基于單片機技術的教室節能控制系統實現路徑分析

摘? 要：近年來，我國逐步從粗放型經濟過渡到集約型經濟，很多不符合可持續發展的行為正在慢慢地改善。就目前我國教室照明系統所存在的嚴重的電能資源浪費現象，本文試著從文中的幾個側面給出一定的意見和建議。在這種背景下，改造升級現有的能源資源調配管理系統，對于教室節約能源意義重大。在傳感器的幫助下，本文通過一套基于單片機以及CAN總線的教學樓教室節能控制系統，將教室內部的光照強度、人員數量等信號數據采集到單片機系統中。在單片機的幫助下，實現合理調配，進而使教室燈光等資源得到節能經濟的控制管理，實現節電節能經濟運行技術升級的最終目的。

關鍵詞：單片機;教室節能;控制系統

中圖分類號：TP273+.5;TP332.3? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）15-0102-03

Analysis of Realization Path of Classroom Energy-saving Control System Based on

Single-chip Microcomputer Technology

FENG Qiao

（Wuxi Vocational Institute of Arts & Technology，Yixing? 214206，China）

Abstract：In recent years，China has gradually transited from extensive economy to intensive economy，and many behaviors that do not conform to sustainable development are improving. In view of the serious waste of energy resources in classroom lighting system in China，this paper tries to give some opinions and suggestions from several aspects of the paper. In this context，upgrading the existing energy resources allocation management system is of great significance for classroom energy conservation. With the help of sensors，this paper collects the signal data of illumination intensity and number of people in the classroom into the single-chip computer system through a set of classroom energy-saving control system based on single-chip computer and CAN bus. With the help of MCU，reasonable allocation of classroom lighting and other resources can be controlled and managed economically to achieve the ultimate goal of technical upgrading of energy-saving and economic operation.

Keywords：single chip computer;classroom energy saving;control system

0? 引? 言

教室的照明功率密度根據公共區域照明設計規范的要求，一般設置為10W/m2。我們以一個96m2的標準教室為例，假設從早8點到晚9點正常照明運行13個小時，那么每個教室一年就需要160kW·h。這還只是一間教室，如果整個學校有210間教室，我們要是把照明系統的節電能力采用相關先進控制技術手段提高30%，那么電力資源一年就可以節省達2.28×105kW·h，而全年電費按照單位電能0.5元來計算則大約可以節省12萬元之多。因此，對于學校教室建筑節能降耗而言，對教室的照明系統進行改造升級是一個重要內容，同時其獲得的經濟收益也是十分可觀。

1? 教室燈光節能控制器控制簡介

從整個照明系統的功能效果來看，需要在檢測到教室有人存在時，結合環境的外部因素，例如環境光照、溫濕度等，并采集教室內的信息：如人數、分布空間、環境光照等特征信息當量，決定是否要啟動照明燈具相互節能匹配方案以及開啟燈光系統時則借助于動態的判斷。如果當時的環境光照滿足教室照明的規范需求時，就會控制不打開燈具，也就是說，只有符合預定條件，且分析判斷達標方案匹配時，才會調節照明，按照預定條件使得教室照明燈光得到穩定節能運行的效果[1]。

在設計上，這套教室節能控制系統可以準確而方便地檢測出教室內現有的人數，并且根據人數的分布以及多少，點亮對應的電燈。從結構上，整個系統主要分為信號檢測部分、電燈控制部分、電源部分以及單片機控制部分四個部分。信號檢測部分，作為采集日光信號與人體信號的中間媒介，將信息當量傳遞給單片機并作相應的控制;電燈控制部分，則是通過繼電器，實現弱電控制強電的要求，以達到控制日光燈的亮滅的目的;電源部分，則是經過變壓、整流、穩壓處理后，使交流工頻電壓向其他系統輸出穩定的直流電壓;單片機控制部分則作為整個系統的核心部分，對整個系統的運行起到控制的作用[2]。

2? 教室燈光節能控制系統總體設計方案

針對教室的燈光節能控制系統，本文從設計技術層面上做了系統的分析。教室檢測控制單元的核心控制單元選用PIC18F458單片機，為了可以有機地互聯同一樓層的教室節能控制檢測控制單元1～n，我們借助于RS-485通訊線，然后把教室資源的中央計算機單元與樓層控制單元1～n在CAN總線的綜合調配管理下進行有機互聯，進而實現高效合理動態調配管理教室內部燈光等資源。PIC18F458單片機，作為PIC系統的主要組成部分，是教室檢測控制單元的控制核心，利用KingView6.5在教學樓中央計算機單元上提供的控制界面，通過對教室用電電氣設備運行狀況、光照強度、學習交流學生人數以及教室溫濕度等信息的動態采集，可以在全中文、數字化、圖形化的條件下進行實時控制，動態化地統籌管理教室內的資源配置，極大地提高了系統的人性化服務水平[3]。

