课堂坐位声光与振动信息提醒装置，涉及辅助教学装置，本发明为了解决目前缺少在课堂教学中的针对不注意听讲学生的提醒装置的问题，本发明包括上位机和N个下位机，上位机与N个下位机通过无线信号通信，上位机包括：PC机、上位机无线通讯模块、上位机稳压电源模块和接口电路，PC机通过接口电路与上位机无线通讯模块连通，上位机稳压电源模块的输出端同时与接口电路的电源的输入端和上位机无线通讯模块的电源的输入端连通，下位机包括：单片机最小系统、下位机稳压电源模块、振动警示电路、光照警示电路、声音警示电路、节点地址设置电路、下位机无线通讯模块、单片机下载器和显示屏，它还包括界面软件和单片机程序。本发明用于辅助教学装置。
1.课堂坐位声光与振动信息提醒装置，其特征在于，它包括上位机(1)和N个下位机(2)，N为小于256的正整数，上位机(1)与N个下位机(2)通过无线信号通信，上位机(1)包括：PC机(1-1)、上位机无线通讯模块(1-2)、上位机稳压电源模块(1-3)和接口电路(1-4)，PC机(1-1)通过接口电路(1-4)与上位机无线通讯模块(1-2)连通，上位机稳压电源模块(1-3)的输出端同时与接口电路(1-4)的电源的输入端和上位机无线通讯模块(1-2)的电源的输入端连通，下位机(2)包括：单片机最小系统(2-1)、下位机稳压电源模块(2-2)、振动警示电路(2-3)、光照警示电路(2-4)、声音警示电路(2-5)、节点地址设置电路(2-6)、下位机无线通讯模块(2-7)、单片机下载器(2-8)和显示屏(2-9)，下位机稳压电源模块(2-2)的输出端同时与单片机最小系统(2-1)的电源输入端、振动警示电路(2-3)的电源输入端、光照警示电路(2-4)的电源输入端、声音警示电路(2-5)的电源输入端、节点地址设置电路(2-6)的电源输入端、下位机无线通讯模块(2-7)的电源输入端、单片机下载器(2-8)的电源输入端和显示屏(2-9)的电源输入端连通，下位机无线通讯模块(2-7)的数据交换端通过无线信号与上位机无线通讯模块(1-2)通信，下位机无线通讯模块(2-7)的数据输出端与单片机最小系统(2-1)的上位信号的输入端连通，单片机最小系统(2-1)的显示信号的输出端与显示屏(2-9)的显示信号的输入端连通，单片机最小系统(2-1)的声音警示启动控制信号的输出端与声音警示电路(2-5)的启动控制信号的输入端连通，单片机最小系统(2-1)的振动警示启动控制信号的输出端与振动警示电路(2-3)的启动控制信号的输入端连通，单片机最小系统(2-1)的光照警示启动控制信号的输出端与光照警示电路(2-4)的启动控制信号的输入端连通，节点地址设置电路(2-6)的输出端与单片机最小系统(2-1)的节点地址设置信号的输入端连通；
它还包括上位机界面软件和单片机程序，上位机界面软件存储在PC机(1-1)的存储器中，单片机程序存储在单片机最小系统(2-1)的存储器中；
上位机界面软件包括具体步骤为：步骤一一，通过调用窗体和控件显示界面图形；步骤一二，调用串口控件建立与串口的连接；步骤一三，判断座位按钮是否被按下，是，则执行步骤一四；否，则执行步骤一三；步骤一四，确定座位的第1个坐标；步骤一五，确定座位的第2个坐标；步骤一六，发送座位坐标；步骤一七，判断是否继续，是，则执行步骤一三；否，则结束；
单片机程序包括具体步骤为：步骤二一，单片机初始化；步骤二二，无线通讯模块初始化；步骤二三，判断是否有无线传输座位数据，是，则执行步骤二四，否，则执行步骤二三；
步骤二四，给声音对应I/O端子输出高电平；步骤二五，给振动对应I/O端子输出高电平；步骤二六，给发光对应I/O端子输出高电平；步骤二七，判断是否继续，是，则执行步骤二三；否，则结束。
2.根据权利要求1所述课堂坐位声光与振动信息提醒装置，其特征在于，单片机最小系统(2-1)采用ATmega16实现。
3.根据权利要求1所述课堂坐位声光与振动信息提醒装置，其特征在于，下位机(2)设置在每个坐位学生的手腕上，下位机稳压电源模块(2-2)采用5V稳压电源实现。
4.根据权利要求1所述课堂坐位声光与振动信息提醒装置，其特征在于，振动警示电路(2-3)包括直流电动机(M)、三极管、条形金属和电阻，三极管的基极通过电阻与单片机最小系统(2-1)的振动警示启动控制信号的输出端连通，电动机(M)串联在三极管的发射极与电源输出端之间，条形金属固接在电动机(M)的转轴上，三极管的集电极接电路地线，三极管采用8550三极管。
