基于MCU 的智能型節(jié)能教室的設計

楊榮興 西北民族大學

引言

21世紀，人類可使用資源逐步匱乏，資源的浪費問題也日益嚴重?！盁o人燈、天明燈”的現(xiàn)象更是數(shù)見不鮮，造成大量電力資源的浪費。針對該問題，智能型節(jié)能教室系統(tǒng)將根據用戶行為特征，為其提供多級照明等功能，最大程度避免照明用電的浪費并實現(xiàn)照明供電的智能化和集約化。在實現(xiàn)能源節(jié)約的前提下，開發(fā)更多功能，突出表現(xiàn)其特點“智能”，例如加入智能打卡系統(tǒng)。這種全新的智能型節(jié)能教室系統(tǒng)，它秉承科技、節(jié)能、安全、實用的理念。

1 硬件選用

單片機STM32F104

STM32F104 單片機具有速度快、內存大、豐富的外圍接口。用單片機定義幾個引腳為輸入，分別接紅外傳感器檢測人數(shù)，熱釋電傳感器判斷片區(qū)是否有人和光敏電阻判斷光照強弱；輸出引腳分別接LED 燈和LCD160 顯示器。

光敏電阻

采用光敏電阻感應光線強度，自帶繼電器，當周圍光線變弱時引起光敏電阻的阻值增加，使加在電容C上的分壓上升，進而達到增大照明燈兩端電壓的目的，使燈光變亮反之，若周圍的光線變亮則引起光敏電阻的阻值下降，進而減小照明燈兩端電壓，使燈光變暗。

熱釋電傳感器

熱釋電紅外傳感器是基于熱電效應原理的熱電型紅外傳感器。當人體輻射的紅外線通過菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測元上時，電路中的傳感器將輸出電壓信號，然后使該信號先通過一個由C1、C2、R1、R2 組成的帶通濾波器，該濾波器的上限截止頻率為16Hz，下限截止頻率為0.16Hz。由于熱釋電紅外傳感器輸出的探測信號電壓十分微弱（通常僅有1mV 左右），而且是一個變化的信號，同時菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號電壓呈脈沖形式（脈沖電壓的頻率由被測物體的移動速度決定，通常為0.1～10Hz 左右），所以應對熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號進行放大。利用溫度變化的特征來探測紅外線的輻射，采用雙靈敏元互補的方法抑制溫度變化產生的干擾。熱釋傳感器如圖所示

紅外傳感器

全自動感應，人進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則延時關閉高電平，輸出低電平；溫度補償，在夏天當環(huán)境溫度升高至30～32℃，探測距離稍變短，溫度補償可作一定的性能補償。

LED 燈

綠色環(huán)保的半導體電光源、光線柔和、光譜純，有利于使用者的視力保護及身體健康并且節(jié)能、壽命長、適用性好。

2 設計方案

2.1 繼電器控制通斷電

通過紅外傳感器判斷教室內是否有人并將數(shù)據發(fā)送給單片機，如果有人則單片機向繼電器發(fā)送一個高電平從而對系統(tǒng)進行通電，相反沒人則單片機給繼電器一個低電平進行斷電（通過繼電器控制通斷電可以很好的防止電路故障造成的火災等危險，保障了學生的安全和保護了學校的財產，同時也能很好的避免教室無人燈的現(xiàn)象發(fā)生從而節(jié)約電力資源）。光敏電阻器對光的敏感性(即光譜特性)與人眼對可見光(0.4 ～0.76)μm 的響應很接近，只要人眼可感知的光，都會引起阻值變化。因此利用光敏電阻的特性巧妙地與繼電器模塊進行組合，利用室內的光照強度對教室的照明電路進行強制控制。實現(xiàn)了教室光線昏暗的智能供電，晴天的智能斷電。

2.2 熱釋電傳感器控制暗燈

因為熱釋電感應模塊采用雙元探頭，探頭的窗口為長方形，雙元(A元B 元)位于較長方向的兩端，當人體從左到右或從右到左走過時,紅外光譜到達雙元的時間、距離有差值，差值越大，感應越靈敏，當人體從正面走向探頭或從上到下或從下到上方向走過時，雙元檢測不到紅外光譜距離的變化，無差值，因此感應不靈敏或不工作；為了增加感應角度范圍，我們采用菲泥爾濾光透鏡，使得探頭四面都感應，但左右兩側仍然比上下兩個方向感應范圍大、靈敏度強，因此在橫向和豎向共安裝四個熱釋電傳感器在教室過道，以滿足監(jiān)測的靈活性和準確性，以對進入教室的用戶提供暗燈照明以滿足其基本的照明需求。

2.3 紅外傳感器控制區(qū)域燈

白天雖然有光照，但是日光不一定能為教室每個區(qū)域提供足夠的光照，因此將教室劃分為幾個區(qū)域，在統(tǒng)計教室人數(shù)后，通過紅外傳感器對每個區(qū)域是否有人進行判斷，再通過光敏電阻對該區(qū)域的光照進行感知，從而決定該區(qū)域燈是否亮起（這樣不僅能在白天合理的控制燈的開關也能很好的為需要燈光的學生或者老師提供合適的光照）。

3 軟件設計

該系統(tǒng)軟件采用C 語言編寫，編譯環(huán)境為Keil C51。C 語言與匯編語言相比，C 語言編程的可讀性高，便于理解和交流，在學習上，C 語言也比較容易上手。Keil C51 生成的目標代碼效率非常高。

4 實物圖展示

5 結束語

目前，能耗的節(jié)約是一個重大問題。如今,高校教學樓的數(shù)量不斷增加,伴隨而來的是電能的浪費。在國家大力提倡節(jié)能減排的時代背景下,針對目前高校教室存在著“長明燈”現(xiàn)象,室內照明沒有充分利用自然光，實現(xiàn)按需求照明和照明系統(tǒng)智能化程度低等問題,設計了以STM32 單片機為核心控制器的教室智慧照明系統(tǒng),對高校的節(jié)能工作具有重大意義。并且通過在該新型智能教室中加入智能打卡系統(tǒng)，一方面能夠更有效的實現(xiàn)燈光控制的功能，在另一方面，能夠有效識別進出人員，提高校園安全等級。