【《基于单片机的教室节能控制系统设计与实现（附问卷）》10000字（论文）】

目录页共=numpages51-348页 第一章绪论1.1本课题研究的目的和意义现在国内的各大高等院校普遍实行开放式的教学管理模式，教室一般是分时段，由管理人员自由管理，这种管理模式跟中学、小学那样特定的教室，用固定的人管理有很大的区别，教室的各种资源均有教室管理人员进行静态的管理。高校这样的管理模式尽管非常符合学生自由交流学习的实际情况，但同时产生了一些能源浪费问题。根据调查显示，各大高校普遍存在教学区“无人灯亮风扇转、人少灯多风扇多、白天亮灯”等用电浪费现象[1]，这种现象值得我们重视。根据所调查的资料和数据来看，如果用目前最新的节能系统对现有的高校教室用电系统改造，能够让其用电系统的电能利用率提高百分之三十。这里举例说明，国家规定现有的教室照明功率密度为每平方米按10W来进行设计，学校教室的面积一般标准为96m2，如果一个教室每天开灯十三个小时，这样下来每个教室每年要用160千瓦时，假设一个学校有大概210间教室，用最新的节能系统的话，全年能够节省2.28×105千瓦时的电能，现在的电价为0.56元，这样算下来全年能够省下来12万元的电费[2]，如果将此数据推广到全国3000多所高校，每年下来浪费的电能将非常惊人。因此，高校教室的用电系统通过最新的节能技术智能化的控制是非常有必要的，通过节能系统可以为学校节省很大开销，这是如何降低学校建筑物内功耗以及如何更加符合绿色环保的一个重要方向，更重要的是通过这样的方式，提高师生及全社会的节能意识，从而实现节能减排、保护环境。能量是人类生存的三大要素之一。目前，能量短缺仍是世界和中国最紧迫的问题，除了寻找新的能源，如何提高能源的利用率已经成为一个我们努力创新的方向，大部分高校已经意识到了教师用电系统存在很大的电能浪费问题，虽然采取了各种管理方法，但通过这种静态的方式始终没能坚持太久，因为节能的意识不能强迫每个人都拥有，许多方式不现实，反而带来了许多新的问题，由于教室的开放时间管理不善，使得教室资源的浪费以及各种不合理利用。因此，为了提高教室电能的利用率，研究该节能系统是非常有必要的。1.2国内外教室节能技术的研究现状1.2.1国内教室节能技术的发展与现状目前，我国积极推进节能减排，绿色环保的低碳生活，提高国民的生活质量，同时也对各大高校的建设提出新的要求，要求学校向着绿色环保的美丽校园建设，各大高校对此非常重视，积极的响应国家的政策，在教学建筑的用电方面实施照明节能工作，推出了许多可靠有效的措施。最近查阅了这方面的相关资料和数据得知，早在二零一零年六月份，北京大学、清华大学带头，百余所著名高校积极倡议，在北京成立了“全国高校节能联盟”，同一时间“十万百万”工程浩浩荡荡的在全国范围内迅速展开，这些积极的活动很大程度的提高了全国各类学校的节能环保意识，各大学校朝着国家提倡的方向建设[3]。各省的大部分高校都设立了能源管理专业委员会，以及制定了建设节能环保型校园的目标，并不断出台、修订、完善相关节能节电条例、制度、办法，实行学校节能节电工作的精细化管理，设立了相应的监督措施，使得学校朝着既定的方向发展。二零一一年，全国掀起了各种各样的节能节电活动，国内的大部分高校积极响应并参与“地球熄灯一小时”活动，根据山西省太原市参与该活动的数据显示，此次活动大约节约了3×104千瓦时的电能[4]。北京理工大学为了解决学校教室经常性的无人灯亮风扇转，人比较少使亮灯的问题,对现有的教室照明系统改造，实现了教室内无人灯灭风扇停。采取的主要措施是每八十平方米安装一台全方位数字波谱型的节电装置。