基于红外通信的点名系统设计与实现

• 178
•
基于红外通信设计了课堂点名系统。

基于红外通信系统，以STC89C52单片机为关键，由按键模块，LCD 显示模块，红外编码解码模块和提示模块组成。

利用该系统实现考勤的功能，并记录各座位上的学生信息，便于老师点名提问。

1 研究背景及意义
课堂教学是学校教育的重要组成部分，也是学生学习知识的主要手段。

然而，目前在高校中，学生旷课现象十分普遍，这种现象的存在严重影响了学校教学工作的正常展开，所以每节课的考勤就是必需的，然而点名考勤非常耗费时间。

本文讨论的是基于红外通信的课堂点名系统设计，虽然高校内学生座位随机，但每个座位被分配唯一地址，系统可记录各个座位上的学生信息来实现自动考勤功能，也便于教师点名提问。

2 方案设计
系统可分为发射端、无线信道和接收端三个部分，基于红外通信协议，在发射端和接收端均将STC89C52微控制器设计作为关键，利用红外发射接收模块、串口通信模块、显示模块、按键模块实现签到功能、翻页功能、课堂点名功能，显示未到学生信息功能
以及检错重传功能。

图1 整体设计图
2.1 发射端设计
发送端是由STC89C52单片机、复位电路、LCD1602液晶显示模块、按键模块和红外发射接收模块组成。

4*4行列式键盘与单片机的I/O 口P1相连，作为学生信息的输入设备。

单片机I/O 口P0与上拉电阻相连增大电流后与LCD1602液晶显示器相连，显示按键的信
息。

红外编解码模块连接到单片机的串行通信接收端RXD 和串行通信发送端TXD ，以完成数据信息的发送和接收。

其中，红外发射模块为NEC 红外编解码模块，该模块由四部分组成：红外发射头、红外接收头、红外头扩展和UARTSCM 串口通信插口。

其默认端串行端口波特率为9600bps ，插口分别是接高电
平的5V 接口，接低电平的GND 接口，串口数据发送端口TXD 和串口数据接收端口RXD 。

其连接方法为交叉连接，即上位机的串口数据接收端口RXD 和串口数据发送端口TXD 与该模块的相应端口交叉连接。

NEC 红外信号编码是由一个地址位，一个操作位和三字节的数据位组成。

当进行编码和解码实际操作时，我们只需要用红外接收头对准按下按键后的红外发射设备，就可以通过串口助手查看到相应的结果，结果不会显示地址位和操作位，只显示三字节的数据位。

2.2 接收端设计
接收端的各个模块与发射端类似，不同的是接收端更注重于显示，使用LCD12864液晶显示器才能满足基本要求，单片机的I/O 口P0与上拉电阻相连增大电流后与LCD12864相连来完成显示功能。

红外编解码模块连接到单片机的串口接收端RXD 和串口发送端TXD ，来实现数据的发送和接收。

设置按键分别实现向上向下翻页、课堂点名、签到页面、显示未到学生页面、检错重传等功能。

3 系统实现
3.1 签到功能
发射机通电后开始工作，设置LCD1602液晶显示器第一行显示“Input num ”，第二行显示“Input name ”，学生端通过行列式键盘输入个人信息，单片机检测按键按下次数，将每次按键的内容显示在相应的位置，输入完自己的信息后，按下发送键发送，发送完毕后，LCD1602显示“Send Successfully ”。

接收机通电后开始工作，LCD12864液晶显示器第一行显示“座位学号姓名总数”，提前为每个发射机都写入一个地址，当红外编解码模块接收红外信号时，会判断红外信号的第一位是否为本机地址，如果是的话，则接收完三字节的信息，如果不是则丢弃所有的信息，将接收的信息显
示在不同的区域，并记录下签到学生的总数。

发射和接收的软件设计流程图如图2、图3所示。

3.2 系统显示未到学生消息及翻页功能
在接收端预设一个静态只读数组Temp ，在该数组内设定班级学生的学号、姓名，并设置按键可以进行未到学生页面和签到页面的转换。

接收端接收到发射端发来的消息后，将接收到的消息解
基于红外通信的点名系统设计与实现
南京工程学院信息与通信工程学院 朱志芳 赵 峰 王晓艳 张 瑾 李俊仪 徐 丹 赵 静
• 179
•
码后按字节放在二维数组BUFF 当中，将Temp 中的每个学生学号与BUFF 中的每个学生的学号依次进行判断比较，如果一样则将比较标志位置1，如果不一样比较标志位置0，每次判断后将比较标志位为0
的学生显示出来。

图2 发送端设计流程图 图3 接收端设计流程图
实现翻页功能，须引入一个变量Roll_num 用来表示行数，例如第一行的Roll_num 值就为0，那么按向下按键，则Roll_num 的值+1，要把箭头调回第一行，那么按向上按键，则Roll_num 的值-1。

