基于单片机技术的教室节能控制系统实现路径分析

摘  要：近年来，我国逐步从粗放型经济过渡到集约型经济，很多不符合可持续发展的行为正在慢慢地改善。就目前我国教室照明系统所存在的严重的电能资源浪费现象，本文试着从文中的几个侧面给出一定的意见和建议。在这种背景下，改造升级现有的能源资源调配管理系统，对于教室节约能源意义重大。在传感器的帮助下，本文通过一套基于单片机以及CAN总线的教学楼教室节能控制系统，将教室内部的光照强度、人员数量等信号数据采集到单片机系统中。在单片机的帮助下，实现合理调配，进而使教室灯光等资源得到节能经济的控制管理，实现节电节能经济运行技术升级的最终目的。

关键词：单片机;教室节能;控制系统

中图分类号：TP273+.5;TP332.3      文献标识码：A 文章编号：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区域照明设计规范的要求，一般设置为10W/m2。我们以一个96m2的标准教室为例，假设从早8点到晚9点正常照明运行13个小时，那么每个教室一年就需要160kW·h。这还只是一间教室，如果整个学校有210间教室，我们要是把照明系统的节电能力采用相关先进控制技术手段提高30%，那么电力资源一年就可以节省达2.28×105kW·h，而全年电费按照单位电能0.5元来计算则大约可以节省12万元之多。因此，对于学校教室建筑节能降耗而言，对教室的照明系统进行改造升级是一个重要内容，同时其获得的经济收益也是十分可观。

1  教室灯光节能控制器控制简介

从整个照明系统的功能效果来看，需要在检测到教室有人存在时，结合环境的外部因素，例如环境光照、温湿度等，并采集教室内的信息：如人数、分布空间、环境光照等特征信息当量，决定是否要启动照明灯具相互节能匹配方案以及开启灯光系统时则借助于动态的判断。如果当时的环境光照满足教室照明的规范需求时，就会控制不打开灯具，也就是说，只有符合预定条件，且分析判断达标方案匹配时，才会调节照明，按照预定条件使得教室照明灯光得到稳定节能运行的效果[1]。

在设计上，这套教室节能控制系统可以准确而方便地检测出教室内现有的人数，并且根据人数的分布以及多少，点亮对应的电灯。从结构上，整个系统主要分为信号检测部分、电灯控制部分、电源部分以及单片机控制部分四个部分。信号检测部分，作为采集日光信号与人体信号的中间媒介，将信息当量传递给单片机并作相应的控制;电灯控制部分，则是通过继电器，实现弱电控制强电的要求，以达到控制日光灯的亮灭的目的;电源部分，则是经过变压、整流、稳压处理后，使交流工频电压向其他系统输出稳定的直流电压;单片机控制部分则作为整个系统的核心部分，对整个系统的运行起到控制的作用[2]。

2  教室灯光节能控制系统总体设计方案

针对教室的灯光节能控制系统，本文从设计技术层面上做了系统的分析。教室检测控制单元的核心控制单元选用PIC18F458单片机，为了可以有机地互联同一楼层的教室节能控制检测控制单元1～n，我们借助于RS-485通讯线，然后把教室资源的中央计算机单元与楼层控制单元1～n在CAN总线的综合调配管理下进行有机互联，进而实现高效合理动态调配管理教室内部灯光等资源。PIC18F458单片机，作为PIC系统的主要组成部分，是教室检测控制单元的控制核心，利用KingView6.5在教学楼中央计算机单元上提供的控制界面，通过对教室用电电气设备运行状况、光照强度、学习交流学生人数以及教室温湿度等信息的动态采集，可以在全中文、数字化、图形化的条件下进行实时控制，动态化地统筹管理教室内的资源配置，极大地提高了系统的人性化服务水平[3]。

3  教室灯光节能控制器的设计

采集信息并分析判断，输出信息是教室检测控制单元的主要职责，作为整个教室节能控 制智能化调节管理系统中重要的核心组成部分，教室检测控制单元一方面做到了与楼层相关控制单元进行实时的数据信息通信共享，另一方面动态采集、实时运算分析处理、存储教室内部各种监控对象的数据信息[4]。