3? 教室燈光節能控制器的設計

采集信息并分析判斷，輸出信息是教室檢測控制單元的主要職責，作為整個教室節能控 制智能化調節管理系統中重要的核心組成部分，教室檢測控制單元一方面做到了與樓層相關控制單元進行實時的數據信息通信共享，另一方面動態采集、實時運算分析處理、存儲教室內部各種監控對象的數據信息[4]。

3.1? 硬件選型設計

3.1.1? 單片機選型

在性能選擇上，智能教室資源節能調節控制系統應該滿足自動智能化集成度高、功耗低、可靠性強、以及操作維護方面簡單成本低等要求。而符合該要求的首選則是PIC系統單片機中的PIC18F458單片機，由美國Microchip公司自主研發，該單片機精簡指令集（RISC）控制技術采用哈佛總線通信結構，驅動能力強的同時具有較高的運算分析速率，在儀器儀表精確控制、家電智能控制以及工業控制等領域上有著出色的表現。

3.1.2? 光照信號采集單元選型

研究成果表明，光敏電阻、光耦合器以及光電管在光電探測器性能上具有明顯的優勢。在光譜響應峰值上，光敏電阻與人視覺敏感區的光波長非常接近，所以在設計上，我們選擇用光敏電阻作為教室光照強度的主要采集和處理單元。與之相對的，當外部光照強度逐漸減弱時，光敏電阻的響應時間也會隨之增加。在光照強度發生變化時，對于教室燈光控制系統，需要加強其輸出狀態以保持功能[5]。

3.1.3? 紅外數據的采集與處理單元

教室內部人數信號采集與處理子系統的構建，我們選用以紅外傳感器作為核心技術支持。紅外傳感器不僅電路結構清晰簡單，同時成本低廉。在信息采集和處理上，它還可以將教室內的人數作為重要數據依據，以此控制教室內部照明系統燈具數量，合理調配管理教室內部資源，實現電力資源的節能。

3.2? 軟件編程設計

軟件編程系統是一切指令的下發終端，而對于教室節能控制系統而言，需要集信號采集、信號傳輸、以及智能化節能調節等多功能于一體，可見軟件編程是一個非常重要的部分。但在本文中只重點對光照強度采集電路和紅外數據采集處理電路的軟件設計進行分析，而不是面面俱到。

3.2.1? 光照強度采集電路軟件設計

采集電路部分的軟件設計和單片機光照信號光敏傳感器的主要任務，是借助光敏傳感器，采集教室內的光照強度的數據信息，并進行動態分析和處理。

3.2.2? 紅外數據采集處理電路軟件設計

紅外傳感器的使用，可以動態測量教室內實時學習的學生人數，按照區域劃分，從而采取最優的照明燈具控制方案，在具體的軟件流程上采用二分法，并根據公共區域的照明設計規范，對具體的參數做判斷識別，如圖1所示，其中光照1與光照2為學習根據自身實際情況設置的。

4? 上位監控系統設計

作為整個教室節能控制系統的上位監控機，教學樓中央計算機單元的正常運行，可以使教室內部能源資源得到效率上的提高。通過CAN總線，實時數據信息運算分析、存儲等程序可以得到有效開展，并且與教室節能檢測終端控制器進行實時通信，從而在教室資源的動態節能上，實現智能化的調度管理[6]。

5? 結? 論

綜上所述，能源問題日益嚴峻的當下，節能減排已經不僅僅是口頭上說說而已，更多的需要我們從一點一滴的小事上做起。在我國從粗放型經濟向集約型經濟過渡的階段，本文就高校教室能源節能高效調配管理，給出一些意見和建議。本文結合當前先進的檢測與控制技術和單片機技術，基于PIC18F458單片機的技術基礎，構筑了教室資源動態節能調配管理系統，從而減少了電能資源的浪費，極大地提高了教室能源的利用效率，實現了高校教室資源節能降耗的目的的同時，也使得教室節能控制系統在理論和技術上有所突破。

參考文獻：

[1] 楊晨，吳麗娜.電子工程技術在單片機中的技術應用 [J].計算機產品與流通，2019（7）：85+93.

[2] 趙月姣.單片機在電子技術中的應用和技術開發 [J].科技風，2019（15）：94.

[3] 朱鑫鑫，黃森，冀逢銳.單片機技術在嵌入式系統擴展中的應用 [J].電子技術與軟件工程，2019（8）：236.

[4] 李桂香，張君玲，鄒宇琳，等.教室照明節能控制系統研究 [J].物聯網技術，2018，8（2）：109-111.

[5] 張錦榮，羅彥琦.基于微機控制的高校教室節能系統設計與研究 [J].現代計算機（專業版），2018（5）：78-82.

[6] 徐萍.用Visual Basic開發微機與單片機通信程序 [J].電子技術應用，1996（6）：19-22.

作者簡介：馮喬（1981-），女，漢族，江蘇宜興人，實驗師，工程碩士，研究方向：單片機、嵌入式等控制技術。