基于單片機的智能開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計

李顏鑫 劉暢 祝宇晴 陶雨露

摘要：將自動供電控制技術(shù)運用到高校教室開關(guān)的一個設(shè)計，以達到節(jié)約能耗、延長設(shè)備使用壽命、方便教學(xué)樓管理的目的。在本設(shè)計中，要實現(xiàn)的功能主要有：采用超聲波傳感器確定人員是否出現(xiàn)在指定區(qū)域的檢測，根據(jù)所檢測到的數(shù)據(jù)，判斷教室指定區(qū)域是否有人員，最后，通過控制電源的開關(guān)來達到自動化節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：智能開關(guān);節(jié)能;單片機;超聲波測距

TP212.9 ??????文獻標識碼：A?????? 文章編號：1007-9416（2020）04-0000-00

0 引言

目前，社會對高等教育的關(guān)注度越來越高，學(xué)校規(guī)模日益擴大，教室的數(shù)量也隨著大幅度增加，為使師生有舒適的教學(xué)和學(xué)習的環(huán)境，校方在力所能及的范圍內(nèi)，相應(yīng)增加了教室的面積，然后，隨著教室數(shù)量的增加，照明設(shè)備的需求量也越來越大，但由于大學(xué)管理模式的開放型，人員流動性大，即使室內(nèi)無人的情況下，也全部開啟照明燈，長明燈比比皆是，人走燈不熄的現(xiàn)象普遍存在。這種有形和無形的浪費。給學(xué)校的電力支出帶來了沉重的負擔。雖然在部分大中城市中的部分院校已經(jīng)有夜間人工統(tǒng)一拉閘斷電，但對于午間、課間、或者飯點等時間內(nèi)無法將沒有人使用教室進行斷電，所造成的電能浪費依然是相當巨大的。本文介紹了將自動供電控制技術(shù)運用到高校教室的一個設(shè)計，以達到節(jié)約能耗、延長設(shè)備使用壽命、方便教學(xué)樓管理的目的。

1 概述

目前國內(nèi)關(guān)于智能教室的研究不少，現(xiàn)有的設(shè)計約分為三類。一為利用光電管計數(shù)。但現(xiàn)在大多教室為雙門出入，而在人群大量涌入或涌出時，系統(tǒng)計數(shù)困難，誤差較大，識別較難。二是依靠熱釋電紅外傳感器完成對人存在情況的檢測。該種紅外探頭可探測溫度約37°時物體發(fā)出的特定波長的紅外線。但在天氣炎熱以及人體長時間靜坐時這種控制器的效果不理想，且對于大教室的工程量較大。第三種是基于機器視覺的教室節(jié)能照明控制技術(shù)，通過對視頻監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)圖像的處理，實現(xiàn)對教室各區(qū)域的照明設(shè)備的控制。此類方法在自然光變化較大以及座位區(qū)有異物時誤差較大，且成本較高。

本文設(shè)計的教室智能開關(guān)系統(tǒng)，利用STM32單片機控制舵機帶動超聲波旋轉(zhuǎn)，通過測量距離與設(shè)定距離進行對比，來確定室內(nèi)是否有人，進而來實現(xiàn)教室無人時自動斷電的功能，可以改善每到午休、下晚自習時人走不斷電、不關(guān)風扇的現(xiàn)象，從而減少了電能資源的浪費，實現(xiàn)了節(jié)能的目的。

2 設(shè)計方案

2.1硬件設(shè)計

根據(jù)控制器需要實現(xiàn)的功能，智能開關(guān)系統(tǒng)的硬件部分分為以下幾個主要模塊：電源電路、單片機主控電路、超聲波傳感器檢測處理電路、人存在檢測和控制電路、聲光報警電路、串行通訊接口電路、液晶顯示模塊電路、執(zhí)行器控制模塊電路;然后，根據(jù)主要模塊要實現(xiàn)的功能，分別進行芯片的選擇和電路圖的設(shè)計，并且該過程還必須包括每個模塊的工作原理和組成的介紹;最后，在這些模塊的集成中，集成過程必須考慮模塊之間的相互作用和電路結(jié)構(gòu)的簡單性，設(shè)計模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2軟件設(shè)計

按照總體設(shè)計方案編譯節(jié)能智能控制器軟件程序。軟件設(shè)計的基本要求是能夠?qū)淌业恼彰鬟M行編程和模擬，以及打開和關(guān)閉電風扇以檢測，處理和顯示教室中有人。在硬件設(shè)計完成的基礎(chǔ)上，軟件程序的設(shè)計采用程序的模塊化、子程序化、自上向下的設(shè)計方法，包括系統(tǒng)初始化程序、主程序、傳感器探測子程序、執(zhí)行機構(gòu)控制子程序、延時子程序等。

本文使用的編程軟件是Keil5，該軟件已在EDA行業(yè)中的美國公司中廣泛使用。使用它可以進行C源碼編譯、源程序匯編，也可以直接調(diào)用和重新定位目標文件及庫文件、創(chuàng)建hex文件、調(diào)試目標程序等工作，操作起來簡單方便，是開發(fā)和調(diào)試單片機系統(tǒng)的理想工具之一。

