【《多媒体教室智能控制系统设计》6400字（论文）】

PAGE1多媒体教室智能控制系统设计摘要：伴随着智能控制系统的发展，其应用的方面和领域越来越广泛。智能控制技术是一种自动控制技术，智能机器在其驱动下能独立完成各种设定好的目标任务，并且在应用该技术的过程中不需要人工的干预。为了使作为计算机辅助教学的多媒体教室变得更加智能便捷，采用了文献研究和功能分析等方法，设计了建立在多媒体教室上的智能控制系统，对多媒体教室中的一些功能开展了具体的研究设计，研究多媒体教室的功能是否可以变得更加智能化。在多媒体教室中，我们发现可以对窗帘、灯光和空调进行一些智能控制。其具体功能如下：当有人时多媒体教室灯光自动打开，并能够根据周围环境的明暗来调整灯光的强弱，也能利用语音控制来自动打开或关闭窗帘；能够根据教室是否有人做出判断，当长时间检测不到有人时能够自动熄灭教室的灯光；针对使用投影仪的多媒体教室，在投影仪开启后可以利用语音来打开或关闭讲台投影区的灯来达到较佳的视觉效果；语音控制实现多媒体教室里空调的打开、关闭；这大大提高了多媒体教室与智能控制系统的实用价值，使多媒体教室其功能更强大、操作更便捷，更加智能化。关键词：智能控制；多媒体教室；STC12C5A60S2单片机1绪论1.1研究背景随着现代信息网络技术、嵌入式网络技术、多媒体传播技术和数字视听技术的快速发展，以及在现代教育教学方面的大规模传播，大力推进教育现代化是当前世界教育发展的主流，作为一种新型的现代化教育教学形式和教学技术手段,广泛利用多媒体开展教学的新型教学环境是教育现代化的基本要求和显著特征之一[1]。与此同时智能控制技术也在逐渐发展着，智能控制是自动控制发展的最新阶段，它主要用于处理传统控制难以解决的复杂系统的控制问题，智能控制是在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术[2]。应用和研究智能控制理论是以现代控制理论为基础的进一步拓展，与智能控制系统有关的学科范围非常广泛，它能够用来处理传统控制中一些无法实现的实际控制应用问题。智能控制在很多方面都有所应用，在生活中，我们所看到、听到和用到的一些技术装置中都可能涉及智能控制系统。智能控制可被看作是建立在知识和经验上的直觉推理方法，在以后可能会成为科技发展的最新方向之一，并应用于未来的各个领域。本设计建立在当今多媒体教室的基础上，从优化和完善多媒体教室的功能出发，充分发挥科学技术的优势，将智能控制系统与传统的多媒体教室结合起来，谈谈运用了智能控制系统的多媒体教室为其使用者提供更大便利的合理构想。大大提高多媒体教室与智能控制系统的实用价值，希望能给学生们创造一个良好的学习环境，让多媒体教室其功能更强大、操作更便捷，更加智能化，减少资源的浪费,方便了教师对多媒体的使用[3,4]。同时也希望在理论知识的基础上加强自己的实际动手能力，在实践的基础上又能进一步强化对理论知识的掌握，与此同时也能够让学生们进一步感受到科学技术的便捷和魅力。设计符合教学和管理需求的，实用和高效的多媒体教室智能控制系统[5]。1.2多媒体教室有关的智能控制现状在以往的一段时间，多媒体教室大多都基于传统的控制方式，比如需要使用者手动打开多媒体教室的灯光、窗帘和空调等设备，甚至有时会因为忘记及时关闭教室的灯光而造成不必要的资源浪费，或者没有调节灯光强弱意识而忽视视力保护，毫无疑问这是我们当前需要关注的一些问题。随着科学技术的不断进步和各大高校对多媒体教学资源和办学设备的大力投入，传统的多媒体教室还可以得到进一步的改进和完善，为了构建一种新型教育形式和现代化教学手段，多媒体教室与智能控制技术结合在一起，设计出一种多媒体教室智能控制系统，使教学环境走向智能化，使多媒体教室发挥更大的作用和影响，给教育创新也带来新的体验和机遇，帮助共建环境友好型社会[6,7,8,9]。