基于單片機控制的智能教室系統設計

摘 要：本文針對教室微控系統智能一體化進行設計與研究，通過單片機智能控制實現智能化教室。實現實時監測教室人數，自動擦黑板的功能，實時控制風扇開關，根據光線強度實現自動感光伸縮窗簾等功能。本設計為智能教室設計提供一種設計思路及實現方法。

關鍵詞：教室微控系統；一體化設計；傳感器；AD轉換

中圖分類號：TP368.12 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 24-0000-02

隨著智能化技術的飛速發展，智能控制已經深入到我們生活的方方面面，在未來市場中占據著主要優勢。校園教室內電力資源的浪費和資源使用不便性作了相關設計與研究，通過智能化控制系統實現在無人監管的情況下達到節能，高效的利用教室資源[1]。

本設計主要實現智能照明模塊，考勤系統，清潔模塊等方面，通過單片機技術，傳感器技術，數據采集與處理，照明系統智能控制，實現了教室的智能一體化的系統設計。

一、系統方案設計

本設計主要是通過傳感器等感應裝置實現對教室內相關情況的控制及監控，本著以“智能”為核心原則，提高管理效率，減少維護管理人員，節約能源，降低維護和管理成本；增加建筑環境的安全性和舒適性，為師生創造更好的學習和工作環境。

本設計采用單片機控制系統，因此確定單片機控制傳感器等系統的總體方案，是進行系統設計最重要、最關鍵的一步。總體方案的好壞，直接影響整個控制系統的性能及實施細則。總體方案的設計主要是根據被控對象的任務及工藝要求而確定的。設計方法大致如下：根據系統的要求，首先把系統分成多個不同的模塊進行設計，然后再把各個模塊的內容進行統籌合并。為了更好的實現教室微控系統智能一體化設計與研究項目的有序進行，我們將項目分成了五個部分，分別是：智能控制黑板除塵系統、窗簾自動感光伸縮系統、溫感風扇自動控制系統、自動感光照明燈控系統、紅外傳感門控檢測系統。

二、自動感光照明燈控系統

自動感光照明燈控系統中要轉換的模擬量對象是光線強度，主要包括PCF8591模數轉換模塊、光敏傳感器、顯示模塊和大功率燈珠等四個部分。

PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗8位CMOS數據采集器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0、A1和A2用于硬件地址編程，允許將最多8個器件連接至I2C總線而不需要額外硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數據信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。

光敏電阻在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小，根據這一特性，我們對光敏電阻進行電壓采集，此模塊硬件電路的設計就是將采集的電壓送入PCF8591芯片進行模數轉換，然后將轉換后的數字信息送入顯示模塊進行顯示，同時通過單片機實施對大功率燈珠控制，達到自動感光照明燈控的效果。

顯示模塊的作用是能夠時刻的知道光線強度，能夠更好的知道自動感光照明燈控系統有沒有正常運行，對于顯示元器件我們有多種方式的選擇，可以用數碼管顯示，可以用1602液晶或12864液晶顯示，也可以用TFT彩屏顯示。

在電子設計中，大功率燈珠常指輸出電流、電壓穩定的功率較大的一些燈珠，常用的有1W和3W燈珠。3W燈珠相對1W燈珠來說，發光強度會更大點，相對來說更亮些，當然控制電流也相對要大些，但為了更接近實際生活，選擇亮度相對大的3W燈珠。要想驅動3W燈珠正常發光必須要達到700～720mA的大電流，這里選擇AMC7135恒流電路。

三、智能控制黑板除塵系統

智能控制黑板除塵系統是為擦黑板方便而設計的，此模塊操作相對簡單，電路也不是那么復雜，此模塊的設計主要是通過單片機控制步進電機轉動帶通黑板刷上下移動來實現擦黑板的功能。在電路中我們設置了一個獨立按鍵，按鍵按下后單片機就會通過驅動控制步進電機轉動，步進電機帶動齒輪轉動，從而帶動固定在齒輪皮帶上的刷子上下移動，實現自動擦黑板。