这种装置运用先进的各类数据采集传感器将信息送到中央处理器分析，然后给出相应的判断，从而实现按照人们的需求来使用电能[2]。南开大学对校园供电设备以及供电系统进行升级改造，将智能控制开关用于各个教室，自此学校中长明灯的数量越来越少了。北京化工大学为了增进全校师生的节能环保意识，开展了绿色校园活动，这个活动的名字叫从“一度电的承诺”开始，学校的师生积极参加这个活动，在图书馆、教学区、宿舍从节约一度电开始，从而带动身边的人一起节约，同时在学校举办了“节电节能交流论坛”，有20余所高校有关节能环保绿色校园的社团和组织加入其中进行交流[5]。各大高校都把提高学生节能环保意识的教育内容加入大学生形势与政策的课程，并将学生这门课的的成绩当作一项重要的考察。许多有节能环保意识的学生自发的在学校宣传并提醒其他同学，还主动关闭不用的教室以及自习室的长明灯，降低学校电能的浪费。1.2.2国外教室节能技术的发展与现状近几年来，国外的各大高校积极响应联合国、国际节能环保协会等国际组织的号召，纷纷开展了各种节能绿色行动，节约能源，减少浪费。比如耶鲁大学早在二零零五年就制定了学校温室气体排放要减少百分之十七，师生在宿舍的用电降低百分之十的节能目标[6]。牛津大学为了鼓励学生在生活上节能环保，对推广节能低碳做出非常大的成绩以及在节能创新方面有所突出的学生奖励高额的奖学金。美国的各大高校倡导使用通过LEED认证、能源之星的电子产品，能源之星产品的节能标准比普通节能产品高30%，目前是中国市场上销量较高的照明产品。各高校根据教学的具体情况，定时开放照明等设施，安装智能控制器，精心设计天窗、通风窗等，充分利用自然光，这样既确保了教学工作又避免了浪费。各大高校不断加大对新能源的开发，每年拨出大量的科研经费用于新能源的开发、节能措施的研发和实践。二零零五年到二零零九年这四年中，麻省理工学院每年都会在节能创新措施的研发和改造上投入三百多万美元，这些研究措施主要是在供热系统和制冷空调系统的升级、给各类灯具的节能改造上[7]。通过这些创新措施每年可以为学校节省下二百二十多万美元，同时还为大气层减少了两千多万磅的温室气体的排放，将这些节省的资金用来资助和奖励那些提高能源利用率的研究团体和个人[7]。1.3本论文的主要研究内容本课题研究的内容是为了解决高校教室普遍存在的“无人灯亮风扇转，人少灯多风扇多”等用电浪费的现象，开发出了一种用单片机来控制的教室节能系统。在满足日常教学、科研的条件下，通过对教室灯具、风扇的智能控制，提高教室电能的使用率。该系统可以与现有的教室供电系统配合使用，大大的降低了改造的成本，设计了手动和自动两种控制模式，既保障了教室的合理用电，又满足了在特殊情况下的用电。论文分为五个章节介绍，具体如下：第一章主要说明了本课题研究的目的及意义，介绍了国内外高校教室节能技术的发展与现状以及采取的具体措施，总结了本论文研究的主要内容。第二章主要介绍了教室节能控制系统的总体设计，首先概述了系统的功能，然后分析并设计具体的方案，最后介绍系统工作的过程。第三章在上述基础上具体介绍了系统的硬件构成，从单片机最小控制系统、数据采集模块、系统电源模块、时钟电路模块、显示模块、按键控制模块以及继电器驱动电路这几部分内容详细论述了硬件系统。第四章主要阐述了系统的软件部分，具体介绍了系统监控的主程序模块，系统如何实现自检初始化，采集的数据如何处理，以及时钟模块的设计。第五章主要阐述了系统的调试运行以及对在此过程中发现的问题的分析，简单介绍了单片机系统的调试方法及具体步骤。论文最后总结本课题的研究工作，谈谈自己的心得，并找出自己在此过程中的不足，提出对以后的展望。