = 0; j < 120; j++);
}

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4. 系统总体特点与运行说明

本系统通过红外传感器实时监控座位使用状态，自动统计当前人数，并通过数码管动态显示结果。当检测到座位空闲后启动5秒延时判定，确保准确性。该设计的主要特点如下：

1. 自动化程度高：无需人工干预即可实时统计座位占用情况；
2. 响应速度快：红外检测响应时间短，检测结果稳定；
3. 防误判设计：延时机制有效避免误触发；
4. 显示直观：数码管动态刷新显示当前人数；
5. 可扩展性强：通过扩展I/O口与锁存器可支持更多座位；
6. 能耗低：采用低功耗设计，适合长期运行。

当系统运行时，任意座位被占用，LED亮起且显示屏数字递增；当离开并延时5秒后，LED熄灭，显示数字递减。所有状态变化均实时反映，确保数据准确。

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5. 总结

本设计通过单片机控制实现了图书馆智能座位管理的自动化和可视化。系统结构合理，软硬件协同高效，能够有效减少人工管理工作量，提升图书馆资源使用率。通过优化红外检测算法与扩展显示功能，还可实现联网统计、区域分布显示等功能，为后续智能管理系统的开发提供了重要参考。