因为LCD12864的第一行是用来显示中文消息，只有三行用来显示学生信息，第二行应该显示数组BUFF[3n]（n=0,1,2,3……）的信息，第三行应该显示数组BUFF[3n+1]（n=0,1,2,3……）的信息，第四行应该显示数组BUFF[3n+2]（n=0,1,2,3……）的信息，Roll_num/3
即为所显示的页数。

图4 发送端应答和重传的流程
3.3 课堂点名功能及学生端应答
教师可以通过上下按键选择同学，按下点名键则向相应的发送端发送红外应答信号，将其设定为{0xA1,0xF1，发送端地址，发送端地址，发送端地址}，当接收端连续接收到三次本
机地址后，LCD1602显示“answer question ！”并且点亮LED 。

学生应答后，按下独立按键熄灭LED 灯，LCD1602分两行显示“Over ”“Waiting …”。

3.4 检错重传功能
教师如果发现某人信息有误，通过按键选中该条信息，按下重传键，向相应的发射机发射重传信号，其形式为{0xA1,0xF1，发送端地址，发送端地址，0xe1}，接收机将该学生的所有信息全部删除，等待重传。

当发送端接收到应答信号时，LCD1602分两行显示“error ！”“retransmit ！”同时LED 亮起。

按下确认键后，LCD1602显示重传数据界面，通过键盘重新输入新的信息并发送，接收端在相应的位置处填入新的信息，设计流程图如图4所示。

4 系统性能测试
4.1 红外传输距离测试
在同一高度，倾角为0°的条件下，由发送端向接收端发送红
外信息，测试示意图如图5所示，测试结果如图6
所示。

图5 红外传输距离测试示意图
图6 水平传输距离测试结果
结果显示，该系统测的极限距离约为8.9m ，超过这个距离，红外编解码模块将接收不到红外信号。

在同一高度的条件下，随着水平距离增加，系统能接收到信号的次数不断减少。

4.2 红外传输角度测试
预先设定接收端和发送端之间的水平距离，逐步增大两端的垂
直距离，利用正弦函数计算出接收端与发送端之间的夹角，测试示
图7 红外传输角度测试示意图
• 180
•
意图如图7所示，测试结果如图8所示。

结果显示，在相对较小的半径范围内，红外编解码模块所能接收信号的最大角度大约在36°～45°。

随着水平距离增大，所能接收的极限角度不断减小，所测数据很符合红外通信点对点通信的特点。

4.3 误码率、传输速度以及多机干扰情况
经过测量，接收端接收到的信息均为发送端发送的消息，不存
图8 不同水平距离下传输角度测试结果
在误码的情况，只存在没有接收到红外信号的情况。

根据图6所示，在6m 以内均可以准确接收。

在多机运作情况下，接收端的红外编解码模块接收到一个发送端的红外信号，对其进行处理，在其处理期间内任何红外信号都无法再次接收，但其处理时间很短，只要间隔一点时间就可以无误差的接收两次信号。

本文基于红外通信技术实现了课堂点名系统的设计，实现此研究主要在于针对解决大课堂点名考勤费时的问题，具有很大的使用价值和发展空间。

该项目成
品可达到提高课堂效率、提高课
堂教学质量，值得在各高校中推广应用。

基金项目：南京工程学院高等教育研究课题（2018YB20）。

作者简介：朱志芳（1999—），江苏扬州人，大学本科，现就读于南京工程学院。

（上接第177页）
是定阻抗型双工器，它由两个带通滤波器和两个3dB 耦合器构成。

为了满足多工器的技术指标要求，数字电视邻频道定阻抗型双工器一般采用6腔带2个交叉耦合结构的带通滤波器。

定阻抗型双工器输入端口的隔离度由3dB 耦合器的隔离度和带通滤波器带外衰减共同提供。

定阻抗型双工器的指标虽佳，但其结构相对复杂，如果要求双工器两个通道都具备足够的带外衰减，双工器需要采用两个桥式单元的结构（图4），整个双工器包含4个带通滤波器和4个3dB 耦合器，双工器的造价高。

另一种数字电视邻频道双工器的结构是带有环形器的星点型或Manifold 结构。

这种结构的双工器通过环形器本身的隔离度，来增加双工器输入端口间的隔离度。

这种结构的双工器虽然在结构上较定阻抗型要简单，但由于在双工器中使用了环形器，这种结构
的插入损耗比较差。

比如，额定功率为数字1kW 的环形器，其插入损耗一般不小于0.3dB ，而双工器的插入损耗还要再加上带通滤波器本身的插入损耗。

另外，环形器的价格也增加了制作此类邻频道双工器的成本。

在综合成本与播出指标兼顾的基础上，我们考虑本次改造将在现有桥式结构的基础上级联一个双工器实现两个频道的输入均从窄带端口输入。

F1、 F 2是两个邻频道的输入信号，合成后从OUT 端口输出，在邻频道合成时，双工器的宽带输入端口一般接吸收负载。

随着多工器技术的逐渐成熟，两套数字电视节目通过双工器实现共用一套天线系统的实施得以保证，系统工作稳定，各项技术指标满足设计要求，实现了有限资源扩大化利用，相信后期的邻频改造也会顺利实现。