第二章教室节能控制系统的总体设计2.1系统的功能概述本系统的主控制处理器选用AT89S52单片机，了解决高校教室普遍存在的“无人灯亮风扇转，人少灯多风扇多”等用电浪费的现象，可以与现有的教室供电系统配合使用，大大的降低了改造的成本。本系统制作了手动和自动两种工作模式，当控制系统在自动控制时，通过数据采集模块收集教室内是否有人,以及有人时在室内的人数信息和当前室内光照强度的信号,以实现在规定的执灯时段内,在教室内的光明亮程度不超过了预设的数值以及教室里人在的时间,开启教室内照明灯具,或者由于教室人员的变化,而改变了灯组的开启的数量,在教室内光暗程度超过了预设的数值或者教室内没人在时间,关闭了教室里的照明灯具;当使用手动模式时,自动控制器处在停止工作状态下,由用户自己手动开灯。系统由于控制要求还加入了时钟模块和显示当前人数功能，从而增强了系统的可靠性，方便了设定参数值，查看教室的人数。2.2方案的设计与分析方案的整体设计：总系统的结构主由上位机PC系统、下位机单片机系统和通讯系统三部分组成。教室检测主控制处理器选用AT89S52单片机，用RS-485通讯线将每层的所有教室检测控制单元联接在一起，用CAN总线将所有楼层的控制单元联接在一起[2]，然后通过教学楼的中央计算机的动态实时管理，从而实现对教室用电系统的智能控制，其具体结构如图2-1所示：图2-1教室节能控制系统整体结构设计教室检测控制单元设计：每个教室检测控制系统的主控制处理器选用AT89S52单片机，由环境光采集模块，热释电红外人体存在检测模块，时钟模块，EEPROM存储模块，看门狗模块，电源模块，显示模块，按键模块和继电器驱动电路模块这几部分组成，其具体结构如图2-2所示：图2-2教室检测系统控制单元设计本系统设计了手动和自动两种控制模式，当使用自动控制模式时，教室内人数和光强信息被红外人体检测电路和光强检测电路实时采集，将采集的信息送到中央处理器中处理，由中央处理后，将控制指令送到驱动模块，从而实现灯具、风扇的智能开关，所得信号与设定的初始值比较，教室人数不同，灯亮数量不同，当教室内光暗程度不高于设定的值并且教室内有人在时，主控制处理器发送命令打开教室灯具，当教室没人时，关闭教室内灯光。当检测到教室内光照强度高于设定的值时，不论教室内是否有人都关闭教室内灯具。当使用手动模式时，自动控制系统处于关闭状态，由使用者自由控制室内灯具。系统工作过程如图2-3所示：图2-3系统工作过程第三章系统硬件设计3.1单片机最小系统设计单片机最小系统是教室检测控制单元的基础和主要控制器件，接受并处理采集的信息，将相应的控制指令发送给输出系统，从而实现对系统的智能控制，它一般由单片机芯片、晶振电路、复位电路以及电源组成。3.1.1单片机的选择本课题使用AT89S52单片机。该单片机是ATMEL公司近期推出的51单片机，具有性价比高，性能优良的优势，同时它有8K的快速读写存储空间，可以用电脑以在线的形式编程。它是89C51系列的升级版，目前AT89S51的性能远高于C51系列，市场价格也比C51系列便宜，具有全新的加密算法，可以有效保护知识产权，具有更高的工作频率最高支持33Hz，工作电压的范围为4-5.5V，内部集成看门狗定时器，烧写寿命变得更长，具有1000次以上的烧写次数，这样可以为初学者省钱，可以反复烧写。它有256字节的RAM快速读写主存和4KB的EEPROM暂时存储空间，由于有足够大的RAM，所以不需要扩展RAM，使得外围电路不必要那么臃肿。综合上述优势，本文选择AT89S52单片机为教室检测控制系统的处理器。