5.根据权利要求1所述课堂坐位声光与振动信息提醒装置，其特征在于，光照警示电路(2-4)包括发光二极管、三极管和电阻，三极管的基极通过电阻与单片机最小系统(2-1)的光照警示启动控制信号的输出端连通，发光二极管的阳极与电源输出端连通，发光二极管的阴极与三极管的发射极连通，三极管的集电极接电路地线，三极管采用8550三极管。
6.根据权利要求1所述课堂坐位声光与振动信息提醒装置，其特征在于，声音警示电路(2-5)包括蜂鸣器、三极管(Q1)和电阻，三极管(Q1)的基极通过电阻与单片机最小系统(2-1)的声音警示启动控制信号的输出端连通，蜂鸣器串联在三极管(Q1)的发射极与电源之间，三极管(Q1)的集电极接电路地线，三极管(Q1)采用8550三极管。
7.根据权利要求1所述课堂坐位声光与振动信息提醒装置，其特征在于，节点地址设置电路(2-6)采用八位拨码开关实现，八位拨码开关的输出端与单片机最小系统(2-1)的地址设置输入端连通。
8.根据权利要求1所述课堂坐位声光与振动信息提醒装置，其特征在于，下位机无线通讯模块(2-7)采用XL02-232AP1无线模块。
9.根据权利要求1所述课堂坐位声光与振动信息提醒装置，其特征在于，上位机无线通讯模块(1-2)采用XL02-232AP1无线模块。
10.根据权利要求1所述课堂坐位声光与振动信息提醒装置，其特征在于，接口电路(1-4)采用RS232C接口。
课堂坐位声光与振动信息提醒装置
技术领域
[0001] 本发明涉及辅助教学装置。
背景技术
[0002] 在课堂教学中，尤其是学生人数很多的时候，有些学生会不注意听讲，需要提醒。而在这个时候，教师往往因为正在讲课而不能口头加以制止，或者制止会对课堂教学有过大的影响，从而降低了课堂教学效率和效果。目前缺少在课堂教学中的针对不注意听讲学生的提醒装置。
发明内容
[0003] 本发明的目的是为了解决目前缺少在课堂教学中的针对不注意听讲学生的提醒装置的问题，提供一种课堂坐位声光与振动信息提醒装置。
[0004] 课堂坐位声光与振动信息提醒装置，它包括上位机和N个下位机，N为小于256的正整数，上位机与N个下位机通过无线信号通信，上位机包括：PC机、上位机无线通讯模块、上位机稳压电源模块和接口电路，PC机通过接口电路与上位机无线通讯模块连通，上位机稳压电源模块的输出端同时与接口电路的电源的输入端和上位机无线通讯模块的电源的输入端连通，下位机包括：单片机最小系统、下位机稳压电源模块、振动警示电路、光照警示电路、声音警示电路、节点地址设置电路、下位机无线通讯模块、单片机下载器和显示屏，下位机稳压电源模块的输出端同时与单片机最小系统的电源输入端、振动警示电路的电源输入端、光照警示电路的电源输入端、声音警示电路的电源输入端、节点地址设置电路的电源输入端、下位机无线通讯模块的电源输入端、单片机下载器的电源输入端和显示屏的电源输入端连通，下位机无线通讯模块的数据交换端通过无线信号与上位机无线通讯模块通信，下位机无线通讯模块的数据输出端与单片机最小系统的上位信号的输入端连通，单片机最小系统的显示信号的输出端与显示屏的显示信号的输入端连通，单片机最小系统的声音警示启动控制信号的输出端与声音警示电路的启动控制信号的输入端连通，单片机最小系统的振动警示启动控制信号的输出端与振动警示电路的启动控制信号的输入端连通，单片机最小系统的光照警示启动控制信号的输出端与光照警示电路的启动控制信号的输入端连通，节点地址设置电路的输出端与单片机最小系统的节点地址设置信号的输入端连通；
[0005] 它还包括上位机界面软件和单片机程序，上位机界面软件存储在PC机的存储器中，单片机程序存储在单片机最小系统的存储器中；
[0006] 上位机界面软件包括具体步骤为：步骤一一，通过调用窗体和控件显示界面图形；步骤一二，调用串口控件建立与串口的连接；步骤一三，判断座位按钮是否被按下，是，则执行步骤一四；否，则执行步骤一三；步骤一四，确定座位的第1个坐标；步骤一五，确定座位的第2个坐标；步骤一六，发送座位坐标；步骤一七，判断是否继续，是，则执行步骤一三；
否，则结束；
[0007] 单片机程序包括具体步骤为：步骤二一，单片机初始化；步骤二二，无线通讯模块初始化；步骤二三，判断是否有无线传输座位数据，是，则执行步骤二四，否，则执行步骤二三；步骤二四，给声音对应I/O端子输出高电平；步骤二五，给振动对应I/O端子输出高电平；步骤二六，给发光对应I/O端子输出高电平；步骤二七，判断是否继续，是，则执行步骤二三；否，则结束。
