【基于单片机的智慧教室之环境智能调节系统设计5600字】

基于单片机的智慧教室之环境智能调节系统设计摘要由于传统教室过于浪费电力，造成资源的过度浪费，我这次的设计就是关于智能教室的照明控制。该系统将ESP8266WiFi模块作为控制装置的主要部件，采用24G毫米波雷达传感器和超声波传感器检测学生和老师的进出信号，并采用光照度传感器控制教室的光强度。根据我们的教室的光强度舒适度来进行电路设计，通过检测人体和光照度来识别和判断，完成智能教室的智能照明控制。通过采用照明控制系统，可以根据时间地点，和人的数量，控制教室光的强度，不需要手动开关灯，这个系统可以通过需求自动开启和关闭。该系统轻便体积小，具有较高的牢固性，而且性价比很高，在节能方面又可以省钱，所以我觉得这个系统很好用。关键词：ESP8266串口WiFi模块；光照度传感器；24G毫米波雷达传感器；超声波传感器1引言随着经济的飞速发展，当代社会面对越来越匮乏的资源，动用了很多人才去解决这一问题，科技文明社会离不开电力资源的使用。近几年我国重点研究了一个名为“中国绿色照明工程”项目，它的主要目的就是开发出性价比最高的照明系统来节省电力资源，保护生态环境，并且在全国施展开来。智能照明系统的实践性是一个很重要的问题，特别是这几年很多国家发生了“电荒”，一些城市甚至还会启用到晚上就断电的措施，照明控制系统不仅能够减少灯具在室内的开启时间，还能降低照明用具的使用寿命，我们的目的就是为了节约更多的能源以免造成不必要的浪费，可见智能照明系统的好处值得我们去探寻，其开发与利用能力不可估量。现在国外一些国家已开发出一些照明的自动控制系统，相比较而言我国的教室照明控制系统研究的还很少，对也不太关心对电力的保护，大部分教室还是用的手动开关模式。但是现在随着时代的不断进步，现代社会的智能化设备也要不断的升级，教室的灯光控制随着社会的不断发展而进步。节省电资源的首要方法是提高灯具的使用寿命和开关次数，因此智能教室照明控制就是我此次研究的课题。2教室照明方案总体设计2.1照明方案的思路教室照明的方法有三种。第一个呢，就是在教室中检测人的进出，从而去完成对人数进出的一个统计；但往往因为系统它的监测范围，在范围之外的人就测不到，从而造成教室的灯不开或者全开的这样一个现象，产生很大的电能损耗。第二种方法，利用对光的强弱程度来达到控制灯的亮灭，光线强，系统就关灯；光线弱，系统就开灯。第三种是对于第二种的夜晚实况做出的改变，基于对时间的操控，设置在某一段时间段内，系统控制灯处于打开还是关闭状态，且不受外界环境因素的影响。以上者三种方案，都有各的缺点和优点；对于这三种方案，我们可以加以结合和运用，取其精华去其糟粕。我的这次设计就可以在这三个方案上加以实施，运用多个器件还有在校学习经验和查阅到的资料来完成一个智能照明控制。以esp8266为核心来确定这个系统的采集，关于智能照明控制的主要实现性就是对这个教室的智能化灯控控制，我们可以采集一些信号参数给系统，一个是检测人体出现，一个是区域内的光照度。当系统检测出这个区域出现学生时并且教室的环境处于要开灯状态时，教室的灯就自动打开，当学生离开之后灯就自动关闭。这个控制还需要考虑一个因素就是教室外面的环境和天气因素，如果白天有学生进入教室，教室的光线很充足，则这个照明系统需检测出并且不开灯，如果出现雨雪阴天环境，则这个系统也得检测出并且在白天不开灯，这样我们一个智能照明系统才算一个可行的设计，并且能够帮助节省不必要的能源浪费。2.2照明设计涉及的问题如何通过感应，实现对应区域分区域照明感应光照强度，如何实现照明强度调节通过雷达、超声波感应是否有人及具体位置3系统硬件设计3.1总体结构设计本文设计分为区域的光照度模块，检测区域的人模块，照明控制三个模块区域的光照度模块中采用了环境光传感器BH1750检测区域是否存在人采用了24G毫米波雷达传感器和超声波传感器照明控制用LED灯光的PWM技术实现开关选用esp8266为核心器件，其主要原因是esp8266是超强抗干扰的单片机，并且该单片机特点比较符合本文的设计要求。3.2ESP8266串口WIFI模块在这个系统中我采用ESP8266来作为这个系统的供电电路，因为ESP8266的成本很低，对于我们没有什么负担，而且相对安全可靠，能用最低的成本发挥最大的作用，适应多种环境。ESP8266实物图如图1所示：图1ESP8266实物图ESP8266模块的工作原理：ESP8266是一个完整的WiFi网络应用处理器，它的处理和储存功能很强大，而且不会占用多少内存空间，能以最低成本提供最大的可能，为其WiFi功能嵌入其他的系统也提供了很大的帮助。其ESP8266模块引脚图如图2所示。图2ESP8266模块引脚图3.3光照度传感器在智能教室中，我们照明系统是很智能化的，白天的时候是不需要开灯的，到了傍晚灯光会随着时间逐渐达到它最舒适的亮度，而这些则需要光照度传感器来控制。