校園寢室節能系統的設計和制作

高博宇，李天驕，何子龍，王長青，李公羽

（1.吉林大學 通信工程學院，吉林 長春 130012；2.吉林大學 汽車工程學院，吉林 長春 130012）

目前大學校園，尤其是學生寢室存在著比較嚴重的電能浪費和水資源浪費的現象。在創建節約型社會的大背景下，結合實際情況，為了提高大學生的主人翁意識和提倡自覺節約能源行為，設計并制作了大學生寢室節能系統。通過對系統軟件和硬件設計的合理規劃，發揮了單片機自身集成眾多系統及功能單元的優勢，在不減少功能的前提下有效降低了硬件成本，系統操控簡便。本系統能夠在實際場所發揮一定的作用，并具備廣泛推廣的前景。

1 校園寢室節能系統的總體結構

基于52單片機的學生寢室節能系統的原理框圖如圖1所示。整個系統圍繞52單片機[1]展開，包括電壓感測水流電路、語音拷貝式延時報警電路、顯示電路、自動控制水龍頭關閉電路、復位電路、紅外線探測室內有無人狀態電路、人走燈滅自動開關燈電路以及寢室開關燈表決電路。

該系統有兩個最大的特點：1）實現了將關燈、節水兩項功能融合于一塊單片機上進行控制，這樣就可以便于在條件滿足和允許的情況下對系統功能進行進一步的擴展；2）設計了針對學生寢室生活的關燈表決模塊，此模塊是站在學生的立場和角度，針對學生的意愿而進行的人性化創新設計。

圖1 寢室節能系統原理框圖Fig.1 Block diagram of saving energy system of campus apartment

2 校園寢室節能系統的硬件設計

2.1 寢室電燈控制電路的設計

寢室電燈控制電路如圖2所示。通過光耦合器來判斷總開關的導通，在實現非單片機控制下的常規開關燈功能的同時完成了單片機的復位功能。當總開關處于導通的狀態時，單片機通過控制繼電器來完成判決模塊及紅外線感測模塊的響應控制，開啟本設計所實現的相關功能。電路中三極管的作用是驅動繼電器，當單片機輸出高電平給三極管B極時，三極管驅動繼電器，使其斷開，實現關燈的節電功能；否則，繼電器將處于閉合狀態，對總電路不產生影響[2]。

2.2 寢室開關燈表決電路的設計

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

寢室開關燈表決電路主要實現4人表決功能，電路原理圖如圖3所示。表決電路向單片機輸入相應信號，單片機進行簡單信息處理，產生控制開關燈電平信號，以實現通過表決控制開關燈狀態。此電路軟件設計中，注意了對于按鍵開關的去抖動過程，模擬了實際中不同狀態下的啟動開關動作[3]。另外，設計4個接口接入單片機的目的在于，避免了一個人重復進行按鍵操作所帶來的對于表決差數的干擾。

圖3 開關燈表決電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of light on-off controlling circuit

2.3 自動控制水龍頭開關電路的設計

自動控制水龍頭開關電路[4]中的電機電路如圖4。此模塊在單片機的控制下，接收相應電平信號，控制電機電路對水龍頭正轉、反轉進行機械開關控制。此電路應用較為普遍，其中連接在電機兩段的電容作用在于防止電機儲能所導致的放電現象。

圖4 自動控制水龍頭開關電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of on-off circuit of controlling water faucet automatically

針對單片機與控制電機連接的過程中，單片機端口輸出高電平時易受外接電路的影響的情況，在模塊中設計了單片機與電機的連接電路，如圖5所示。

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

2.4 語音報警電路的設計

語音報警電路如圖6所示。此部分電路以ISD1420芯片為主體，由語音錄入開關電路、語音播放開關電路、及語段選擇電路組成。ISD芯片可完成20 s的分段語音錄入功能，且相比同類型芯片錄音效果好，性價比高。所設計的內容主要使其在單片機的控制下實現兩段語音內容的選擇播放，進而實現提示關燈、關水的語音報警功能。

針對要實現兩段語音內容的播放，對于語音模塊的地址編碼進行了詳細查詢，確定的結果參如表1所示。

圖6 語音報警電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of audio alarm circuit

表1 語音模塊地址代碼Tab.1 Address code of audio module

2.5 紅外線感測電路的設計

紅外線感測電路如圖7。此部分電路主要應用紅外探頭對寢室內有、無人狀態的探測并輸出相應電平信號控制單片機進行下一步操作。此模塊采用ISSB0001芯片，該芯片具有獨立的高輸入阻抗的運算放大器，對于電平的預處理十分便捷。另外，該芯片內部設置雙向鑒幅器，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，會使單片機接口出現電平紊亂，加上一個9013三極管有效地克服了這一問題。另外，對于紅外探頭來說，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現熱信號的收集，使紅外感測簡單易行[5-6]。

3 系統軟件的設計

圖7 紅外線感測電路Fig.7 Infrared detecting circuit

圖8 軟件設計流程圖Fig.8 Block diagram of software design

單片機系統軟件的設計主要實現對于整個控制系統的初始化和實現各個子程序模塊的調用、單片機通過循環查詢和中斷操作對各個部件發出的信號以及實時控制等功能。軟件設計流程見圖8。軟件設計內容主要包括開關燈子程序、報警子程序、電機關水子程序等[7-8]。

4 寢室節能系統的測試和分析

對按照上述設計方法設計和制作的校園寢室節能系統進行測試，得到如下結果。紅外電路模塊全日工作時消耗功率為0.185 W。語音模塊報警時消耗功率2.5 W，每日工作約20次，每次工作10 s，總計200 s。非報警狀態時消耗功率約為0。在各部分電路模塊正常工作情況下，S52單片機消耗功率約為0.1 W。寢室節能系統在工作狀態下，能實現寢室人走燈滅、寢室開關燈民主表決和管理、自動控制水龍頭非使用狀態下關閉、提示關燈關水的語音報警等功能。

為了進一步驗證本系統實現寢室水電節約的意義，隨機地對20個校園寢室進行了實際調查并對目前存在的水電浪費情況進行了數據統計采集，結果如表2所示。

通過表2的數據可以看出，在日常的生活中校園寢室確實存在著水、電能浪費的現象。而寢室節能系統自身消耗功率很低，客觀上能起到大量節約水電的作用。如果經過進一步的改進，是完全可以推廣和應用到需要自動節約水電的場合。

表2 某系校園寢室兩周內水電浪費情況統計Tab.2 Statistics of water and electricity wasting of some apartments in two weeks

5 結 論

寢室節能系統能夠實現寢室洗手間水龍頭非使用狀態下的關閉、報警提醒、寢室內是否有人狀態的探測并控制電燈的關閉、臥室內電燈關閉的投票表決等功能。經過實際測試，達到預期設計要求。此系統可以在校園寢室及其它需要場合推廣使用并能達到節水節電的目的。

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