3.1  硬件选型设计

3.1.1  单片机选型

在性能选择上，智能教室资源节能调节控制系统应该满足自动智能化集成度高、功耗低、可靠性强、以及操作维护方面简单成本低等要求。而符合该要求的首选则是PIC系统单片机中的PIC18F458单片机，由美国Microchip公司自主研发，该单片机精简指令集（RISC）控制技术采用哈佛总线通信结构，驱动能力强的同时具有较高的运算分析速率，在仪器仪表精确控制、家电智能控制以及工业控制等领域上有着出色的表现。

3.1.2  光照信号采集单元选型

研究成果表明，光敏电阻、光耦合器以及光电管在光电探测器性能上具有明显的优势。在光谱响应峰值上，光敏电阻与人视觉敏感区的光波长非常接近，所以在设计上，我们选择用光敏电阻作为教室光照强度的主要采集和处理单元。与之相对的，当外部光照强度逐渐减弱时，光敏电阻的响应时间也会随之增加。在光照强度发生变化时，对于教室灯光控制系统，需要加强其输出状态以保持功能[5]。

3.1.3  红外数据的采集与处理单元

教室内部人数信号采集与处理子系统的构建，我们选用以红外传感器作为核心技术支持。红外传感器不仅电路结构清晰简单，同时成本低廉。在信息采集和处理上，它还可以将教室内的人数作为重要数据依据，以此控制教室内部照明系统灯具数量，合理调配管理教室内部资源，实现电力资源的节能。

3.2  软件编程设计

软件编程系统是一切指令的下发终端，而对于教室节能控制系统而言，需要集信号采集、信号传输、以及智能化节能调节等多功能于一体，可见软件编程是一个非常重要的部分。但在本文中只重点对光照强度采集电路和红外数据采集处理电路的软件设计进行分析，而不是面面俱到。

3.2.1  光照强度采集电路软件设计

采集电路部分的软件设计和单片机光照信号光敏传感器的主要任务，是借助光敏传感器，采集教室内的光照强度的數据信息，并进行动态分析和处理。

3.2.2  红外数据采集处理电路软件设计

红外传感器的使用，可以动态测量教室内实时学习的学生人数，按照区域划分，从而采取最优的照明灯具控制方案，在具体的软件流程上采用二分法，并根据公共区域的照明设计规范，对具体的参数做判断识别，如图1所示，其中光照1与光照2为学习根据自身实际情况设置的。

4  上位监控系统设计

作为整个教室节能控制系统的上位监控机，教学楼中央计算机单元的正常运行，可以使教室内部能源资源得到效率上的提高。通过CAN总线，实时数据信息运算分析、存储等程序可以得到有效开展，并且与教室节能检测终端控制器进行实时通信，从而在教室资源的动态节能上，实现智能化的调度管理[6]。

5  结  论

综上所述，能源问题日益严峻的当下，节能减排已经不仅仅是口头上说说而已，更多的需要我们从一点一滴的小事上做起。在我国从粗放型经济向集约型经济过渡的阶段，本文就高校教室能源节能高效调配管理，给出一些意见和建议。本文结合当前先进的检测与控制技术和单片机技术，基于PIC18F458单片机的技术基础，构筑了教室资源动态节能调配管理系统，从而减少了电能资源的浪费，极大地提高了教室能源的利用效率，实现了高校教室资源节能降耗的目的的同时，也使得教室节能控制系统在理论和技术上有所突破。

参考文献：

[1] 杨晨，吴丽娜.电子工程技术在单片机中的技术应用 [J].计算机产品与流通，2019（7）：85+93.

[2] 赵月姣.单片机在电子技术中的应用和技术开发 [J].科技风，2019（15）：94.

[3] 朱鑫鑫，黄森，冀逢锐.单片机技术在嵌入式系统扩展中的应用 [J].电子技术与软件工程，2019（8）：236.

[4] 李桂香，张君玲，邹宇琳，等.教室照明节能控制系统研究 [J].物联网技术，2018，8（2）：109-111.

[5] 张锦荣，罗彦琦.基于微机控制的高校教室节能系统设计与研究 [J].现代计算机（专业版），2018（5）：78-82.

[6] 徐萍.用Visual Basic开发微机与单片机通信程序 [J].电子技术应用，1996（6）：19-22.

作者简介：冯乔（1981-），女，汉族，江苏宜兴人，实验师，工程硕士，研究方向：单片机、嵌入式等控制技术。