校園寢室節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作

高博宇，李天驕，何子龍，王長(zhǎng)青，李公羽

（1.吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

目前大學(xué)校園，尤其是學(xué)生寢室存在著比較嚴(yán)重的電能浪費(fèi)和水資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。在創(chuàng)建節(jié)約型社會(huì)的大背景下，結(jié)合實(shí)際情況，為了提高大學(xué)生的主人翁意識(shí)和提倡自覺(jué)節(jié)約能源行為，設(shè)計(jì)并制作了大學(xué)生寢室節(jié)能系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計(jì)的合理規(guī)劃，發(fā)揮了單片機(jī)自身集成眾多系統(tǒng)及功能單元的優(yōu)勢(shì)，在不減少功能的前提下有效降低了硬件成本，系統(tǒng)操控簡(jiǎn)便。本系統(tǒng)能夠在實(shí)際場(chǎng)所發(fā)揮一定的作用，并具備廣泛推廣的前景。

1 校園寢室節(jié)能系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

基于52單片機(jī)的學(xué)生寢室節(jié)能系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)圍繞52單片機(jī)[1]展開(kāi)，包括電壓感測(cè)水流電路、語(yǔ)音拷貝式延時(shí)報(bào)警電路、顯示電路、自動(dòng)控制水龍頭關(guān)閉電路、復(fù)位電路、紅外線探測(cè)室內(nèi)有無(wú)人狀態(tài)電路、人走燈滅自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈電路以及寢室開(kāi)關(guān)燈表決電路。

該系統(tǒng)有兩個(gè)最大的特點(diǎn)：1）實(shí)現(xiàn)了將關(guān)燈、節(jié)水兩項(xiàng)功能融合于一塊單片機(jī)上進(jìn)行控制，這樣就可以便于在條件滿足和允許的情況下對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展；2）設(shè)計(jì)了針對(duì)學(xué)生寢室生活的關(guān)燈表決模塊，此模塊是站在學(xué)生的立場(chǎng)和角度，針對(duì)學(xué)生的意愿而進(jìn)行的人性化創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

圖1 寢室節(jié)能系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of saving energy system of campus apartment

2 校園寢室節(jié)能系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 寢室電燈控制電路的設(shè)計(jì)

寢室電燈控制電路如圖2所示。通過(guò)光耦合器來(lái)判斷總開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通，在實(shí)現(xiàn)非單片機(jī)控制下的常規(guī)開(kāi)關(guān)燈功能的同時(shí)完成了單片機(jī)的復(fù)位功能。當(dāng)總開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通的狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)通過(guò)控制繼電器來(lái)完成判決模塊及紅外線感測(cè)模塊的響應(yīng)控制，開(kāi)啟本設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的相關(guān)功能。電路中三極管的作用是驅(qū)動(dòng)繼電器，當(dāng)單片機(jī)輸出高電平給三極管B極時(shí)，三極管驅(qū)動(dòng)繼電器，使其斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)關(guān)燈的節(jié)電功能；否則，繼電器將處于閉合狀態(tài)，對(duì)總電路不產(chǎn)生影響[2]。

2.2 寢室開(kāi)關(guān)燈表決電路的設(shè)計(jì)

圖2 寢室燈光控制電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of controlling circuit of apartment lights

寢室開(kāi)關(guān)燈表決電路主要實(shí)現(xiàn)4人表決功能，電路原理圖如圖3所示。表決電路向單片機(jī)輸入相應(yīng)信號(hào)，單片機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單信息處理，產(chǎn)生控制開(kāi)關(guān)燈電平信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)表決控制開(kāi)關(guān)燈狀態(tài)。此電路軟件設(shè)計(jì)中，注意了對(duì)于按鍵開(kāi)關(guān)的去抖動(dòng)過(guò)程，模擬了實(shí)際中不同狀態(tài)下的啟動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作[3]。另外，設(shè)計(jì)4個(gè)接口接入單片機(jī)的目的在于，避免了一個(gè)人重復(fù)進(jìn)行按鍵操作所帶來(lái)的對(duì)于表決差數(shù)的干擾。

圖3 開(kāi)關(guān)燈表決電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of light on-off controlling circuit

2.3 自動(dòng)控制水龍頭開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制水龍頭開(kāi)關(guān)電路[4]中的電機(jī)電路如圖4。此模塊在單片機(jī)的控制下，接收相應(yīng)電平信號(hào)，控制電機(jī)電路對(duì)水龍頭正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)進(jìn)行機(jī)械開(kāi)關(guān)控制。此電路應(yīng)用較為普遍，其中連接在電機(jī)兩段的電容作用在于防止電機(jī)儲(chǔ)能所導(dǎo)致的放電現(xiàn)象。

圖4 自動(dòng)控制水龍頭開(kāi)關(guān)電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of on-off circuit of controlling water faucet automatically

針對(duì)單片機(jī)與控制電機(jī)連接的過(guò)程中，單片機(jī)端口輸出高電平時(shí)易受外接電路的影響的情況，在模塊中設(shè)計(jì)了單片機(jī)與電機(jī)的連接電路，如圖5所示。