AT89S52单片机如图3-1所示：图3-1AT89S52芯片3.1.2晶振电路单片机的时钟信号一般是如何产生的呢，它可以通过内部和外部两种方式来产生时钟信号。本系统的时钟模块选择外部产生的方式，因此只要将外接的时钟模块与单片机的XTAL1和XTAL2引脚相连。本设计的晶振电路是由两个三十PF的负载电容并联上一个十二兆赫兹的振荡晶体，然后接地组成。系统晶振电路如3-2所示图3-2晶振电路3.1.3复位电路在单片机在处理信息的过程中，由于没有像PLC那样的屏蔽干扰的外壳的封装，因此就会出现程序乱跑，出现漏洞，甚至死机的情况，从而使得整个系统出现瘫痪，而且外界干扰总是不可避免的。所以为了减小这些影响，使单片机马上正常工作，那就必须对单片机进行复位，本系统中采取加入看门狗电路的方法，看门狗电路工作的过程是当系统中核心控制器出现死机或者其他异常情况时，给它一个复位的信号，让控制器复位，恢复正常状态。系统复位电路如图3-3所示：图3-3系统复位电路单片机最小系统仿真图如图3-4所示：图3-4单片机最小系统3.2系统电源模块AT89S52单片机要用的电源是4-5.5V，而我们生活中一般使用220V的交流电，所以我们需要用变压器来实现电压的转化。本课题中选用9V的变压器，用二极管桥式电路全波整流、再用电容滤波，电流流入L7805稳压芯片中，从而使电压稳定到5V。在输出端用两个电容吸收电压尖峰，从而防止负载电压突变。系统电源模块的工作原理图如图3-5所示：图3-5系统电源模块原理图由于在仿真软件无法仿真，因此在这里我们选用实验室的+5V的电源作为系统供电电源。3.3环境光采集模块教室检测控制系统通过光强检测电路采集室内的环境光强度，然后将信号传到单片机最小系统中处理，环境光强度是系统开关照明系统的主要参数之一。由于光敏电阻结构简单、经济实惠，当外部光强减弱时，其响应的时间也会相应的变长，所以本课题选用GL5516光敏电阻作为室内光强的采集单元。环境光采集模块原理图如图3-6所示：图3-6环境光采集模块原理图由于在Proteus仿真软件中，无法模拟教室里的光照情况，所以这里用按钮代替光敏电阻，当光照按钮被按下，表示教室内的光照强度比较暗，没有被按下时，则表示教室内比较亮不需要开灯。环境光采集模块模拟图如图3-7所示：图3-7环境光采集模块模拟图3.4热释电红外感应模块3.4.1工作原理及设计热释电红外传感器的工作原理是由于物体自身发出的红外线各不相同，所以通过检测不同的波长来实现物体的存在以及数量的检测。由于它可以不受可见光的影响，可以不分昼夜使用，不用另设光源，易于检测，因此它目前在许多场合及非接触温度等领域被广泛的使用，本设计中选用德国的LH1778热释电红外传感器，检测教室内是否有人在以及有多少人。热释电红外检测模块原理图如图3-8所示：图3-8热释电红外检测模块原理图由于在Proteus仿真软件中无法仿真热释电红外传感器，所以在仿真中用按键的方式的来表示，通过按钮的加减来控制教室内的人数，按下外部按钮，表示有一个人从教室里的出去，当按下内部按钮，则表示有一个人从外面进到教室里。红外检测模拟图如图3-9所示：图3-9红外检测模拟图3.4.2人体存在传感器的安装说明人体传感器由于自身的结构特性，容易受到外界的影响，出现报错现象，所以在安装时要注意抗干扰。探测器要安装到离地面2-2.2米，从而防止一些小动物的干扰；不能靠近空调、暖气片等空气变化敏感的地方；其探测的范围内不能有大型装饰物、隔断等隔离物；窗外人员走来走去和热空气的流动都是移动的热源，如果将人体存在传感器对向窗外，这样就会导致传感器误报，所以安装时要避免这种问题。