在国内外，智能控制技术已经通过了较大的初步发展，并已逐步涉及到工程化和实用化两个阶段。然而它目前作为一种新的控制理论技术，还仍然处于发展重要时期。但是随着计算机、人工智能等新技术在今天的高速发展，智能控制的快速发展新时期终将会到来。利用智能控制技术可实现许多的设计，比如利用智能控制技术可实现智慧城市、智慧垃圾系统等设计，而在这里我们是将智能控制技术应用到多媒体教室中[10]。多媒体教室结合了多种新型现代化教学设备用具，如音响、投影仪、中央教学控制管理系统、计算机等。在这个多媒体教学教室中,教师只要通过随手操作一台智能计算机和各种自动辅助教学设备等就可以方便地随时进行课堂教学,整个课堂教学活动过程信息可以在一个大屏幕上清晰显示,不再是以前只有传统的黑板和粉笔的教学模式。而在多媒体教学的基础上又可根据当今科学技术的发展对其进行多方面的提高和进一步的改善，结合智能控制系统不断地丰富多媒体教室的功能。基于智能控制的多媒体教室的教学可提高教学的灵活性、便捷性和教学效率，也能很好地保护学生视力和节约资源，在经济和应用上都有很好的推广价值[11,12]。2设计内容及基本要求2.1设计内容对于本次的毕业设计，按照要求设计一个多媒体教室智能控制系统，将智能控制系统运用到多媒体教室中。该系统包含有光敏电阻、人体红外传感器、语音控制模块和单片机控制电路等部分。整个系统在运行过程中，通过光敏电阻感知室内光照强度的强弱，通过人体红外传感器感知室内是否有人存在，将这些采集到的信息传送到单片机的控制中心,并且利用起初设定好的相关控制程序,来对照明灯控制模块进行相关操作从而对灯光的强弱进行调整，当检测到有人时能自动打开教室灯光，而当长时间检测不到有人时能自动熄灭教室的灯光，从而达到节能的目的，也能通过语音控制程序来自动打开或关闭窗帘。另外通过语音控制实现多媒体教室里空调的打开、关闭，对于使用投影仪的多媒体教室，可以在打开投影仪后通过语音控制自动关闭相应的灯光，以达到更好的视觉效果。2.2基本要求当有人时多媒体教室灯光自动打开，并能够根据周围环境的明暗来调整灯光的强弱，从而进行合适的灯光调整，也能利用语音控制来自动打开或关闭窗帘；能够根据教室是否有人做出判断，当长时间检测不到有人时能够自动熄灭教室的灯光；针对使用投影仪的多媒体教室，在投影仪开启后可以利用语音来打开或关闭讲台投影区的灯来达到较佳的视觉效果；语音控制实现多媒体教室里空调的打开、关闭，给多媒体教室的使用者带来了便利；3方案设计本设计围绕着智能控制系统并以此为核心来创建和完善多媒体教室，利用智能控制技术把多媒体教室中各种硬件设备创新高效地结合起来，将设计中运用到的各个模块结合起来共同作用来实现对多媒体教室的智能控制。该多媒体教室智能控制系统的结构框图如下所示，它主要包含有电源、单片机、光敏电阻、人体红外模块、语音控制模块、窗帘控制模块、空调和灯光控制模块、和显示屏模块。在设计中用到的单片机是STC12C5A60S2单片机，它是一种单时钟/机器周期的新一代8051单片机，具有低功耗、超强抗干扰和高速等三大主要优点，其实际运行指令代码完全兼容以往传统的8051，但是实际运行代码速度要比以往传统的8051快8-12倍。图3-1教室智能控制系统结构框图4系统硬件设计图4-1是多媒体教室智能控制系统的设计原理图，从原理图中可以看出有时钟和复位电路、电源接口、单片机、人体红外模块、语音控制模块、窗帘控制模块、空调和灯光控制模块、和显示屏模块，各部分结合在一起共同作用组成多媒体教室智能控制系统。