其实物图如图3所示：图3BH1750实物图本文涉及到的两个方面为光照强度和检测人体信号，所以我采用光照传感器BH1750来控制光照强度。此传感器是一种两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路，灵敏度较高，且比较稳定可靠。它可以利用自身收集来的光线强度数据来决定光的强弱，此传感器有四个引脚，第一引脚接IIC设备地址，第二引脚接地极，第三引脚和第四引脚接IIC总线数据和时间，第四引脚接电。光强度模块声明如图4所示。图4光强度模块声明光敏电阻信息采集，再发送需要用到IIC通讯协议IIC通讯协议介绍：IIC总线是一种两线式串行总线，它用于连接一些小型控制器和部分外围设备，由SDA和SCL构成，可以发送和接收数据，在传输数据时有开始、结束和应答三种信号。如图5所示所示：图5IIC传输图3.424G毫米波雷达传感器检测人体进出教室的控制：采用24G毫米波雷达传感器完成人体信号采集，在它所感应的范围内都能检测到人的存在，只要学生或者老师进入教室在它的检测范围时，就可以自动感应出来，高低电平代表他的检测信号，当人离开教室不在检测范围之后，信号会延迟几秒时间然后消失。其实物图如图6所示：图624G毫米波雷达传感器工作原理：雷达传感器采用人体触发的方式，它的检测距离范围比超声波传感器要远，所以测得更精准而且所用到的电更少，在智能方面会更优化效果，在超声波的基础下所显示的效果更好。他有三个引脚，分别为电源、地极和输出端，将其连接于ESP8266开发板，进行调试，然后进行发送电波和传输回波，最后根据接收时间来测出距离。雷达传感器的特点：每个传感器在安装时都会有要求和各种条件，如果在运行时出现了失误，一种是传感器发生故障或者短路；一种是在接线时线接错了，所以我们要了解其特点以备不时之需：它的波束很窄，这一特点可以在分辨率和角精度上具有优势，而且有助于抵挡其他电波干扰等。在运行工作频繁时，它的测距功能和接受速度会根据其状态调整和提高。它的体积很小，适用于很多方面，在航空方面运用最多。雷达传感器的缺点：在感应人存在时，它的会被人的移动方向所干扰，它不能精确判断人横行和径行方向，所以为了避免整个设计出现失误需搭配超声波传感器一起检测。雷达传感器受天气影响较大，所以此设计要避免雷雨天气。3.5超声波传感器当有人进入教室，雷达传感器检测到人经过时，则需要超声波传感器接收消息并发送给主机，才能完整的完成检测区域人经过这一过程。一开始我选购的是HC—SR04，进行接线调试，代码烧录后传感器并没有产生反应，查阅了资料后发现HC-SR04是不能在ESP8266上面直接使用，因为它需要5V的电压，而我选取的ESP8266最大电压为3.3V，还需接外接电压才可，这样给我的设计也增添了压力，之后了解了一些情况并且导师也给予了一些指导，我发现HC-SR04P可以完成，并且它的最大电压正好是3.3V，正好符合。工作原理：超声波传感器主要由接收，发送，控制和电源组成。超声波传感器有一个弊端就是受温度因素影响，所以控制智能教室温度是很有必要的。实物图如图7所示：图7超声波传感器3.6光照信号采集与处理检测区域的光照度对室内环境的舒适度状态，主要是通过光照度传感器来完成的，此系统的各个硬件都将对这个状态进行合理的转换和进行，并且要发送给单片机来运行处理，单片机根据其各个传感器发送过来的数据进行运作，也可通过该通讯接口，上位机单元发出的控制指令，现场控制单元实现相应的控制命令操作。（1）光敏电阻相关器件举例现在市面上可以用到的检测光电器件有光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管等，选择光照传感器可根据参考表1来进行比较选择。表1各种光电器件特性比较光敏电阻比其他光电器件更具有的优点：灵敏度比其他光电器件要高，操作时更明显。可承受的电压大，不容易烧坏。可检测光照强度大，强光和弱光它都可以感应到。（2）光敏电阻的工作原理接通电源，判断高低电平时在外界有光照射在光敏模块上时，因这一动作产生的光电子会沿着电场作用的方向进行运动。使电路工作，进行光电转换。光敏电阻的工作原理如图8所示：图8光敏电阻的工作原理它的超导电性会根据外界光强度改变，光强则超导电性强，反之则弱。当其电导率增加，流过的光电流增加，它本身的电阻值会随之减小：反之电导率减少，流过的光电流减少，它本身电阻值则增加。3.7整体设计实物图介绍完各个硬件后就需要将其连接到ESP8266开发板上，使其成为一个完整的设计系统，具体如图9所示：图9系统实物图

