基于单片机的智能教室系统
2020-12-03文汝红
易 淼，陈 鹏，文汝红
(宜春学院 物理科学与工程技术学院，江西 宜春 336000)
随着5G的时代到来，5G即第5代移动通信技术，5G是可以以GB的速度运行，可以处理千兆级的流量数据，相比4G快10倍以上，延时更小，真正实时通信5G还将成为未来一切的基础，让科技得到进一步的提升。人们的现在生活不至是在于温饱问题，而是对生活的享受，人们的生活开始逐步走向智能化。所以智能教室开始慢慢走进时代，以前的普通教室虽然具备了电风扇以及照明灯，但是我们对着这些资源利用不合理导致资源浪费。资源的浪费又没有使得教室更加舒适。所以，我选择运用单片机设计出一个体积小，操作简单，能够合理运用资源并且教室更加舒适。从而教学水平更上一个台阶。
1 设计目的与应用
目前，在我国大部分教室都配备一些电子设备，但是利用并不合理，没有系统化的管理。教室资源浪费的现象，比如1、当教室处于足够亮的时候，教室的灯光依然全部亮着；2、电风扇的使用问题，天气炎热的时候不开，天气微凉的时候又开着等。假如可以通过单片机的运用可以充分得利用资源，并且使得教室更加的舒适。简单的单片机能够迅速，准确，合理安排教室的资源。
2 功能介绍
图1 系统框图
基于单片机的智能教室系统主要利用温度传感器DS18B20、光敏电阻、DS1302时钟模块、数模转换模块、LED灯、数码管等，智能教室系统能够实现的功能如下：
智能节能教室模式分两个模式。自动模式：在时间为8点到18点为自动模式，在自动模式下实现灯光自动控制和风扇自动控制。手动模式：在时间为18点到8点为手动模式，在手动模式下手动控制灯光和风扇。
2.1 自动模式下
(1)数显时钟
在自动模式下数显时钟的时与分，初始时间为17-59，显示在数码管最前端，L7灯点亮，作为自动模式指示灯，手动模式下L7关闭。
(2)AD探测
光线暗开灯，光线稍亮开部分灯，光线很亮关全部灯默认ad限值1=160，ad限值2=200。
光线暗：ad值<限值1，打开L1 L2 L3 L4。光线稍暗：限值1=
图2 光线限值设置框图
限值2必须大于限值1，否则光标无法退回时钟显示界面，停在限值2修改闪烁。
(3)温度探测
温度高时开风扇，温度限值可调，温度显示在数码管的后两位；温度大于温度限值1时，打开风扇，输出占空比为40 %的PWM波；温度大于限值2时，风扇打开到最大，即PWM波输出为90 %；当温度比限值2高5度时判定为高温，风扇全开，蜂鸣器间隔1s响且打开；报警灯光，高温报警。报警器用继电器表示，报警灯光用开继电器指示；限值2大于限值1，否则光标无法退回时钟显示界面，停在限值2修改。PWM波频率为1khz。
在时钟模式下按下S6按键，进入温度限值调整界面，按S5加一，按S4减一，限值调整完成后保存在EEPROM中，实现掉电保存功能
图3 温度限值设置框图
2.2 手动模式下
模式切换时，原先灯、蜂鸣器与继电器和PWM输出全部关闭。
(1)无论原先在什么界面(可能在修改界面)数码跳回显示时钟与温度界面。
(2)按键S7控制led，第一次按下，亮L1 L4，第二次按下L1、L2、L3、L4全亮，第三次按下led全灭，依次循环。
图4 控制LED亮灭
(3)按键S6控制风扇
图5 控制PWM波占空比
3 硬件设计
3.1 STC15F2K60S2芯片介绍
STC15F2K60S2芯片具有40个引脚，可以分类为电源、时钟、控制和I/O引脚。
1.电源：VCC连接芯片电源(+5V)；GND直接地端或接0V.
