基于MCU 的智能型节能教室的设计

杨荣兴 西北民族大学

引言

21世纪，人类可使用资源逐步匮乏，资源的浪费问题也日益严重。“无人灯、天明灯”的现象更是数见不鲜，造成大量电力资源的浪费。针对该问题，智能型节能教室系统将根据用户行为特征，为其提供多级照明等功能，最大程度避免照明用电的浪费并实现照明供电的智能化和集约化。在实现能源节约的前提下，开发更多功能，突出表现其特点“智能”，例如加入智能打卡系统。这种全新的智能型节能教室系统，它秉承科技、节能、安全、实用的理念。

1 硬件选用

单片机STM32F104

STM32F104 单片机具有速度快、内存大、丰富的外围接口。用单片机定义几个引脚为输入，分别接红外传感器检测人数，热释电传感器判断片区是否有人和光敏电阻判断光照强弱；输出引脚分别接LED 灯和LCD160 显示器。

光敏电阻

采用光敏电阻感应光线强度，自带继电器，当周围光线变弱时引起光敏电阻的阻值增加，使加在电容C上的分压上升，进而达到增大照明灯两端电压的目的，使灯光变亮反之，若周围的光线变亮则引起光敏电阻的阻值下降，进而减小照明灯两端电压，使灯光变暗。

热释电传感器

热释电红外传感器是基于热电效应原理的热电型红外传感器。当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由C1、C2、R1、R2 组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16Hz，下限截止频率为0.16Hz。由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有1mV 左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0.1～10Hz 左右），所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。利用温度变化的特征来探测红外线的辐射，采用双灵敏元互补的方法抑制温度变化产生的干扰。热释传感器如图所示

红外传感器

全自动感应，人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则延时关闭高电平，输出低电平；温度补偿，在夏天当环境温度升高至30～32℃，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。

LED 灯

绿色环保的半导体电光源、光线柔和、光谱纯，有利于使用者的视力保护及身体健康并且节能、寿命长、适用性好。

2 设计方案

2.1 继电器控制通断电

通过红外传感器判断教室内是否有人并将数据发送给单片机，如果有人则单片机向继电器发送一个高电平从而对系统进行通电，相反没人则单片机给继电器一个低电平进行断电（通过继电器控制通断电可以很好的防止电路故障造成的火灾等危险，保障了学生的安全和保护了学校的财产，同时也能很好的避免教室无人灯的现象发生从而节约电力资源）。光敏电阻器对光的敏感性(即光谱特性)与人眼对可见光(0.4 ～0.76)μm 的响应很接近，只要人眼可感知的光，都会引起阻值变化。因此利用光敏电阻的特性巧妙地与继电器模块进行组合，利用室内的光照强度对教室的照明电路进行强制控制。实现了教室光线昏暗的智能供电，晴天的智能断电。

2.2 热释电传感器控制暗灯

因为热释电感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元(A元B 元)位于较长方向的两端，当人体从左到右或从右到左走过时,红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏，当人体从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时，双元检测不到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；为了增加感应角度范围，我们采用菲泥尔滤光透镜，使得探头四面都感应，但左右两侧仍然比上下两个方向感应范围大、灵敏度强，因此在横向和竖向共安装四个热释电传感器在教室过道，以满足监测的灵活性和准确性，以对进入教室的用户提供暗灯照明以满足其基本的照明需求。

2.3 红外传感器控制区域灯

白天虽然有光照，但是日光不一定能为教室每个区域提供足够的光照，因此将教室划分为几个区域，在统计教室人数后，通过红外传感器对每个区域是否有人进行判断，再通过光敏电阻对该区域的光照进行感知，从而决定该区域灯是否亮起（这样不仅能在白天合理的控制灯的开关也能很好的为需要灯光的学生或者老师提供合适的光照）。

3 软件设计

该系统软件采用C 语言编写，编译环境为Keil C51。C 语言与汇编语言相比，C 语言编程的可读性高，便于理解和交流，在学习上，C 语言也比较容易上手。Keil C51 生成的目标代码效率非常高。

4 实物图展示

5 结束语

目前，能耗的节约是一个重大问题。如今,高校教学楼的数量不断增加,伴随而来的是电能的浪费。在国家大力提倡节能减排的时代背景下,针对目前高校教室存在着“长明灯”现象,室内照明没有充分利用自然光，实现按需求照明和照明系统智能化程度低等问题,设计了以STM32 单片机为核心控制器的教室智慧照明系统,对高校的节能工作具有重大意义。并且通过在该新型智能教室中加入智能打卡系统，一方面能够更有效的实现灯光控制的功能，在另一方面，能够有效识别进出人员，提高校园安全等级。