基于微机控制的高校教室节能系统设计与研究

张锦荣，罗彦琦

（东莞理工学院城市学院，东莞 523419）

0 引言

随着能源的日益紧张以及燃烧煤炭等资源带来的社会和环境问题的日渐突出，高校节能工作也在全国各地蓬勃开展起来。高校教学楼的用电设备数量众多，使用时间长，它们在整个学校用电量中所占的比重一直居高不下，不合理使用教室的用电设备会带来电力资源的极大浪费。

针对目前高校教室用电设备控制和教学管理不足的现状，以提高教室用电设备的节能化和教学管理的效率为目的，研制了一套功能较完善的基于嵌入式的教室节能控制系统。该系统应用先进的电子及传感器技术、自动控制技术以及实用的硬件平台。整个系统采用“热释红外传感器为检测模块、51单片机为中心控制模块、交流接触器为执行模块”构成。教室节能控制系统采用的红外传感器实现对学生进出教室等数据的采集，实现对教室实时监控，51单片机作为中央处理器对教室的用电设备进行合理控制和管理。节能控制系统检测到有人时起动教室总电力系统，当人离开后自动切断总电力系统，实现了高校教室用电设备控制的智能化和节能化的目标。

1 高校教室的能耗特点

1.1 教室用电设备处于无人监控状态

教室里学生、老师可以随意开启风扇、灯管、空调，整个教学楼的用电设备处于无人监控状态。

1.2 学生缺乏节约意识

在高校里学生离开教室不关闭电源的现象很普遍，学生缺乏节约的意识，造成极大的浪费。

1.3 教室楼管理员管理效率低

教室使用完毕后，教室管理员需要对未关电源的教室进行手动切断用电设备电源，效率极低，工作繁琐。以东莞理工学院城市学院教室6409为例，由于没有及时关闭用电设备，一年非正常使用的能耗如表1所示。

通过以上的表格可以得出教室一年空调和风扇的用电时间基本上是 5、6、7、9月份（共 120天），其它的电器一年以40个教学周（共280天），计算教学楼6409教室用电设备由于不及时关闭电源而导致每年浪费的金额为913元。整个学院教学楼按100间教室计算，一年内非正常使用而产生的经济浪费高达913×100=9.13万。此表格主要以 1、2、3、5、6、7号教学楼的教室进行统计分析。如果增加图书馆、实验楼和办公楼的能耗统计，由于不及时关闭电源导致每年造成的损失估计至少为30万元。

表1 东莞理工学院城市学院教室6409用电设备一年非正常使用的能耗统计表

从以上统计表格可以看出，高校教室用电存在着极大的浪费，教室节能绝非微不足道，即便单从经济利益的角度来看，节能系统的研究也是非常重要的。因此以东莞理工学院城市学院教室节能为研究蓝本，提出该研究课题，通过分析和研究能耗产生的原因以及设计出节能控制系统以达到节能目的。

2 节能控制系统的设计

2.1 节能系统的硬件设计

该系统采用单片机和人体红外传感器对学校教室用电设备进行控制和管理。为了避免检测到走廊的行人而影响节能系统的工作，因此整体方案是在教室内的墙壁和天花板上安装红外传感器，所有的检测模块均面向教室内部空间，使教室内部空间处于监控范围内，检测信号输送到单片机进行处理。当红外传感器检测到人体发出的热能红外线时，输出信号到单片机进行处理分析，控制系统起动12V继电器控制380V的交流接触器启动用电设备。教室的人全部离开后红外传感器无信号输出，10分钟后教室电力系统自动断电，另外设有应急电路开关，以避免控制系统故障时无法使用教室用电设备而影响正常教学秩序（工作原理图如图1所示）。