[0008] 本发明通过在课堂的每个坐位学生的手腕上设置一个下位机，对每个不注意听讲的学生单独发送提醒信息。使教师可以在讲课的同时，在不中断讲课内容的情况下，手动操作上位机完成发送针对某个学生的提醒信息，保证了教师授课内容的连续性及时效性，从而提高课堂教学效率和效果。本发明的上位机无需与下位机连线，下位机能根据教室大小灵活布置。
附图说明
[0009] 图1为本发明工作状态的示意图，图2为具体实施方式一中上位机的组成结构示意图，图3为具体实施方式一中下位机的组成结构示意图，图4为具体实施方式二中单片机最小系统的电路图，图5为具体实施方式三中下位机稳压电源模块的电路图，图6为具体实施方式六中声音警示电路的电路图，图7为具体实施方式四中振动警示电路的电路图，图8为具体实施方式五中光照警示电路的电路图，图9为具体实施方式七中节点地址设置电路的电路图，图10为具体实施方式八中XL02-232AP1无线模块的电路图，图11为具体实施方式十中接口电路的电路图，图12为上位机与N个下位机无线通信的示意图，图13为具体实施方式一中单片机程序框图，图14为具体实施方式一中上位机界面软件程序框图，图15为具体实施方式十中人机交互界面的示意图。
具体实施方式
[0010] 具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图13和图14说明本实施方式，本实施方式所述课堂坐位声光与振动信息提醒装置，它包括上位机1和N个下位机2，N为小于256的正整数，上位机1与N个下位机2通过无线信号通信，上位机1包括：PC机1-1、上位机无线通讯模块1-2、上位机稳压电源模块1-3和接口电路1-4，PC机1-1通过接口电路1-4与上位机无线通讯模块1-2连通，上位机稳压电源模块1-3的输出端同时与接口电路1-4的电源的输入端和上位机无线通讯模块1-2的电源的输入端连通，下位机2包括：单片机最小系统2-1、下位机稳压电源模块2-2、振动警示电路2-3、光照警示电路2-4、声音警示电路2-5、节点地址设置电路2-6、下位机无线通讯模块2-7、单片机下载器2-8和显示屏2-9，下位机稳压电源模块2-2的输出端同时与单片机最小系统2-1的电源输入端、振动警示电路2-3的电源输入端、光照警示电路2-4的电源输入端、声音警示电路2-5的电源输入端、节点地址设置电路2-6的电源输入端、下位机无线通讯模块2-7的电源输入端、单片机下载器2-8的电源输入端和显示屏2-9的电源输入端连通，下位机无线通讯模块2-7的数据交换端通过无线信号与上位机无线通讯模块1-2通信，下位机无线通讯模块2-7的数据输出端与单片机最小系统2-1的上位信号的输入端连通，单片机最小系统2-1的显示信号的输出端与显示屏2-9的显示信号的输入端连通，单片机最小系统2-1的声音警示启动控制信号的输出端与声音警示电路2-5的启动控制信号的输入端连通，单片机最小系统2-1的振动警示启动控制信号的输出端与振动警示电路2-3的启动控制信号的输入端连通，单片机最小系统2-1的光照警示启动控制信号的输出端与光照警示电路2-4的启动控制信号的输入端连通，节点地址设置电路2-6的输出端与单片机最小系统2-1的节点地址设置信号的输入端连通；
[0011] 它还包括上位机界面软件和单片机程序，上位机界面软件存储在PC机1-1的存储器中，单片机程序存储在单片机最小系统2-1的存储器中；
[0012] 上位机界面软件包括具体步骤为：步骤一一，通过调用窗体和控件显示界面图形；步骤一二，调用串口控件建立与串口的连接；步骤一三，判断座位按钮是否被按下，是，则执行步骤一四；否，则执行步骤一三；步骤一四，确定座位的第1个坐标；步骤一五，确定座位的第2个坐标；步骤一六，发送座位坐标；步骤一七，判断是否继续，是，则执行步骤一三；
否，则结束；
[0013] 单片机程序包括具体步骤为：步骤二一，单片机初始化；步骤二二，无线通讯模块初始化；步骤二三，判断是否有无线传输座位数据，是，则执行步骤二四，否，则执行步骤二三；步骤二四，给声音对应I/O端子输出高电平；步骤二五，给振动对应I/O端子输出高电平；步骤二六，给发光对应I/O端子输出高电平；步骤二七，判断是否继续，是，则执行步骤二三；否，则结束。
[0014] 具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述课堂坐位声光与振动信息提醒装置的进一步限定，单片机最小系统2-1采用ATmega16实现。