图4-1多媒体教室智能控制系统的设计原理图4.1人体红外模块设计人体红外模块用于检测多媒体教室中是否有人存在，该模块是采用LM393双电压比较器构成的人体红外传感器，当教室中有人时能够被红外模块中的传感器检测到，则教室照明灯光自动打开，并且由于光敏电阻的作用使得教室照明灯光随着光照强弱的改变而自动改变，当教室中人离开后，照明灯光亮10秒后自动熄灭。传感器设备是一种能将接收的被测信息按照某种特定规律转变成电信号或某种所符合要求的形式而进行输出的检测设备。传感器可以对各种信息数据进行实时传输、存储、控制、处理、记录和显示，具有数字化、微型化、系统化、多功能化、智能化等特点。传感器是成功进行自动控制和自动检测的第一步重要环节，它的广泛存在和不断发展带动了当今科技的进步，便利了人们的生活。在多媒体教室智能控制系统中还用到了光敏电阻，利用光敏电阻来采集外界光照强度，反馈给单片机后再执行相关程序使得教室灯光随之改变。光电导效应主要是由一些吸收光子能量后的物质，出现了杂质或本征吸收的现象，并且其物质电导率随之发生了变化。而光敏电阻就是通过使材料具有光导效应来改变入射光度的电导(或电阻)的器件。图4-2人体红外模块4.2语音控制模块设计SNR8015VR是一种32位的高性能音频处理器，具有一套专门设计用于语音识别和信号处理的DSP指令集，支持浮点运算的FFT加速器和FFU单元,特别设计用来发挥语音识别算法处理的能力。本设计利用其构成的语音控制模块能够对多媒体教室中的投影仪区域灯光、窗帘和空调进行智能语音控制。图4-3语音控制模块图4.3窗帘控制模块设计在窗帘控制模块中采用步进电机来对多媒体教室里的窗帘进行模拟设计，步进电机可以把电脉冲转变成角位移。当它从步进驱动电机的脉冲驱动器件中采集到某个脉冲驱动信号时,步进驱动电机就会被脉冲驱动按照某个指定的运行方向自动旋转某个固定的转动角度。在该系统设计中使用的电机是28BYJ48型四相八拍电机,其工作电压一般设定为直流5V—直流12V。当通过步进驱动电机脉冲接收检测到一连串电机控制转动脉冲时,其转动能够一直连续的进行,为了同时能够得到精确定位,利用电机控制转动脉冲的个数去自动控制脉冲相应的角位移转动量,并且为了同时能够精确调节转速,利用电机控制转动脉冲的相应频率来自动控制步进电机所对应脉冲转动的加速度和转动速度。图4-4窗帘控制模块图4.4空调和灯光控制模块设计在空调和灯光控制模块中，对多媒体教室中的空调和灯光是利用LED灯进行模拟的，其中用作多媒体教室的照明灯可以在有人的时候自动亮起，在无人的时候延迟十秒后自动熄灭，并且此照明灯可根据周围光照强度的改变而随之改变；而在投影仪区域的灯光和教室中的空调可以通过语音控制进行打开或关闭。图4-5空调和灯光部分模块图4.5显示屏模块设计在显示屏模块中，显示屏用于记录时间和反映光照强度的数值，光照环境越暗，则反映光照强度的数值越大；若光照环境越亮，则反映光照强度的数值越小。在该模块设计中使用的是LCD1602字符型液晶显示模块，它显示的内容为16×2,即最多可以显示两行、每行16个字符，它可以用来显示数字、字母、符号等。LCD1602有三个主要管脚在编程中会用到，这三个管脚是：E、RS、R/W。按时序来开展初始化、写命令和写数据等相关指令，程序主要围着这三个管脚进行编写。LCD1602一次最多能显示2行16个字符，并且它有16个控制引脚，D0-D7是其中8位数据总线引脚，而EN、R/W、RS是其中三个控制端口，内部具有复位电路，能够提供一些控制命令,如：显示移位、光标闪烁、字符闪烁和清屏等功能。