务ｌ造 ．８ 化 基于单片机的教室节能控制系统设计研究 Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｃｌａｓｓｒｏｏｍ ｓａｖｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ 张云莉，周晓平，朱双霞 ＺＨＡＮＧ Ｙｕｎ－ｌｉ，ＺＨＯＵ Ｘｉａｏ—ｐｉｎｇ，ＺＨＵ Ｓｈｕａｎｇ—ｘｉａ （新余学院机电工程学院，新余３３８００４） 摘要：目前，高校教室照明系统存在严重电能资源浪费现象，在这种背景下对高校教室现有的能源资 源调配管理系统进行技术升级改造研究就显得非常重要。本文设计了一套基于单片机￥０ＣＡＮ 总线的高校教学楼教室节能控制系统，通过传感器将教室内部的光照强度、人员数量等信号 数据采集到单片机系统中，由单片机实现教室灯光等资源的合理调配节能经济控制管理，从 而达到节电节能经济运行的技术升级改造目的。 关键词：单片机；高校教室；节能降耗 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：１９ 文章编号：１ ００９－０１ ３４（２０１ ２）２（下）一０１ ０３－０３ Ｄｏｉ：１ ０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１２．２（下）．３３ ０引言 １ 教室灯光节能控制器控制简介 教室作为高等院校主要教学和学习交流场所， 教室灯光控制器可以通过内部程序实现对教 为了便于学生间进行知识学习的相互动态交流，通 室内部照明灯光系统的有效节能自动智能化调节 常采用分时段开放式自由管理模式，也就是说教室 控制。从整个系统的功能效果来看，其系统的输 资源没有像高中、初中等学校那样将其特定到某个 入参数主要是教室内人体存在信号、环境温湿度、 班级，这样教室资源的调配、卫生、以及治安维护 光照强度等特征信息当量，即在教室检测到有人 等工作均由教室管理人员进行静态的管理。教室资 存在时，结合环境温湿度、环境光照等外部因素， 源的开放式管理虽然给学生进行学习交流提供了便 动态判断是否开启灯光系统以及照明灯具相互节 捷的场所，但由于缺乏对应的高效调配管理自动化 能匹配方案等；当环境光照等满足教室照明规范 系统，很多教室能源浪费十分严重，经常出现一两 需求时，就会控制灯具不打开，即只有当教室内 个人，甚至无人情况下，教室照明灯具、风扇等长 存在学习人员且外部环境光照强度参数达到某种 期处于运行状态；或者在光线强度、温湿度等条件 阈值条件以下时，并在内部计算分析判断合理调 满足学习要求时，照明、风扇等耗能电器依然处于 节照明灯具开启匹配方案，达到教室照明灯光高 额定运行工况，从而造成大量的电能资源浪费。按 效稳定节能运行效果。为了实现教室照明系统调 照教室等公共区域的照明设计规范可知，教室照 节运行的灵活性和高效节能性，本文选取单片机 明功率密度通常按照ｌ０ｗ，ｍ 进行设，也就是说如 作为这个控制系统的核心控制器，结合光照度传 果一个标准教室按照９６ｍ 进行设计，则按照其照 感器等硬件设备，通过自动智能化控制，有效提 明系统从早晨８点到晚上９点正常运行１３个４、时， 高系统运行经济可靠性。