[0015] 下位机2硬件设计中，单片机最小系统2-1使用ATmega16单片机。硬件设计采用开放性设计理念，预留了可扩展接口，方便今后进行完善和现代化改进。
[0016] ATmega16是基于增强的AVR RISC(精简指令集)结构的低功耗8位CMOS微控制器。拥有先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，数据吞吐率大。同时芯片拥有丰富的指令集和32个通用工作寄存器，拥有比CISC(复杂指令集)微控制器最大达10倍的数据吞吐率。AVR采用Harvard结构有独立的数据总线和程序总线，实现了指令单时钟周期运行。
[0017] 特点如下：有16K的系统可编程Flash，1K字节的SRAM，512字节的EEPROM。32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器以及JTAG接口，支持片内编程调试。有8路10位具有可选差分输入及可编程增益ADC，3个具有比较模式的定时器/比较器(T/C)，可编程串行USART，可编程看门狗定时器，1个SPI串行端口。芯片采用高密度非易失性存储技术生产，片内ISP Flash可以采用ISP串行接口或编程器进行编程。通过将8位RISCCPU与Flash集成到一起，使得ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。
[0018] ATmega16最小系统包括：复位电路、下载器接口和I/O扩展接口。
[0019] 结合图4说明在设计中，PA2～PA7引脚作为传感器预扩展接口，方便以后系统方案改进。
[0020] 结合图13说明所述单片机程序结构与设计：ATmega16单片机为下位机主控芯片，其编程用C语言实现，编译环境为ICCAVR，通过ISP接口下载线将编译程序的Hex文件下载到单片机中。
[0021] 下位机设备上电后，系统初始化，循环执行参数采集和显示，UART异步串行通信处于等待上位机查询状态，当产生中断时，将参数传给上位机。在程序执行过程中主要包括系统初始化、参数采集、数据处理、数据收发。
[0022] 具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述课堂坐位声光与振动信息提醒装置的进一步限定，下位机2设置在每个坐位学生的手腕上，下位机稳压电源模块2-2采用5V稳压电源实现。
[0023] 整个下位机2的硬件部分采用5V电源供电，通过交流220V转直流12V电源变压器接到5V稳压电路上。因此稳压电路中使用7805稳压集成电路，最大输出电流1.5A。用7805三端稳压IC来组成稳压的电源所需外围元件少，内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
[0024] 结合图5说明电路原理图如下：电路中包括12V--5V稳压部分和模拟电路、数字电路电源隔离部分设计。前一部分J1接12V供电，后面的模拟数字电源供电部分共地连接，在两部分电源之间通过电感连接，防止数模干扰。
[0025] 具体实施方式四：结合图3和图7说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述课堂坐位声光与振动信息提醒装置的进一步限定，振动警示电路2-3包括直流电动机M、三极管、条形金属和电阻，三极管的基极通过电阻与单片机最小系统2-1的振动警示启动控制信号的输出端连通，电动机M串联在三极管的发射极与电源输出端之间，条形金属固接在电动机M的转轴上，三极管的集电极接电路地线，三极管采用8550三极管。
[0026] 直流电动机电枢由一个8550三极管驱动。电动机转动时带动一个同轴的条形金属，产生振动。
[0027] 具体实施方式五：结合图8说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述课堂坐位声光与振动信息提醒装置的进一步限定，光照警示电路2-4包括发光二极管、三极管和电阻，三极管的基极通过电阻与单片机最小系统2-1的光照警示启动控制信号的输出端连通，发光二极管的阳极与电源输出端连通，发光二极管的阴极与三极管的发射极连通，三极管的集电极接电路地线，三极管采用8550三极管。
[0028] 发光二极管由一个8550三极管驱动。
