基于单片机的智能开关系统设计

李颜鑫 刘畅 祝宇晴 陶雨露

摘要：将自动供电控制技术运用到高校教室开关的一个设计，以达到节约能耗、延长设备使用寿命、方便教学楼管理的目的。在本设计中，要实现的功能主要有：采用超声波传感器确定人员是否出现在指定区域的检测，根据所检测到的数据，判断教室指定区域是否有人员，最后，通过控制电源的开关来达到自动化节能的目的。

关键词：智能开关;节能;单片机;超声波测距

TP212.9       文献标识码：A       文章编号：1007-9416（2020）04-0000-00

0 引言

目前，社会对高等教育的关注度越来越高，学校规模日益扩大，教室的数量也随着大幅度增加，为使师生有舒适的教学和学习的环境，校方在力所能及的范围内，相应增加了教室的面积，然后，随着教室数量的增加，照明设备的需求量也越来越大，但由于大学管理模式的开放型，人员流动性大，即使室内无人的情况下，也全部开启照明灯，长明灯比比皆是，人走灯不熄的现象普遍存在。这种有形和无形的浪费。给学校的电力支出带来了沉重的负担。虽然在部分大中城市中的部分院校已经有夜间人工统一拉闸断电，但对于午间、课间、或者饭点等时间内无法将没有人使用教室进行断电，所造成的电能浪费依然是相当巨大的。本文介绍了将自动供电控制技术运用到高校教室的一个设计，以达到节约能耗、延长设备使用寿命、方便教学楼管理的目的。

1 概述

目前国内关于智能教室的研究不少，现有的设计约分为三类。一为利用光电管计数。但现在大多教室为双门出入，而在人群大量涌入或涌出时，系统计数困难，误差较大，识别较难。二是依靠热释电红外传感器完成对人存在情况的检测。该种红外探头可探测温度约37°时物体发出的特定波长的红外线。但在天气炎热以及人体长时间静坐时这种控制器的效果不理想，且对于大教室的工程量较大。第三种是基于机器视觉的教室节能照明控制技术，通过对视频监控系统内图像的处理，实现对教室各区域的照明设备的控制。此类方法在自然光变化较大以及座位区有异物时误差较大，且成本较高。

本文设计的教室智能开关系统，利用STM32单片机控制舵机带动超声波旋转，通过测量距离与设定距离进行对比，来确定室内是否有人，进而来实现教室无人时自动断电的功能，可以改善每到午休、下晚自习时人走不断电、不关风扇的现象，从而减少了電能资源的浪费，实现了节能的目的。

2 设计方案

2.1硬件设计

根据控制器需要实现的功能，智能开关系统的硬件部分分为以下几个主要模块：电源电路、单片机主控电路、超声波传感器检测处理电路、人存在检测和控制电路、声光报警电路、串行通讯接口电路、液晶显示模块电路、执行器控制模块电路;然后，根据主要模块要实现的功能，分别进行芯片的选择和电路图的设计，并且该过程还必须包括每个模块的工作原理和组成的介绍;最后，在这些模块的集成中，集成过程必须考虑模块之间的相互作用和电路结构的简单性，设计模块结构如图1所示。

2.2软件设计

按照总体设计方案编译节能智能控制器软件程序。软件设计的基本要求是能够对教室的照明进行编程和模拟，以及打开和关闭电风扇以检测，处理和显示教室中有人。在硬件设计完成的基础上，软件程序的设计采用程序的模块化、子程序化、自上向下的设计方法，包括系统初始化程序、主程序、传感器探测子程序、执行机构控制子程序、延时子程序等。

本文使用的编程软件是Keil5，该软件已在EDA行业中的美国公司中广泛使用。使用它可以进行C源码编译、源程序汇编，也可以直接调用和重新定位目标文件及库文件、创建hex文件、调试目标程序等工作，操作起来简单方便，是开发和调试单片机系统的理想工具之一。

选择教室内某高度水平面，使得该水平面高于桌椅某一给定距离。在该平面与某一侧墙壁的交线处装设超声波测距仪，超声波发生器与接收器固定于测距仪的瞄点装置上[[1]]。使该瞄点装置以某一频率自旋，由于声速相对于教室空间和瞄点装置自旋角速度而言很大，故可以忽略测距时间，即认为测距仪可以实现在该给定水平面上的全方位的实时距离测量[[2]]，超声波测距模型图如图2所示。

在上述水平面与侧墙的交线上取180个点，在教室内空无一人的时候，超声波传感器测量这180个点的距离作为设定值，各自记做Si。当在超声波传感器和第i个点之间有人时，则测量距离Li10（不取0而取10是为了保留一定的容错性，实现装置的可靠性），则可以判定教室内有人，则继电器继续工作，教室内正常通电;当教室内无人时，则扫描完180个点后，N<10，则控制器发出断开信号，作用于继电器，继电器断开电源连接，继而实现教室内无人时断电的功能[[3]]。程序流程如图3 所示。

3 预期成果分析

制作出基于自旋式超声波测距的教室节能装置一部，由1：25的教室模型和教室节能装置控制器两部分组成，可实现的功能作用如下：

（1）1：25的教室模型，用于项目制作过程中程序的调试，和最后结题时实物的操作演示用。

（2）初次使用时，能够在教室无人时自动采集初始值，多次采集比较后，作为设定值。

（3）控制器中的电路板，自行设计原理图，PCB打样后，集成度高，体积小，能耗低，可放入普通开关盒中。

（4）控制器具有串行通信接口，可以与PC进行通信，通过串口调试助手实时地将采集数据显示在PC上，方便程序的优化设计。

（5）超声波测量精度0.1cm，测量范围0.08m-8m。

4 结语

设计的教室智能开关系统，利用STM32单片机控制舵机带动超声波旋转，通过测量距离与设定距离进行对比，来确定室内是否有人，进而来实现教室无人时自动断电的功能。其特点有：

1. 原材料易获得，制造成本低，并且成品体积较小，容易置办，移动、置换容易。
2. 受环境影响较小，只需在室内适当的位置安上此系统，人为影响较小，相对独立，易于管理，报错率低。
3. 利用小舵机带动超声波旋转测距，实现全方位距离测量，降低传感器使用数量。
4. 利用廉价的超声波传感器代替传统的温度传感器，即降低了成本费用，又提高了测量精度与系统的可靠性。

节能环保不仅是国家的责任，也是我们每个中国公民的义务。该基于单片机的智能开关系统通过对教室的监控，判断教室是否有人，从而自动控制开关的通断，在教室没人的情况下，及时使用电器断电，以达到节约能耗、延长设备使用寿命、方便教学楼管理的目的。该装置于国家的环保前景，于学校的节省开支都有一定的贡献。

参考文献

[1]谢地，鲁照权，丁浩峰，等.基于超声波测距的高精度室内定位系统[J].传感器与微系统，2019，38（10）：98-101.

[2]吕承昊.影响超声波测距因素的研究[J].电子测试，2019（17）：31-33.

[3]程春.大学教室智能照明控制器及其系统的研究与开发[D].北京：北京化工大学，2010.

收稿日期：2020-02-13

作者简介：李颜鑫[A1] ，女，湖南沅陵人，本科，研究方向：电气工程。

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