基于单片机的教室节能控制系统设计研究

张云莉，周晓平，朱双霞

（新余学院 机电工程学院，新余 338004 ）

0 引言

教室作为高等院校主要教学和学习交流场所，为了便于学生间进行知识学习的相互动态交流，通常采用分时段开放式自由管理模式，也就是说教室资源没有像高中、初中等学校那样将其特定到某个班级，这样教室资源的调配、卫生、以及治安维护等工作均由教室管理人员进行静态的管理。教室资源的开放式管理虽然给学生进行学习交流提供了便捷的场所，但由于缺乏对应的高效调配管理自动化系统，很多教室能源浪费十分严重，经常出现一两个人，甚至无人情况下，教室照明灯具、风扇等长期处于运行状态；或者在光线强度、温湿度等条件满足学习要求时，照明、风扇等耗能电器依然处于额定运行工况，从而造成大量的电能资源浪费。按照教室等公共区域的照明设计规范可知，教室照明功率密度通常按照10W/m2进行设，也就是说如果一个标准教室按照96m2进行设计，则按照其照明系统从早晨8点到晚上9点正常运行13个小时，每个教室每个教学年度按160kw .h，整个学校共有210间教室进行计算，如果采用相关先进控制技术手段将其照明系统的节电能力提高30%，则全年大约可以节约电能资源2.28×105kw .h，如果按照单位电能0.5元进行计算，则全年可以节约电费额为12万元左右，而且上述估算分析中还没有考虑教室照明系统的线损、灯具使用寿命等因素，因此，对教室照明系统等进行节能技术升级改造，其所获得的经济效益十分可观，是学校教室建筑节能降耗研究的一个重要内容。

1 教室灯光节能控制器控制简介

教室灯光控制器可以通过内部程序实现对教室内部照明灯光系统的有效节能自动智能化调节控制。从整个系统的功能效果来看，其系统的输入参数主要是教室内人体存在信号、环境温湿度、光照强度等特征信息当量，即在教室检测到有人存在时，结合环境温湿度、环境光照等外部因素，动态判断是否开启灯光系统以及照明灯具相互节能匹配方案等；当环境光照等满足教室照明规范需求时，就会控制灯具不打开，即只有当教室内存在学习人员且外部环境光照强度参数达到某种阈值条件以下时，并在内部计算分析判断合理调节照明灯具开启匹配方案，达到教室照明灯光高效稳定节能运行效果。为了实现教室照明系统调节运行的灵活性和高效节能性，本文选取单片机作为这个控制系统的核心控制器，结合光照度传感器等硬件设备，通过自动智能化控制，有效提高系统运行经济可靠性。对于硬件部分的设计，只要结合教室照明系统基本功能要求，通过合理选型搭配构筑一个完善的功能硬件系统，为系统软件运行提供一个重要的技术支持平台；对于软件部分的设计，通过各种传感器对信号进行采集，并结合其它硬件实现信号的传输、分析处理，实现对教室灯光资源的自动智能化节能经济调度运行。

2 教室灯光节能控制系统总体设计方案

本文设计的教室灯光节能控制系统以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-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中央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调配管理，其具体逻辑组成结构如图1所示：

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在教学楼中央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。

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

图3 红外数据采集与处理单元逻辑组成结构

单片机光照信号光敏传感器采集电路部分的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

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

教学楼中央计算机单元作为整个教室资源节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：

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。

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