基于單片機的教室節能控制器的設計

摘要：本文提出的教室節能控制系統以單片機（AT89S52）為核心，由控制部分、顯示部分、數據存儲部分、人體感應部分、日光檢測部分和電燈控制部分組成。該系統大部分功能通過硬件來實現，電路簡單明了，系統穩定性很高。這套教室節能控制系統可以方便而準確地檢測進出教室的人數，根據人數的不同而點亮教室里對應的燈數，可以顯示教室里的人數等功能，并通過與單片機連接的按鍵可以設定教室里實際電燈的數目。這套系統還可以跟據實際日光量的大小來控制教室電燈的亮。

關鍵詞：單片機 燈數控制 硬件模塊

一、引言

本設計采用軟硬件結合來實現教室照明燈的節能控制。假設教室的每盞燈能照到5個座位，當教室內進入一個人時，自動控制器自動開啟第一排的第一盞燈，當進入教室的人數不超過5人時，自動控制器不會開啟第二盞燈。依此類推，直到最后一排。當教室里的人開始減少時，按每減少5個人就自動關一盞燈的原則，依次從后面往前面關燈。

二、方案論證

（一）功能與設計要求

整個系統的各個部分都是基于人體檢測與日光燈控制這個設計條件，所以在整個系統的硬件設計中，人體信號的采集和日光燈控制部分比較重要。

1.日光檢測電路對日光強度進行檢測，把數據傳送給單片機。

2.通過反射式紅外紅檢測系統對進、出教室的人進行檢測，把信號傳送給單片機，單片機再根據信號對教室里的人數進行統計。

3.利用繼電器實現弱電控制強電的目的。

（二）方案論證

1.顯示模塊的選擇

取用數碼管顯示。數碼管顯示雖然硬件電路比較復雜，利用動態掃描方法進行顯示，軟件程序復雜，顯示的數據只能是數字，比較單一，但其最主要的特點是成本低。

2.控制芯片的選擇

本設計選用單片機為控制芯片。利用單片機的智能性，可方便的實現具有智能的數據采集和處理。本系統采用AT89S52作為主控芯片。

三、教室節能控制系統的硬件設計

硬件設計是智能控制器的核心內容之一，它主要分為三部分內容：一是傳感探測部分；二是微控制器部分，三是照明燈控制部分，其硬件結構框圖如圖3-1所示。

（一）AT89S52單片機的最小系統

最小系統包括晶體振蕩電路、復位開關和電源部分。

（二）電源電路

電源電路工作原理：電源電路主要由變壓器、整流橋、電源指示、5V三端穩壓組成。變壓器把220V交流工頻電壓九伏的低壓，再經過整流橋把低壓交流電壓變成脈動直流電壓，電容C1、C2把脈動直流電的交流成份濾除，再經過三端穩壓芯片7805穩壓，輸出穩定的直流電壓，供給其他設備。

（三）主控模塊電路設計

系統的主控電路主要涉及單片機的復位電路、石英振蕩電路和復位電路。

（四）顯示模塊電路設計

本系統取用四位數碼管動態掃描的方法進行顯示，七段碼譯碼器74LS47驅動共陽數碼管顯示。本設計采用動態顯示。

（五）反射式紅外檢測電路與日光檢測電路

1.反射式紅外檢測電路

該模塊電路必須安裝于教室的人口處，它能識別人走動的方向而產生兩個通道信號，本設計中一個通道信號可作為進入室內的識別信號，另一個通道信號作為出教室的識別信號。由此，通過微控制器可以計算出在教室內的總人數，從而確定開啟照明燈的數目。

2.日光檢測電路

當光線充足時，光敏電阻的阻值比較小，電壓比較器LM324的負輸入端的輸入電平為高，比較器輸出低電平，單片機檢測到這個低電平后把教室里的所有的電燈都滅了，同時指示燈亮；當光線比較暗時，光敏電阻的阻值比較大，電壓比較器的輸出端輸出高電平，單片機檢測到這個高電平時再開啟其他模塊的工作。

（六）數據口擴展電路與電燈控制電路

1.數據口擴展電路

由于一塊單片機的數據口有限，而且一間教室里的電燈數目不定，本教室節能控制系統采用74LS595八位串口轉并口來擴展數據口，通過按鍵的設定可以根據教室里的電燈數目設定實際要控制的電燈數。

2.電燈控制電路

電燈控制電路采用繼電器控制教室里的電燈，三極管8050作驅動，二極管4001是續流二極管，當繼電器從接通到斷時會產生一個高壓，這個高壓會擊穿三極管，續流二極管可以起到保護三極管的作用。

四、軟件系統設計

該控制器的軟件是一個適時監控、檢測和執行開關控制的微型控制軟件，基本要求是直觀、簡便、可操作性。在自然光充足時，系統會關閉熱釋紅外人體探測傳感器、方向型人體感應探測模塊和室內所傳感器選型實驗，總體編程調試等環節，最后通過多次測試表明，控制器的各項性能完全達到設計要求。

五、系統調試

正確合理的調試方法是成功開發系統必不可少的環節。這里所說的調試是指在試驗室里，我們要驗證系統設計是否正確和合理。對本系統來說，調試工作分為：

1.在系統的硬件部分制作出來后，對其進行詳細的檢測調試，查看制作過程中是否存在錯焊，虛焊等情況，查看單片機是否能夠正常工作，測試硬件部分是否能夠完成其相應的功能。出現問題要予以排除。

2.在設計系統的軟件部分時，要在相應的開發編譯環境中，對程序進行不斷調試編譯，直到程序能夠正常運行。

3.系統聯調。在上面兩步完成后，我們就必須將整個系統的硬件和軟件部分結合起來，進行系統聯調，直到系統能夠實現預期的目標。

通過在線調試仿真，先把系統的各個模塊調通，然后不斷增加軟件的容量，將不同功能的軟件子程序不斷加入，然后綜合調試，直到最后全部功能的實現。

參考文獻

[1]吳金戌，沈慶陽等.8051單片機實踐與應用.北京：清華大學出版社，2002.

[2]劉暢生，于建國等.傳感器簡明手冊及應用電路—溫度傳感器分冊（上冊）[M].西安電子科技大學出版社，2006.

[3]劉暢生，于建國等.傳感器簡明手冊及應用電路—溫度傳感器分冊（下冊）[M].西安電子科技大學出版社，2006.

作者簡介

白二凈，出生于1981年06月，女，講師，研究方向：計算機應用技術。

（作者單位：1青島科技大學；2青島黃海學院）