3.5时钟电路模块由于教室照明系统在不同的时间段使用的情况不同，所以本系统还要设计时钟电路，从而保证系统的智能控制。本系统选择DS1302时钟芯片，这款芯片拥有充电功能和临时存储功能，当系统掉电时可以为其进行充电，如果不需要此功能还可以将其关闭。该芯片能够显示年、月、日，时间从小时精确秒，如果是闰年还可以为其补偿，它的正常工作电压一般为2.5V~5.5V[9]。DS1302它可以与单片机直接进行相连通信，而且只需要三根线就能完成，个体比较小，，不占电路板空间，使用起来不会太复杂，时钟精度比许多芯片要好[10]，可以达到本系统的要求。时钟电路模块如图3-10所示：图3-10时钟电路模块3.6继电器驱动电路模块本模块使用三极管来驱动继电器。当教室内不需要开灯时，P2.5口为高电平，这时三极管处于截止状态，继电器不得电，教室不开灯；当教室内需要开灯时，P2.5口为低电平，这是三极管处于导通状态，继电器得电，教室开灯。由于继电器吸合期间可能出现过电流，产生火花，因此在继电器的输出端加入保护阻抗。继电器驱动电路原理图如图3-11所示：图3-11继电器驱动电路原理图3.7显示电路模块本设计的显示模块选用LCD1602液晶显示器，用于显示当前的日期、时间、教室内人数。它与单片机相连时要注意保护，接一个保护电阻。LCD1602显示电路如图3-12所示：图3-12显示模块原理图3.8按键控制模块按键模块如图3-13所示：图3-13按键模块该模块的功能是通过按键控制当前系统的工作模式以及时间状态。比如：修改当前的日期和时间，自动和手动两种模式之间的切换。灯和电风扇主电路如图3-14所示：图3-14灯和电风扇主电路图由于教室中有很多盏灯，每个灯画法与此相似，用不同的触点KA控制，在这里就不一一画出了。整体仿真图如图3-15所示：图3-15整体仿真图第四章系统软件设计4.1系统主程序模块设计系统主程序的功能一般由一段监控程序监控全局和调用子程序处理相关任务两部分构成。监控主程序是整个控制系统的最重要的部分，主程序越简洁处理信息的效率越高，所以将大部分要实现的具体功能放入子程序中，使主程序不断调用子程序来完成相应的任务。子程序中一般要设计中断程序，用中断程序调用相应的功能程序来配合主程序完成任务。本系统的主程序模块流程图如图4-1所示：图4-1系统主程序流程图部分主程序分析：刚开始，单片机主控制器初始化，时钟DS1302、显示器LCD1602分别开始初始化，紧接着，系统设置定时器，允许定时中断，等待外界选择按钮，启用手动还是自动模式，同时环境光采集模块采集教室内的光照强度并发给中央处理器处理任务，红外人体检测模块将室内的人数信息传到主控器，然后，通过室内光照强度和人数判断是否开灯，如果教室内的光亮程度不高于设定的值且教室内有人在的时候，打开教室灯具，随着教室人数的改变，改变灯组的开启的数量，当教室内光暗程度高于设定的值或者教室里没有人在时，关掉教室内的灯具。最后，开始按键扫描，如果有按键被按下，根据不同的按键，转职相应功能的发射程序；如果没有按键被按下，则返回主程序。本系统的定时中断处理流程图如图4-2所示：图4-2定时中断流程图按键扫描流程图如图4-3所示：图4-3按键扫描流程图4.2数据采集子程序设计 4.2.1环境光采集子程序设计本设计选用光敏电阻来检测教室内环境的光暗程度。环境光检测的流程如图4-4所示：图4-4环境光检测模块流程图4.2.2热释电红外检测子程序设计由于人体存在传感器容易受到各种光源、热源的干扰，红外穿透力比较差，从而导致传感器出现短暂的失灵或是灵敏度下降，人体如果在一定的时间内没有活动，它会认为教室内没有人，因此为了防止这种现象出现，本系统在热释电检测模块中让人体存在间隔60s及以上的时间对人体存在信息采集。