基于单片机的教室智能电动窗帘控制系统设计

胡启迪，熊 刚，刘元刚

（杨凌职业技术学院 陕西 杨凌 712100）

基于单片机的教室智能电动窗帘控制系统设计

胡启迪，熊 刚，刘元刚

（杨凌职业技术学院 陕西 杨凌 712100）

针对教学过程中使用投影时调整环境光线不便的问题，设计了一种适用于教室的智能电动窗帘控制系统。该系统硬件部分以STC12系列单片机为控制核心，用光敏元件捕获光线强度，继电器控制电灯总电源开合，与多媒体控制器相连，通过相应的程序，可捕获投影仪的使用情况，并据此结合采用不同的策略通过控制电机正反转调整窗帘的闭合程度达到自动调整室内光线的目的。测试结果表明该系统达到了预期效果，能够提高多媒体设备使用的便利性，具有一定的实用价值。

单片机；电动窗帘；智能控制；教室

随着科技的发展，传统教室中的三尺讲台、黑板加粉笔已经逐渐被多媒体教学设备所代替，并逐渐成为教室标准化配置，而多媒体教室的使用中存在一些问题。多媒体系统大多数都是后期安装的，其控制部分也仅限于多媒体相关设备，因此教师在授课过程中需要手动控制窗帘进行环境光线的调整，这样一方面会打乱教学秩序，另一方面，也很难调整到位，教室并非电影院，在进行投影教学时并不是越暗越好，而是应该使光照强度在一个合理的范围内，太暗则学生容易困乏，太亮则看不清投影内容[1-4]。

所以，结合计算机技术、传感器技术，设计一款能够根据多媒体使用情况自动调整环境光线的电动窗帘控制系统是非常有必要的。

1　总体设计

系统总体设计如图1所示，其以单片机为控制核心，同时与多媒体设备相连，根据多媒体设备的使用情况以及室内光线情况，自动控制电动窗帘，调节教室光线。当其检测到多媒体设备使用，则根据采集到的光线强度，自动关闭窗帘到合适的程度；检测到多媒体设备关闭时打开窗帘，关闭室内灯光，节省能源。该系统还具有遥控功能，教室管理人员（或教师）可以根据实际情况遥控调节室内光线强度。其在室外光线比较充足的情况下可实现完全自动调整，若窗帘完全打开时仍未达到所需的光线要求，可通过室内光具进行补光。

图1　系统总体结构图

2　系统硬件设计

2.1控制器主电路

控制器主电路如图2所示，主要包括控制器模块、光线检测模块、按键模块、遥控接收模块等部分。

控制器模块中选用的主控芯片型号为STC12C5A32S2。在本设计中的光线强度传感器输出为模拟量，如果使用传统89系列单片机，则需要增加A/D转换模块，而该芯片本身集成了A/D外设。该芯片还集成了PCA模块，将其配置为捕获模式可以很方便的接收并解码红外遥控信号，同时也优化了指令运行架构，使得运算速度大幅提升，为日后系统升级提供了更多的可能性[5-8]。

光线检测模块选用光敏二极管（或称光敏电阻），其可根据光线的强弱产生不同数量的少数载流子，这些载流子在反向电压的驱动下会形成反向饱和电流，通过合理的电路设计，可将该电流转换位用于A/D检测的电压值，最终形成光线强度与A/D采样值之间的对应关系，一般来说都是非线性的，需要进行修正。该器件另一个好处就是可以通过调整反向电压值来控制器输出电压的范围，非常容易适应于不同参考电压的A/D器件，本设计中主控芯片的A/D参考电压为其电源电压+5 V，因此该部分电路的反向电压也同样设计为+5 V。

图2　控制器主电路

红外遥控就目前来说是使用最为广泛的一种遥控方式了，该部分电路也比较简单，其核心器件为HS0038红外接收器，具体的电路如图2中所示。这里需要提到的是，对于STC12C5A32S2芯片来说，其内部自带PCA模块，该模块在捕获模式下可以对沿跳变进行捕获，并产生中断，同时记录时间间隔，非常适合作为红外接收器输出信号的输入端[9-10]。

2.2电机控制模块

目前，电动窗帘主要采用直流电机及交流电机两种方式进行驱动，交流电机扭矩大，噪声也大，可以通过220V市电直接供电，虽然可以省去电源适配器，但使用过程中也比较危险；直流电机虽然扭矩比较小，并且需要适配器供电，但是启动平稳、噪音小、转速稳定，同时也相对安全。综合以上考虑，在本设计中使用24 V直流电机。驱动芯片采用L298N，该芯片是一种双H桥电机驱动芯片，其中每个H桥可以提供2 A的电流，功率部分的供电电压范围是2.5～48 V，逻辑部分5 V供电[11-16]，驱动电路如图3所示。