2.时钟：XTAL1为晶体震荡电路的输入端；XTAL2为晶体振荡电路的输出端；
3.ALE/PROG:地址锁存是否可以访问片内的可抹除可编程只读存储器；
4.PSEN：是否接外部程序存储器；
5.RST：外接复位电路。
6.VPD：假如VCC无电压输入，则接备用电源。
7.EA功能：内外ROM选择端。
8.P0口是三态双向口。
9.P1口本次智能教室系统中未用到。
10.P2口是准双向接口。
11.P3口是准双向口，又是双功能口。
12.P3.0 RXD(串行输入口)
13.P3.1 TXD(串行输出口)
14.P3.2 INT0(外部中断0)
15.P3.3 INT1(外部中断1)
16.P3.4 T0(定时中断0)
17.P3.5 T1(定时中断1)
18.P3.6 WR(外部数据存储器写信号)
19.P3.7 RD(外部数据存储读信号)
图6 STC12C5A60S2引脚图
3.2 74HC138译码器
P25、P26、P27分别接74HC138的A、B、C；GI接高电压；G2A和G2B接地，74HC138可以进行正常工作，3位二进制加权地址输入(A，B和C)，并且正常工作的时候，会使8个输出端(Y0-Y7)其中一个输出低电平。比如当输入110则会使Y6输出低电平。再通过与非门74HC02从而输出高电平。
图7 74HC138译码器
3.3 LED锁存电路介绍
P00-P07分别接入M74HC573MIR的D1-D2，可以使单片机的P00-P07输出信号给M74HC573MIR；OE接地；当LE为高电平时，M74HC573MIR处于工作状态，当LE为低电平时，M74HC573MIR处于非工作状态，当P00为0(低电平)这Q1输出0(低电平)；从而使得LED1亮。P0输出信号去控制8个LED灯的亮灭。
图8 LED锁存电路
3.4 按键介绍
为了使智能教室更加智能化，因此在该系通中有按键模块，便于一些相关参数的修改，起到设计系统的能力。用跳帽把CON3的3和2连接，并且分别与单片机的主控芯片STC15F2K60S2的端口P30、P31、P32、P33相连，再通过程序的编写去使系统参数设置的改变。
图9 按键设置
3.5 DS18B20温度传感器介绍
通过单片机芯片STC15F2K60S2的P14对DS18B20进行读写操作，DS18B20可以传输数据给P14口，图中的R11是个上拉电阻防止输入的电压过高而导致DS18B20损坏。DS18B20只依靠一个单线端口进行相应的操作，在检测的范围-55～+125摄氏度。GND接地，DQ数据数据输入输出脚，具有64位只读存储器(ROM)，DS18B20具有三个管脚。使用该温度传感器用于对教室内的温度进行实时监控，再根据温度的高低来控制教室风扇的转速的大小，从而使得教室的温度达到令人感到舒适的温度范围。
图10 DS18B20 温度传感器
3.6 DS1302介绍
1.X1 X2为32.768KHz晶振管脚。
2.GND是直接接地。
2.CE是复位脚：在输入信号的时候，读、写寄存器中的数据时，必须为高电平。
3.I/O数据输入/输出引脚：三线接口时的双向数据线。
4.SCLK串行时钟：可以控制数据的输入与输出。
5.Vcc1，Vcc2电源供电管脚：Vcc1为主要的电源；Vcc2是DS1302的备份电源。当Vcc2>Vcc1+0.2V时，主电源供电能力不足时，可以用Vcc2为DS1302供电，当Vcc2 DS1302的时钟精准度偏低，影响其精准度的因素比较多，温度高低以及环境的变化都影响DS1302的时钟精准度，然而智能教室只是需要大概的知道时间，对时钟精准度要求不高。DS1302时钟是功耗小、性能高的时钟电路。 图11 DS1302时钟 利用光敏电阻的阻值是随光照强度的增加而减小，使得输出电压随光照强度的增加而增加。输入PCF8591转换器的模拟信号是随光照强度而变化的；光敏电阻对光的测量。运用简单电路将光照强度的变化转换为电压大小变化。利用PCF8591将输入的模拟电压信号转化为数字信号，再将数字信号输入给单片机，最后通过程序的编写来实现LED灯的亮灭，从而使教室的亮度保持在一定的范围。 图13 智能教室的编写流程图 首先对系统进行初始化，将数码管、LED灯、蜂鸣器、继电器等都关闭；设置时钟初始时刻，将时间设置为17点59；读取DS18B20的温度以及光照强度；将存储在EEPROM的数据赋予给光线限值和温度限值；定时器0和定时器1的声明。前5个数码管显示时间的时和分，再经过时间段的辨定得到处于自动模式还是手动模式。 基于STC15F2K60S2单片机设计的智能教室系统，根据温度的大小控制PWM波的输出功率，根据光照强度控制教室灯光开关情况，使得教室处于一定的光照强度。可以根据能够跟环境的不同，设置出适合环境的温度限值和光线限值，使教室更加智能化。
3.7 数模转换
4 软件设计
5 结束语