图4-6显示屏模块图5系统软件设计图5-1是教室智能控制系统软件流程图，从流程图可以看出首先程序开始后，进入LCD、定时器初始化，然后开启显示和采集光线功能，接着判断教室是否有人以及是否接收到语音指令，如果教室有人则执行教室灯光相关的功能，而教室无人则也接着判断是否有语音指令；如果检测到有关投影仪区灯光、窗帘、空调等语音指令，则执行相对应的功能，而若没有检测到任何语音指令，则回到显示部分显示时间和光照强度。图5-1教室智能控制系统软件流程图下面是关于多媒体教室智能控制系统的主要程序部分。图5-2是关于多媒体教室智能控制系统的部分仿真，该部分仿真主要是对教室智能控制系统中的显示部分进行仿真，由仿真图可以看到，有AT89C52芯片，必要的时钟电路和复位电路，以及显示部分需要用到的LCD1602显示屏模块和模拟窗帘的显示模块。图5-2教室智能控制系统部分仿真6实物测试6.1焊接实物图6-1是焊接实物图，在焊接实物图中我们可以看到标注的有电源插孔、光敏电阻、语音控制模块、室内灯光、窗帘、空调指示灯、投影仪区域灯光、人体红外模块和显示屏模块等部分，具体如下图所示：光敏电阻电源插孔显示屏模块人体红外模块投影仪区域灯光空调指示灯窗帘室内灯光语音控制模块光敏电阻电源插孔显示屏模块人体红外模块投影仪区域灯光空调指示灯窗帘室内灯光语音控制模块图6-1多媒体教室智能控制系统焊接实物图在实物测试部分准备测试多媒体教室中与灯光、窗帘和空调有关的功能，为了更加直观地呈现测试结果，将功能分成四部分进行展开，其中功能一对应的是当有人时多媒体教室灯光自动打开，并能够根据周围环境的明暗来调整灯光的强弱，从而进行合适的灯光调整，也能利用语音控制来自动打开或关闭窗帘；功能二对应的是能够根据教室是否有人做出判断，当长时间检测不到有人时能够自动熄灭教室的灯光；功能三对应的是针对使用投影仪的多媒体教室，在投影仪开启后可以利用语音来打开或关闭讲台投影区的灯来达到较佳的视觉效果；功能四对应的是语音控制实现多媒体教室里空调的打开、关闭，给多媒体教室的使用者带来了便利。6.2功能一的测试如图6-2可以看出当我们用手靠近人体红外模块时，右下角室内灯光明显亮起，借此来模拟当教室有人时多媒体教室灯光自动打开，然后我们用手遮挡光敏电阻如图6-3所示，从显示屏可以看出光照强度明显改变并且右下角室内灯光也随之改变，即可以根据周围环境明暗来调整灯光强弱。接着利用语音控制来自动打开或关闭窗帘，当用语音关闭窗帘时见图6-4，语音打开窗帘时见图6-5，此时步进电机与窗帘关闭时的状态对比旋转了一定角度。图6-2教室有人时灯光自动打开图6-3教室灯光随外界光照变化而变化图6-4语音控制窗帘关闭图6-5语音控制窗帘打开6.3功能二的测试如图6-6可以看出当我们不再用手靠近人体红外模块时，约十秒后右下角室内灯光明显熄灭，借此来模拟当教室没有人时多媒体教室灯光自动熄灭，即能够根据教室是否有人做出判断，当长时间检测不到有人时能够自动熄灭教室的灯光；图6-6无人时教室灯光自动熄灭6.4功能三的测试当测试使用语音控制指令来打开或关闭讲台投影仪区域灯光时，图6-7是语音打开投影区灯光，此时可以看到投影区灯光亮起；而图6-8是语音关闭投影区灯光，此时投影区灯光熄灭；故针对使用投影仪的多媒体教室，在投影仪开启后可以利用语音来打开或关闭讲台投影区的灯来达到较佳的视觉效果；图6-7语音打开投影区灯光图6-8语音关闭投影区灯光6.5功能四的测试测试语音控制实现多媒体教室里空调的打开、关闭，图6-9是语音控制打开空调，可以看出此时空调指示灯亮起代表空调打开，图6-10是语音控制关闭空调，可以看出此时空调指示灯关闭代表空调关闭，给多媒体教室的使用者带来了便利；故语音控制可实现多媒体教室里空调的打开、关闭。图6-9语音控制打开空调