（1）检测终端

以热释电红外探测传感器组件作为该系统的检测终端，该组件由三个部分组成：热释电传感器、匹配低噪放大器和菲涅尔光学系统。

（2）中央控制系统

控制器单元主要对教室检测控制单元进行集中操作管理，并协调各单元之间的数据传送，以提高整个智能教室节能控制系统的可靠性。

（3）应急控制系统

应急控制系统是专门为整个节能系统出现异常时设计的，目的是保证教室的用电设备能正常使用，避免影响教学。

图1 节能控制系统工作原理图

2.2 节能系统的软件设计

该系统的软件设计采用C语言实现。分主程序与子程序，子程序主要包括传感器采集信息程序、单片机最小系统控制程序等程序模块。主程序流程图（主程序流程如图2）。

图2 主程序流程图

表2 教室6409、6412电表读数统计表（W·h）

整个设计应用先进的电子技术、自动控制技术以及实用的软件平台，设计了一套功能完善的教室节能控制系统。该设计将单片机控制系统与传感器技术结合起来构成了整个节能控制系统。节能控制系统实现对教室内部用电设备进行全自动的合理控制和管理的功能，达到对高校教学楼教室用电设备控制的智能化和节约化的目标。

3 试验教室能耗数据及节能效果分析

现对东莞理工学院城市学院教室6409安装节能控制系统，以6412作为比较对象，连续对6409和6412进行三个星期的现场试验，得出的测试数据如表2、3、4所示。

表3 教室6409、6412非上课时间电量统计表（W·h）

表4 教室能耗比较分析表

两个教室均从2017年5月9日开始连续检测三个星期的用电情况，从总体上来看，安装了控制系统的教室6409总的用电量为504W·h，非上课时间的用电量为47W·h，而无控制系统的教室6412总的用电量为473W·h，非上课时间的用电量为120W·h。总用电量上6409教室比教室6412多31 W·h，安装了节能控制系统的教室总用电量比没有安装节能控制系统的用电量大，造成这个结果的原因与教室的用电设备使用频率有很大的关系，但是从非上课时间段的用电量来看，未安装控制系统的教室6412用了120 W·h，安装了节能控制系统的教室6409用了47 W·h，比6412少用73 W·h。实际上6409和6412用在教学上的电量分别是457 W·h和353 W·h。因此，6409和6412的非上课时间用电与上课时间的用电之比分别为9.3%和25.4%，从表4、表5可以看出来6409非上课时间的区间用电量最大出现5月20号12：00～14：00共7W·h，而6412非上课时间的区间用电量最大出现5月12号16：00～19：00共 17W·h，而且用电超过 7 W·h的时间段有5处，比6409多4处。

从上面数据分析可以得出，装上节能控制系统的教室的节能效果明显。节省程度可达约16%。这些数据表明该节能系统在教室节能方面的确有一定的效果。该研究达到设计的目的，杜绝了教室无人使用而用电设备空转的浪费情况。

4 经济效益分析

教室节能控制系统整个材料费用约为600元，按实际使用情况统计三个星期可以节约73 W·h，共73×0.61=44.5元，即每个星期可以节约14.8元，一年就可以节约14.8×40=592元（教室并不是每天都满负荷使用，因此一年按40个星期来计算）。所以一年就可以回收材料费用。如果采用半自动控制，仅用200元的材料费用（节省了红外传感器模块的费用），只要4月就可以回收成本。因此，该节能控制系统值得推广。

5 节能对策建议

（1）对用电管理实行目标责任制。将目标责任与年度考核及岗位竞聘挂钩，调动管理部门和节电管理人员的积极性，加强各级管理部门的工作责任心，提高工作效率，承担对各教学楼用电设备的检查督促，以减少浪费[1-3]。

（2）对学生开展节能教育。通过节约用电等知识讲座、图片展览、知识竞赛等活动培养学生节能意识，让学生掌握节能的基础知识，真正懂得节约能源的重要性。

（3）加大节能宣传力度。在高校内开设节能降耗专栏、公益广告等，提倡大家随手关灯，上自习时集中坐位，充分利用自然采光等。让学生在生活中注意节能环保细节，做到“从我做起，从点滴做起”。

6 结语

该课题对高校教室灯管、空调及其他用电设备的控制进行了节能研究。以人体存在状况等外界环境为控制的输入参数，以STC89C51单片机主控单元为核心，以交流接触器为执行终端，与单纯的人员管理教室用电设备相比更合理可靠，更有效地降低教室用电费用。该节能控制系统的设计对于各类大、中专院校的教学楼用电设备管理具有重要的意义。

参考文献：

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[2]张健，房淑媛，陈凡.高校节能型校园建设路径研究[J].北京教育（高教），2014（4）：25-26.

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