图3　电机驱动电路

2.3电源模块

该系统需要5 V直流电源供电，通常情况下，多媒体控制器本身就是5 V供电，可直接用多媒体控制器电源给该系统供电。若出现电压不匹配的情况则需要设计独立的电源模块，本系统在测试时直接从多媒体控制器中取电，因此并没有设计单独的电源模块电路。

3　系统软件设计

下面主要对系统主程序、非投影下光线调整子程序以及投影下系统调整子程序等软件主要部分进行介绍。

3.1系统主程序

结合系统功能，系统软件部分包括主程序、外部中断子程序、参数设置子程序以及开关投影仪两种状态下的光线调整子程序等构成，执行过程如图4所示。需要注意，由于光线调整子程序的运行时间相对较长，因此按键不应在此时按下，当调整到位时也需要保持一定的按下时间直至响应；投影开关状态是通过变量media_flag的值判定的，该变量在进入外部中断0服务程序时被翻转（投影开关键接于外部中断0输入引脚），是否调整结束是通过变量adjust_done标识的，该变量由光线调整子程序执行结束后标识为“已调整结束”，在外部中断服务程序中标识为“未调整结束”，并且以上两个变量均可以通过按键设置，以纠正断电、未捕获到投影控制信号等情况造成的误判。

图4　系统主程序流程图

3.2非投影下光线调整子程序

该子程序主要考虑尽可能利用自然光线，当室外光线无法满足需求时，则打开电灯总开关，并提示使用人员进行手动不光，其执行过程如图5所示。首先关闭电灯总开关并将窗帘开至最大状态，后根据所获取的光线情况选择打开或者关闭电灯总电源。

图5　非投影下光线调整子程序流程图

3.3投影下光线调整子程序

如图6所示，该子程序主要考虑将教室内的光线调整到最合适的程度，其同样在关闭电灯总开关的情况下进行调整，不同之处在于此时并不直接将窗帘完全打开或者关闭，而是根据所需的光线范围对窗帘进行步进调整，直至光线满足要求，当无法满足所需光线的最低要求时则打开电灯总电源，并给使用人员相应的提示。

图6　投影下光线调整子程序流程图

4　测试应用

系统硬件、软件设计完成后，进行电路制作、程序调试，最终完成样机，然后进行测试使用。在进行测试时，首先将控制器与多媒体设备开关连接一起；控制器使用的欧姆龙固态继电器G3MB-202P，工作电压不超过250 V，工作电流不超过2 A，需要通过中间继电器与教室灯光电源连接；测试时，打开多媒体设备即输入控制信号，窗帘自动关闭到合适位置；不使用多媒体设备时，光线较弱则自动打开灯光电源，保护学生视力，光线较强则自动关闭灯光电源，节省能源。测试结果表明，该智能窗帘控制系统，性能可靠、控制简单、稳定性好，能够满足一般多媒体教室的使用。

5　结束语

基于单片机的教室智能电动窗帘控制系统结合了计算机技术、传感器技术、通信技术，实现了多媒体教室光线的自动调整，减少对教学过程的干扰，提高了教学效率；测试结果表明，该系统的控制结构简单、控制灵活、性能可靠，具有一定的应用价值。

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Design of intelligent curtain control system in classroom based on singlechip

HU Qi-di，XIONG Gang，LIU Yuan-gang
（Yangling Vocational and Technical College，Yangling 712100，China）

Aim at the problem of adjust inconveniently light when using projector in the course of teaching，this paper designed a control system of curtain apply to classroom.It's hardware used STC12 series MCU as control center，photosensitive element to capture light intensity，relay to control master switch of light，and connected with multimedia controller，through appropriate software，this system can capture condition of projector，then adjust classroom's light automatically by adjust the curtain's degree of opening by the way of controlling motor's rotation direction.The test result shows that the system achieves the design requirement，can improve the convenience of the use of multimedia，and has some practical value.

singlechip；electric curtain；intelligent control；classroom

TN876

A

1674－6236（2016）21-0031-03

2015-11-17稿件编号：201511156

杨凌职业技术学院科学研究基金项目（A2014011）

胡启迪（1983—），男，河南洛阳人，硕士研究生，讲师。研究方向：通信技术及自动控制。