4系统控制模块程序编写在选取完硬件之后，程序编写就要着手准备了，因为这个设计涉及的传感器较多，在连接开发板时可能会有一定的风险，而且如果将传感器一起连接ESP8266则可能会造成短路，遇到的问题会更多，所以我决定先将各个传感器逐一进行调试，调试成功后在进行整体调试，这样既稳妥又规范一点。4.1Arduino开发程序烧录此设计是在Arduino环境下开发的，在一定基础上学习Arduino后，知道了这个软件可以支持ESP8266开发板的调试，并且外观简洁，编写出来的代码也很好操作，可运用Arduino软件烧录到开发板上。进行程序的烧录时，首先设置开发板为LOLIN1minipro如图10所示图10Arduino开发4.2雷达传感器调试voidsetup(){//在此处输入设置代码，以便运行一次：Serial.begin(9600);pinMode(D1,INPUT);}voidloop(){//将主代码放在此处，以便重复运行：intresult=digitalRead(D1);delay(500);Serial.println(result);}将代码进行上传运行后结果如图11所示图11雷达传感器运行结果4.3雷达和超声波检测intLEDPin=D2;intpushButton=D1;//定义引脚号constinttrigPin=2;//D4constintechoPin=0;//D3//定义变量持续时间长intdistance;//整数距离voidsetup(){pinMode(trigPin,OUTPUT);//将trigPin设置为输出pinMode(echoPin,INPUT);//将echoPin设置为输入Serial.begin(9600);//启动串行通信//在此处输入设置代码，以便运行一次：pinMode(LEDPin,OUTPUT);Serial.begin(9600);pinMode(pushButton,INPUT);}voidloop(){//确保Trig引脚处于低电平digitalWrite(trigPin,LOW);delayMicroseconds(2);//将trigPin设置为高状态10微秒digitalWrite(trigPin,HIGH);delayMicroseconds(10);digitalWrite(trigPin,LOW);//读取echoPin，以微秒为单位返回声波传播duration=pulseIn(echoPin,HIGH);//持续时间=脉冲强度//计算距离distance=duration*0.034/2;//距离=持续时间*0.034/2//在串行监视器上打印距离Serial.print("Distance:");Serial.println(distance);delay(1000);//将主代码放在此处，以便重复运行：intbuttonState=digitalRead(pushButton);Serial.println(buttonState);delay(1);if(distance<20&&buttonState==1){//如果超声波测距小于20且为雷达判定值为高电平=1digitalWrite(LEDPin,HIGH);//LED灯亮}Else{digitalWrite(LEDPin,LOW);//反之则灭}}将代码进行上传运行后结果如图12所示图12检测结果4.4BH1750光照调试#include<Wire.h>//BH1750IIC模式#include<math.h>intBH1750address=0x23;//设置i2c地址bytebuff[2];voidsetup(){Wire.begin();Serial.begin(57600);//启动串行通信}voidloop(){inti;uint16_tval=0;BH1750_Init(BH1750address);delay(200);if(2==BH1750_Read(BH1750address)){val=((buff[0]<<8)|buff[1])/1.2;Serial.print(val,DEC);Serial.println("[lx]");}delay(150);}intBH1750_Read(intaddress)//{inti=0;Wire.beginTransmission(address);Wire.requestFrom(address,2);while(Wire.available())//{buff[i]=Wire.read();//接收一个字节i++;}Wire.endTransmission();returni;}voidBH1750_Init(intaddress){Wire.beginTransmission(address);Wire.write(0x10);Wire.endTransmission();}调试结果如图13所示：图13BH1750调试结果