圖5 單片機(jī)與電機(jī)的連接電路Fig.5 Connecting circuit between single chip microcomputer and electric machinery

2.4 語(yǔ)音報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

語(yǔ)音報(bào)警電路如圖6所示。此部分電路以ISD1420芯片為主體，由語(yǔ)音錄入開(kāi)關(guān)電路、語(yǔ)音播放開(kāi)關(guān)電路、及語(yǔ)段選擇電路組成。ISD芯片可完成20 s的分段語(yǔ)音錄入功能，且相比同類型芯片錄音效果好，性價(jià)比高。所設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要使其在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)兩段語(yǔ)音內(nèi)容的選擇播放，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提示關(guān)燈、關(guān)水的語(yǔ)音報(bào)警功能。

針對(duì)要實(shí)現(xiàn)兩段語(yǔ)音內(nèi)容的播放，對(duì)于語(yǔ)音模塊的地址編碼進(jìn)行了詳細(xì)查詢，確定的結(jié)果參如表1所示。

圖6 語(yǔ)音報(bào)警電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of audio alarm circuit

表1 語(yǔ)音模塊地址代碼Tab.1 Address code of audio module

2.5 紅外線感測(cè)電路的設(shè)計(jì)

紅外線感測(cè)電路如圖7。此部分電路主要應(yīng)用紅外探頭對(duì)寢室內(nèi)有、無(wú)人狀態(tài)的探測(cè)并輸出相應(yīng)電平信號(hào)控制單片機(jī)進(jìn)行下一步操作。此模塊采用ISSB0001芯片，該芯片具有獨(dú)立的高輸入阻抗的運(yùn)算放大器，對(duì)于電平的預(yù)處理十分便捷。另外，該芯片內(nèi)部設(shè)置雙向鑒幅器，可有效抑制干擾。電路圖中ISSB0001管腳2直接輸出，其帶載能力弱，會(huì)使單片機(jī)接口出現(xiàn)電平紊亂，加上一個(gè)9013三極管有效地克服了這一問(wèn)題。另外，對(duì)于紅外探頭來(lái)說(shuō)，除了需要工作期間紅外熱釋電之外，還必須在其外面罩以菲涅耳透鏡才能實(shí)現(xiàn)熱信號(hào)的收集，使紅外感測(cè)簡(jiǎn)單易行[5-6]。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

圖7 紅外線感測(cè)電路Fig.7 Infrared detecting circuit

圖8 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.8 Block diagram of software design

單片機(jī)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)的初始化和實(shí)現(xiàn)各個(gè)子程序模塊的調(diào)用、單片機(jī)通過(guò)循環(huán)查詢和中斷操作對(duì)各個(gè)部件發(fā)出的信號(hào)以及實(shí)時(shí)控制等功能。軟件設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖8。軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括開(kāi)關(guān)燈子程序、報(bào)警子程序、電機(jī)關(guān)水子程序等[7-8]。

4 寢室節(jié)能系統(tǒng)的測(cè)試和分析

對(duì)按照上述設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)和制作的校園寢室節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，得到如下結(jié)果。紅外電路模塊全日工作時(shí)消耗功率為0.185 W。語(yǔ)音模塊報(bào)警時(shí)消耗功率2.5 W，每日工作約20次，每次工作10 s，總計(jì)200 s。非報(bào)警狀態(tài)時(shí)消耗功率約為0。在各部分電路模塊正常工作情況下，S52單片機(jī)消耗功率約為0.1 W。寢室節(jié)能系統(tǒng)在工作狀態(tài)下，能實(shí)現(xiàn)寢室人走燈滅、寢室開(kāi)關(guān)燈民主表決和管理、自動(dòng)控制水龍頭非使用狀態(tài)下關(guān)閉、提示關(guān)燈關(guān)水的語(yǔ)音報(bào)警等功能。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)寢室水電節(jié)約的意義，隨機(jī)地對(duì)20個(gè)校園寢室進(jìn)行了實(shí)際調(diào)查并對(duì)目前存在的水電浪費(fèi)情況進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采集，結(jié)果如表2所示。

通過(guò)表2的數(shù)據(jù)可以看出，在日常的生活中校園寢室確實(shí)存在著水、電能浪費(fèi)的現(xiàn)象。而寢室節(jié)能系統(tǒng)自身消耗功率很低，客觀上能起到大量節(jié)約水電的作用。如果經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的改進(jìn)，是完全可以推廣和應(yīng)用到需要自動(dòng)節(jié)約水電的場(chǎng)合。

表2 某系校園寢室兩周內(nèi)水電浪費(fèi)情況統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of water and electricity wasting of some apartments in two weeks

5 結(jié) 論

寢室節(jié)能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)寢室洗手間水龍頭非使用狀態(tài)下的關(guān)閉、報(bào)警提醒、寢室內(nèi)是否有人狀態(tài)的探測(cè)并控制電燈的關(guān)閉、臥室內(nèi)電燈關(guān)閉的投票表決等功能。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。此系統(tǒng)可以在校園寢室及其它需要場(chǎng)合推廣使用并能達(dá)到節(jié)水節(jié)電的目的。

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