[0029] 具体实施方式六：结合图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述课堂坐位声光与振动信息提醒装置的进一步限定，声音警示电路2-5包括蜂鸣器、三极管Q1和电阻，三极管Q1的基极通过电阻与单片机最小系统2-1的声音警示启动控制信号的输出端连通，蜂鸣器串联在三极管Q1的发射极与电源之间，三极管Q1的集电极接电路地线，三极管Q1采用8550三极管。
[0030] 报警由蜂鸣器电路实现，当检测参数超出设置上下限时，下位机发出报警，通过蜂鸣提示周围的人。蜂鸣器由一个8550三极管驱动，8550三极管的基极通过电阻接单片机最小系统2-1的PA0脚。
[0031] 具体实施方式七：结合图9说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述课堂坐位声光与振动信息提醒装置的进一步限定，节点地址设置电路2-6采用八位拨码开关实现，八位拨码开关的输出端与单片机最小系统2-1的地址设置输入端连通。
[0032] N个下位机2中每一个下位机2在通信时都有唯一的地址，这样在每一个下位机2与上位机1通信时才可以避免通信冲突，将各个设备区分开来。节点地址设置通过硬件实现，通过一个八位拨码开关和单片机最小系统2-1的PORTC端口相连，另一端都接地，从低位到高位依次对应，这样通过设置拨码开关数据和相应软件编程就可实现节点地址的检测。初试化端口C输入，寄存器设置为高电平，这样拨码开关闭合时拉低，然后取反即可。
[0033] 具体实施方式八：结合图10说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述课堂坐位声光与振动信息提醒装置的进一步限定，下位机无线通讯模块2-7采用XL02-232AP1无线模块。
[0034] XL02-232AP1为UART接口半双工传输方式的无线收发模块，工作频率在428.8～435.1MHz，(默认频率433.92MHz)。符合欧洲ETSI(EN300-200-1和EN301-439-3)，符合无线管制要求，无需申请频率使用许可证。
[0035] 具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一所述课堂坐位声光与振动信息提醒装置的进一步限定，上位机无线通讯模块1-2采用XL02-232AP1无线模块。
[0036] 具体实施方式十：结合图11说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述课堂坐位声光与振动信息提醒装置的进一步限定，接口电路1-4采用RS232C接口。
[0037] 上位机中的无线模块接口采用RS232C标准。在硬件设计中考虑了两种情况：上位机1只有USB接口和上位机自带RS232串口。
[0038] 根据这两种情况设计了两种与上位机接口的硬件模块：一种是只有USB接口的PC机(笔记本)，硬件设计为USB转串口模块和RS232信号转换电路相连然后和无线收发模块连接；二是上位机自带RS232接口，上位机外接硬件设计为RS232信号转换电路和无线收发模块相连接。上位机外围硬件设备直接与PC机相连，连接电缆长度很短，可忽略其他环境参数影响。
[0039] RS-232是美国电子工业联盟(EIA)与BELL等公司一起制定的串行数据通信的接口标准。最初是为远程通信连接数据终端设备DTE与数据通信设备而指定的。由于RS-232通信兼容性比较好，因此逐渐成为PC机通信接口中广泛采用的标准。
[0040] 由于RS232标准只规定了采用一对物理连接器，但对连接器本身的物理特性没有任何定义，因此，出现了DB-25、DB-15、DB-9各种类型的连接器，其引脚的定义也各不相同。鉴于DB-9型连接器使用较多，并且目前的计算机只配备该型号串行接口，DB9所用到的管脚是2(RXD)、3(TXD)、5(GND)这三个。因此现在都把RS232接口叫做DB9。
[0041] 由于单片机的高低电平和PC机的高低电平的标准是不一样的，因此他们之间标准的转换需要用到转换芯片，较为广泛地使用集成电路转换器件，如MAX232。
[0042] 结合图14和图15说明上位机软件程序设计：上位机界面软件使用VC++设计，环境为Visual C++6.0。在PC机上，显示如图15所示的人机交互界面：当要提醒某个座位的学生时，就用鼠标点下对应座位的图标，简便地实现了课堂坐位的声、光与振动的提醒信息。