5结论我的毕业设计是用的ESP8266开发板为核心部件的智能照明控制，从而达到对教室灯光的自动开关控制设计，我主要使用了程序编程，为了实现LED智能照明灯具可以自动控制，以ESP8266为供电电路，连接三个传感器来控制光照和检测感应来实现这一目的，其最终显示效果如图14、图15所示：LED灯片没亮LED灯片没亮图14无人出现状态图LED灯片亮起LED灯片亮起图15检测出人体信号状态图通过学习和设计这次程序加固了稳定性，智能照明在未来必将全面发展起来，灯具的使用性价比会越来越高，能源的节省也会越来越多。虽然此次设计面临了许多问题，还出现了很多局限性，比如检测距离不稳定；受天气影响等等，都会影响本次设计，但是成功了一点点就是一点进步，希望以后能通过更多的学习完善此次设计。这个智能照明控制对未来社会的发展有着一点意义，不单单智能教室内可以使用，完善之后还可以用于各个场合和领域，这样电力能源会大大的节约下来，生态环境中必不可少的一部分，所以存在着很重大的价值。参考文献[1]刘钰.实施"绿色照明"工程及其有效途径分析[J].文存阅刊,2017,13(20):78-81.LiuY.Implementationofthe"GreenLighting"ProjectandAnalysisoftheEffectiveApproaches[J].JournalofLiteratureReview,2017,13(20):78-81.[2]朱立泉,丁进勇.绿色照明节能设计及其工程应用[J].智能建筑电气技术,2013,7(6):40-42.ZhuLQ,DingJY.GreenLightingEnergySavingDesignandtheEngineeringApplication[J].IntelligentBuildingElectricalTech-nology,2013,7(6):40-42.[3]杨雅涵,于佐军.基于单片机的温控光控智能窗帘设计[J].控制工程,2016,23(10):1542-1545.YangYH,YuZJ.DesignofAutomaticCurtainControlledbyLightandTemperatureBasedonSingleChipMicrocomputer[J].ControlEngineeringofChina,2016,23(10):1542-1545.[4]周巧仪,戎小戈.智能建筑照明技术[M].北京:电子工业出版社,2012.ZhouQY,RongXG.IntelligentBuildingLightingTechnology[M].Beijing:ElectronicIndustryPress,2012.[5]高嵩.关于教室照明设计的探讨[J].浙江建筑,2008,25(12):57-60.GaoS.DiscussionsonDesignofLluminatingSystemofClassRoom[J].ZhejiangConstruction,2008,25(12):57-60.[6]汤秀琴,姜克君,吴文波,等.单片机控制的街区霓虹灯系统设计[J].控制工程,2008,25(12):57-60.TangXQ,JiangKJ,WuWB,etal.DesignofBlockNeonLightSystemControlledbySingleChipMicrocomputer[J].ControlEngineeringofChina,2008,25(12):57-60.[7]程春.大学教室智能照明控制器及其系统的研究与开发[D].北京:北京化工大学硕士论文,2010:7-76.ChengC.ResearchandDevelopmentofIntelligentLightingControllerandItsSysteminUniversityClassroom[D].Beijing:MasterThesisofBeijingUniversityofChemicalTechnology,2010:7-76.[8]任国臣,陈晓英,蓝和慧,等.单片机原理及接口技术实践教学改革与实践[J].辽宁工业大学学报(社会科学版),2014,16(5):141-142.RenGC,ChenXY,LanHH,etal.ReformandPracticeofSCMPrincipleandInterfaceTechnologyPracticeTeaching[J].JournalofLiaoningUniversityofTechnology(SocialScienceEdition),2014,16(5):141-142.[9]黄建军,谢海峰.单片机控制新型交流稳压器研制[J].深圳大学学报,1998,15(1):47-52.HuangJJ,XieHF.ReformandPracticeofSCMPrincipleandInterfaceTechnologyPracticeTeaching[J].JournalofShenzhenUniversity(ScienceandEngineering),1998,15(1):47-52.[10]杨东,轩克辉,董雪峰.光敏电