選擇教室內(nèi)某高度水平面，使得該水平面高于桌椅某一給定距離。在該平面與某一側(cè)墻壁的交線處裝設(shè)超聲波測距儀，超聲波發(fā)生器與接收器固定于測距儀的瞄點裝置上[[1]]。使該瞄點裝置以某一頻率自旋，由于聲速相對于教室空間和瞄點裝置自旋角速度而言很大，故可以忽略測距時間，即認為測距儀可以實現(xiàn)在該給定水平面上的全方位的實時距離測量[[2]]，超聲波測距模型圖如圖2所示。

在上述水平面與側(cè)墻的交線上取180個點，在教室內(nèi)空無一人的時候，超聲波傳感器測量這180個點的距離作為設(shè)定值，各自記做Si。當在超聲波傳感器和第i個點之間有人時，則測量距離Li10（不取0而取10是為了保留一定的容錯性，實現(xiàn)裝置的可靠性），則可以判定教室內(nèi)有人，則繼電器繼續(xù)工作，教室內(nèi)正常通電;當教室內(nèi)無人時，則掃描完180個點后，N<10，則控制器發(fā)出斷開信號，作用于繼電器，繼電器斷開電源連接，繼而實現(xiàn)教室內(nèi)無人時斷電的功能[[3]]。程序流程如圖3 所示。

3 預(yù)期成果分析

制作出基于自旋式超聲波測距的教室節(jié)能裝置一部，由1：25的教室模型和教室節(jié)能裝置控制器兩部分組成，可實現(xiàn)的功能作用如下：

（1）1：25的教室模型，用于項目制作過程中程序的調(diào)試，和最后結(jié)題時實物的操作演示用。

（2）初次使用時，能夠在教室無人時自動采集初始值，多次采集比較后，作為設(shè)定值。

（3）控制器中的電路板，自行設(shè)計原理圖，PCB打樣后，集成度高，體積小，能耗低，可放入普通開關(guān)盒中。

（4）控制器具有串行通信接口，可以與PC進行通信，通過串口調(diào)試助手實時地將采集數(shù)據(jù)顯示在PC上，方便程序的優(yōu)化設(shè)計。

（5）超聲波測量精度0.1cm，測量范圍0.08m-8m。

4 結(jié)語

設(shè)計的教室智能開關(guān)系統(tǒng)，利用STM32單片機控制舵機帶動超聲波旋轉(zhuǎn)，通過測量距離與設(shè)定距離進行對比，來確定室內(nèi)是否有人，進而來實現(xiàn)教室無人時自動斷電的功能。其特點有：

1. 原材料易獲得，制造成本低，并且成品體積較小，容易置辦，移動、置換容易。
2. 受環(huán)境影響較小，只需在室內(nèi)適當?shù)奈恢冒采洗讼到y(tǒng)，人為影響較小，相對獨立，易于管理，報錯率低。
3. 利用小舵機帶動超聲波旋轉(zhuǎn)測距，實現(xiàn)全方位距離測量，降低傳感器使用數(shù)量。
4. 利用廉價的超聲波傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溫度傳感器，即降低了成本費用，又提高了測量精度與系統(tǒng)的可靠性。

節(jié)能環(huán)保不僅是國家的責任，也是我們每個中國公民的義務(wù)。該基于單片機的智能開關(guān)系統(tǒng)通過對教室的監(jiān)控，判斷教室是否有人，從而自動控制開關(guān)的通斷，在教室沒人的情況下，及時使用電器斷電，以達到節(jié)約能耗、延長設(shè)備使用壽命、方便教學(xué)樓管理的目的。該裝置于國家的環(huán)保前景，于學(xué)校的節(jié)省開支都有一定的貢獻。

參考文獻

[1]謝地，魯照權(quán)，丁浩峰，等.基于超聲波測距的高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2019，38（10）：98-101.

[2]呂承昊.影響超聲波測距因素的研究[J].電子測試，2019（17）：31-33.

[3]程春.大學(xué)教室智能照明控制器及其系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].北京：北京化工大學(xué)，2010.

收稿日期：2020-02-13

作者簡介：李顏鑫[A1]?，女，湖南沅陵人，本科，研究方向：電氣工程。

Design of Intelligent Switch System Based on Single Chip Microcomputer

LI Yan-xin，LIU Chang，ZHU Yu-qing，TAO Yu-lu，

（College of electricity and new energy，Three Gorges University，Yichang? Hubei? 443000）

Abstract：The?automatic?power?supply?control?technology?is?applied?to?a?design?of?the?classroom?switch?of?the?university?to?save?energy，?extend?the?service?life?of?the?equipment，?and?facilitate?the?management?of?the?teaching?building.?In?this?design，?the?technologies?to?be?implemented?mainly?include：?using?ultrasonic?sensors?to?determine?whether?a?person?is?present?in?a?specified?area，?determining?whether?there?is?a?person?in?a?designated?area?of?the?classroom?based?on?the?detected?data，?and?finally，controlling?the?power?switch?to?achieve?the?purpose?of?automatic?energy?saving.

Keywords：intelligent switch;energy saving;single chip microcomputer;ultrasonic ranging

作者1999年的，刪了