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元步進電機件。步進電機啟動電流較大，單片機不能直接驅動步進電機，無法用單片機直接控制步進電機，所以要在單片機和步進電機之間加一個驅動電路，常用的方法就是用ULN2003芯片驅動。

ULN2003是一個非門電路，包含7個單元，單獨每個單元驅動電流最大可達350mA，ULN2003內部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅動繼電器。ULN2003 是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，適應于各類要求高速大功率驅動的系統。

四、紅外傳感門控檢測系統

紅外傳感門控檢測系統主要利用紅外傳感器（如紅外避障傳感器）來檢測教室人員進出情況，以確定教室內人數。在此系統中，首先通過紅外傳感器檢測是否有人員流動，如果有，是走進教室還是走出教室，然后把結果送入控制中心51內核單片機，單片機通過運算，把結果送入顯示部分顯示。

紅外避障傳感器是一種集發射與接收于一體的光電傳感器。檢測距離可以根據要求進行調節。該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點，可以廣泛應用于機器人避障、流水線計件等眾多場合。

在電路設計中可以在輸出端加上上拉電阻10K到5V，再接入單片機檢測，會比較穩定，如果采用隨機檢測可以采用單片機的外部硬件中斷INT0 INT1等來實現。

本設計僅僅需要顯示教室人數，因此選擇用數碼管顯示就足夠了，驅動電路依然使用74HC573電路，其硬件電路及應用原理和自動感光照明燈控系統中的顯示模塊是一樣的，在這里不再贅述。

五、溫感風扇自動控制系統

溫感風扇自動控制系統是一個根據溫度傳感器檢測溫度，通過溫度來控制風扇轉動啟停的系統。該系統主要功能為通過溫度傳感器檢測教室溫度，當教室溫度高于設定度數時，教室內風扇就會自動開啟轉動，當教室溫度低于設定溫度時，風扇就會自動停止轉動，使風扇啟動停止的溫度值可以通過軟件設定。

溫度傳感器（temperature transducer）是指能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器。DS18B20是Dallas公司生產的一種“單總線”溫度傳感器，它采用獨特的單線接口方式，僅需要一個端口引腳來發送和接收信息，在MCU和DS18B20之間僅需一條數據線。DS18B20內部有三個主要數字部件：64位激光ROM，溫度傳感器，非易失性溫度報警觸發器TH和TL。

本設計溫感風扇自動控制系統中用的是無刷直流電機，無刷直流電機也是實驗室電子設計中常用的電機，無刷直流電機是近幾年來隨著微處理器技術的發展和高開關頻率低功耗新型電力電子器件的應用，以及控制方法的優化和低成本、高磁能級的永磁材料的出現而發展起來的一種新型直流電動機。L293D是德洲儀器生產的電機驅動芯片，工作電壓可從4.5V—36V，驅動電流為1A。

六、結束語

本項目完成了教室微控系統智能一體化設計與研究的制作，在設計的過程中根據被控對象的任務及工藝要求不同，首先把整個系統分成了不同的板塊進行設計，然后再把各個板塊的內容進行統籌合并，最終完成實現各個功能。該項目設計分成了五個部分，分別是智能控制黑板除塵系統、窗簾自動感光伸縮系統、溫感風扇自動控制系統、自動感光照明燈控系統和紅外傳感門控檢測系統。各個系統對項目最初的設計要求基本都能實現，并在設計目的的基礎上擴充了部分設計，比如系統實時時鐘等。本設計具有結構簡單，小巧輕便，易于調試，實用性強及應用領域廣泛等。

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[作者簡介]張碩（1991-），男，安徽亳州人，本科在讀，研究方向：嵌入式系統設計；指導教師：寧仁霞（1978-），女，安徽滁州人，講師，碩士學位，研究方向：信號處理。

[基金項目]黃山學院大學生創新創業計劃項目（201210375030，201310375015），黃山學院科研項目（2010xkj006），安徽省專業結構調整服務地方發展計劃項目（2013zytz064）資助。