对于硬件部分的设计， 每个教室每个教学年度按１６０ｋｗ ｈ，整个学校共 只要结合教室照明系统基本功能要求，通过合理 有２１０间教室进行计算，如果采用相关先进控制技 选型搭配构筑一个完善的功能硬件系统，为系统软 术手段将其照明系统的节电能力提高３０％，则全 件运行提供一个重要的技术支持平台；对于软件部 年大约可以节约电能资源２。２８ Ｘ １０５ｋｗ ｈ，如果按 分的设计，通过各种传感器对信号进行采集，并结 照单位电能ｏ．５元进行计算，则全年可以节约电费 合其它硬件实现信号的传输、分析处理，实现对教 额为１２万元左右，而且上述估算分析中还没有考 室灯光资源的自动智能化节能经济调度运行。 毒教妻 此，对教室照明系统等进行节能技术升级改造，其 茎 萋’ ２教室灯光节能控制系统总体设计 苎： ．， 厅 】工 ｕ １ ’ｘ． 所获得的经济效益十分可观，是学校教室建筑节能 丁采 降耗研究的一个重要内容。 本文设计的教室灯光节能控制系统以 收稿日期：２０１１－０９－１４ 作者简介：张云莉（１９８０一），女，讲师，本科，主要从事教学工作。 第３４卷第２期２０１２—２（下） ［１０３］ 参ｌ 訇 似 ＰＩＣ１８Ｆ４５８单片机作为教室检测控制单元的核心控 制器，然后通过ＲＳ一４８５通讯线将同一楼层的教室 节能控制检测控制单元１～ｎ有机互联起来，然 后通过ＣＡＮ总线将楼层控制单元１～ｎ与教室资 源综合调配管理计算机单元进行有机互联起 来，实现对教室内部灯光等资源的高效合理动态 以及操作维护方面等特点，本次设计选用美国 Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司自主研发的ＰＩＣ系统单片机中的 ＰＩＣ１８Ｆ４５８单片机。该单片机具有哈佛总线通信 结构、精简指令集（ＲＩＳＣ）控制技术、运算分析速 率高、驱动能力强等优点，非常适合与工业控制、 仪器仪表精确控制、家用电器智能控制等领域。 调配管理，其具体逻辑组成结构如图１所示： 算机单元 ｉ ４８５通讯线 ｉＩｌ ｉＩＩ ．－ 教室检测教室检测教室检测 教室检测 爨 ４８５通讯线 ｉＩｌ ｉｌＩ 一－ ； 教室检测教室检测教室检测 教室检测 ： 控制单元１控制单元２控制单元３控制单元Ｎ 潮４８５通讯线； ［ＡＮ Ｎ●ＩＩＩ●…・－ 教室检测教室检测教室检测 教室检测 图１教室资源节能自动自智能化调配管理逻辑组成结构 从图１可知，教室检测控制单元主要由ＰＩＣ 系统的ＰＩＣ１８Ｆ４５８单片机为控制核心，实现对教 室用电电气设备运行状况、教室温湿度、光照强 度、以及学习交流学生人数等信息的动态采集， 并利用Ｋｉｎｇ Ｖｉｅｗ６．５在教学楼计算机单元上 为教室管理人员提供一个全中文、数字化、图形 化、以及动态化的教室资源统筹调配监控界面， 大大提高了系统的人性化服务水平。 ３教室灯光节能控制器的设计 从图１可知，教室检测控制单元是整个教室 节能控制智能化调节管理系统中重要的核心组成 部分，一方面，其应对教室内部各种监控对象的 数据信息进行动态采集、实时运算分析处理、存 储等功能；另外还要与楼层相关控制单元进行实 时数据信息通信共享。 ３．１硬件选型设计 ３．１．１单片机选型 考虑到智能教室资源节能调节控制系统所要 求的自动智能化集成度高、可靠性强、功耗低 ［１０４１ 第３４卷第２期２０１２—２（下） ３．１．２光照信号采集单元选型 从大量关于光电管、光祸合器、以及光敏电 阻等光电探测器性能研究成果表明，光敏电阻所具 有的光谱响应峰值与人视觉敏感区的光波长非常接 近；而且当外部光照强度发生减弱时，光敏电阻所 具有的响应时间也会相应增加，这于教室灯光控制 系统在光照强度发生变化时，其输出状态保持功能 需要加强较为匹配，因此，本次设计选用光敏电阻 作为教室光照强度的主要采集和处理单元。