本系统在考虑到环境条件达到设定值后,不管室内是否有人都不开灯;当环境光没有超过阈值时,并且在教室里有人后才执灯,而无人时则不执灯。所以,可以将数据采集模块的参数逻辑定义如下:表4-1环境光与人体存在参数的逻辑定义热释红外检测子程序的流程图如图4-5所示：图4-5热释电红外人体检测的流程图4.3时钟模块子程序设计由于新的时钟我们对它的状态一切未知，所以我们刚开始使用时要对其自检初始化。时钟自检初始化程序流程图如图4-6所示：图4-6时钟自检初始化流程图DS1302工作的程序设计流程图如图4-7所示：图4-7时钟DS1302工作程序流程图4.4显示模块子程序设计我们为了清楚地知道系统的运行状况，那么就需要给系统加入显示模块，通过人机交互的窗口来更好的控制系统的运行。LCD1602显示器工作程序流程图如图4-8所示：图4-8LCD1602显示模块流程图第五章系统调试运行及问题分析5.1单片机系统调试方法及步骤在系统初步设计完成后，为了检验整个系统是否能完成我们所设定的功能，是否符合任务书中的要求，同时为了检测系统是否可靠以及他是否能够长时间的运行，所以我们要对系统进行检查和调试，解决硬件组装和软件运行时所出现的问题。一般系统的调试分为硬件调试、软件调试以及整个系统的联调。实际调试时一般遵循以下的流程，首先对系统用静态方式来调试，同时可以分步将各模块的程序跑一遍，然后将硬件和软件联动起来调试，最后长时间运行程序，检测其可靠性和稳定性。静态调试主要是通过一步步的手动检测，找出明显的故障然后想办法排除，软件调试是在程序编好后通过模拟软件进行各个模块的软硬件模拟调试，找到问题所在，然后不断修改优化程序，动态调试也就是硬件和软件之间的联调，将程序烧写到硬件中，同时对软硬件电路诊断，找出故障，并想办法解决。以下是各模块电路调试流程图：图5-1电源调试图5-2单片机最小系统调试图5-3数据采集电路调试自动模式仿真：设置从早上八点开启自动模式控制，晚上十点关闭系统。“光照”按键未被按下表示当前教室内光强比较亮，教室内无论是否有人，教室内所有灯都关闭。如图5-4所示：图5-4室内比较亮，无论是否有人按下“光照”按键表示当前教室内的光照强度较暗，用“内部”按键将教室内的人数调到十人以内时，此时第一个灯亮。如图5-5所示：图5-5室内较暗，十人以内按下“光照”按键表示当前教室内的光照强度较暗，用“内部”按键将教室内的人数调到十到二十人之间时，此时前两个灯亮。如图5-6所示：图5-6室内较暗，十到二十人按下“光照”按键表示当前教室内的光照强度较暗，用“内部”按键将教室内的人数调到二十到三十人之间时，此时前三个灯亮。如图5-7所示：图5-7室内较暗，二十到三十人按下“光照”按键表示当前教室内的光照强度较暗，用“内部”按键将教室内的人数调到三十人以上时，此时所有的灯都亮。如图5-7所示：图5-7室内较暗，三十人以上手动模式仿真：按下手动按键，系统处于手动控制状态。图5-8手动模式开灯状态5.2主要问题分析系统调试是一个非常不确定的过程，即便两个人做同一个系统，也大概率会出现不同的问题，这也就使得系统调试变的很复杂，调试的时间变得非常长，有时候一个问题能困扰很长时间，因此，调试的过程中一定要细心，不能操之过急，只有解决了所有的问题，系统才能正常工作。本次调试中，遇到的主要问题如下：当系统开机时，LCD1602显示的时间总是从刚开始设置的值开始计时。分析：时钟模块不能按预定的设置进行工作。通过检测发现DS1302时钟没有初始自检，通过修改程序解决了