教室光 照强度信号采集硬件电路如图２所示： 图２教室光照强度采集电路 图２中，ＲＯ为光敏电阻，其电阻值会随教室内 部光线的变亮变慢而下降和上升，从而确保教室控 制器输出的稳定性；Ｒ为光照采集电路中的负载电阻； Ｖｃｃ为采集电能的＋５ｖ电源；Ｃ为电路中得去藕电容。 ３．１．３红外数据的采集与处理单元 以红外传感器为核心构筑教室内部学习人数信 号采集与处理子系统，不仅具有成本低、电路结构 清晰简单等特点；同时还可以将教室人数作为教室 内部照明系统灯具数量控制方案的重要数据依据， 以实现对教室内部资源的合理节能调配管理。红外 数据采集与处理单元的逻辑组成结构如图３所示。 ３．２软件编程设计 由于教室节能控制系统是一个集信号采集、 信号传输以及智能化节能调节等功能为一体的复 杂系统，其软件编程是一个非常重要的部分。限 于文章篇幅，文中不对所有部分进行一一详细阐 述，只对光照强度采集电路和红外数据采集处理 电路的软件设计进行分析。 ３．２．１光照强度采集电路软件设计 单片机光照信号光敏传感器采集电路部分的 ｌ ｌＩ》 似 图３红外数据采集与处理单元逻辑组成结构 软件设计的主要任务在于通过光敏传感器对教室 内的光照强度数据信息进行采集和动态分析处理， 其具体软件流程步骤如图４所示。 ３＿２＿２红外数据采集处理电路软件设计 采用红外传感器动态测量教室内的实时学生 学习人数，从而获得最优的照明灯具控制方案， 其具体软件流程如图５所示。 ４上位监控系统设计 教学楼计算机单元作为整个教室资源节 光照子程度入口片 ， ｆＩ 延时 灯开着？ 开灯 （ 墨 堡 竺至） 图４光照强度采集电路软件流程 图５红外数据采集处理电路软件流程 能控制系统的上位监控机，其正常运行时教室内 部能源资源的实时数据信息运算分析、存储等程 序，均通过ＣＡＮ总线与教室节能检测终端控制器 进行实时通信，实现教室资源的动态节能智能化 调度管理。教室资源节能控制系统的上位机可视 化人机互通软件设计界面如图６所示： 溘耩Ｉ襞墓 … ～ 凼蚓 蕊瞅糯 鹫韵孵ｌ 疆时赣ｌ蹲≯ 氆聃ｌ ０臻－矗 誊羲嚣赣 麓建毙 ￥ 囊瞄＊§ 搴 ０阚Ｉ睦 ｍ雌 星 耀舯～。 娃磊蠢｛簪哆＿～ ＿～ 蘑 匦函 麓露囵 圆 —一 ．溉 。。 靠舞篁降 ：匿一 、潮寰、∞…国函函 啪・删 ＿＿ ｌ｝乜蛊一 隧 Ｉ …… 愠景 黼黼魄。１４ ：～ ３ … …一…… … … 锄儒螂 霞透 图６教室资源节能动态调节控制可视化人机互通界面 ５结束语 本文从教室能源节能高效调配管理目的出发， 结合单片机技术、先进检测与控制技术等，构筑了 基于ＰＩＣ１８Ｆ４５８单片机的教室资源动态节能调配 管理系统，从而大大提高了教室资源的能源利用 效率，减少了电能资源的浪费，达到高效教室资 源节能降耗技术升级建设改造目的。 参考文献： ｆ１】周燕，覃如贤．教室灯光智能控制系统【Ｊ］．西南科技大学 学报，２００５，２０（１）：３５—３８． ［２】戴卫平．单片机系统开发实例经典【Ｍ】．北京：冶金工业 出版社，２００６． 【３１何耿明，季振华．红外线遥控开关技术在智能住宅中的 应用［Ｊ］．建筑技术开发，２００６（４）：１６６—１６６． 第３４卷第２期２０１２－２（下） ［１０５１
