教室智能節(jié)能防盜控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書課程設(shè)計(jì)名稱：教室節(jié)能防盜控制系統(tǒng)班級(jí)：測(cè)控二班學(xué)號(hào)：姓名：時(shí)間：2013.11.08 教室節(jié)能控制系統(tǒng)一、摘要：基于AT89S52 單片機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)教室節(jié)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)有三種工作模式，夜間防盜、自習(xí)模式和上課模式。系統(tǒng)日光燈受光線強(qiáng)度以及是否有人員在教室里的控制。三種模式轉(zhuǎn)換自如，每個(gè)模塊交替工作，保證了整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。Abstract：AT89S52 microcontroller based design of a classroom saving system. The system has three operating

2、modes, night security, study mode and go to school mode. System fluorescent lamp with light intensity and whether have personnel control in the classroom. Three kinds of mode conversion, each module work alternately, ensures the energy conservation of the whole system, extend the service life of the

3、 equipment.二、關(guān)鍵詞：AT89S52；熱釋電紅外傳感器；照度探測(cè)器；節(jié)能Keyword：AT89S52；Pyroelectric infrared sensor；Illumination detector;Energy conservation三、 背景隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，能源問題日益突出。中國(guó)是個(gè)能源消費(fèi)大國(guó)，隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，對(duì)能源的依賴性也越來(lái)越大，從而導(dǎo)致能源的缺口也隨之增大。因此，在開發(fā)清潔環(huán)保的新能源的同時(shí)，節(jié)能也同時(shí)引起了人們的重視。教室作為高等院校主要教學(xué)和學(xué)習(xí)交流場(chǎng)所，為了便于學(xué)生間進(jìn)行知識(shí)學(xué)習(xí)的相互動(dòng)態(tài)交流，通常采用分時(shí)段開放式自由管理模式，也就是說教室資源

4、沒有像高中、初中等學(xué)校那樣將其特定到某個(gè)班級(jí)，這樣教室資源的調(diào)配、衛(wèi)生、以及治安維護(hù)等工作均由教室管理人員進(jìn)行靜態(tài)的管理。教室資源的開放式管理雖然給學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)交流提供了便捷的場(chǎng)所，但由于缺乏對(duì)應(yīng)的高效調(diào)配管理自動(dòng)化系統(tǒng)，很多教室能源浪費(fèi)十分嚴(yán)重，經(jīng)常出現(xiàn)一兩個(gè)人，甚至無(wú)人情況下，教室照明燈具、風(fēng)扇等長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)；或者在光線強(qiáng)度、溫濕度等條件滿足學(xué)習(xí)要求時(shí)，照明、風(fēng)扇等耗能電器依然處于額定運(yùn)行工況，從而造成大量的電能資源浪費(fèi)。按照教室等公共區(qū)域的照明設(shè)計(jì)規(guī)范可知，教室照明功率密度通常按照10W/m2 進(jìn)行設(shè)，也就是說如果一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)教室按照96m2 進(jìn)行設(shè)計(jì)，則按照其照明系統(tǒng)從早晨8 點(diǎn)到晚上

5、9 點(diǎn)正常運(yùn)行13 個(gè)小時(shí)，每個(gè)教室每個(gè)教學(xué)年度按160kw h，整個(gè)學(xué)校共有210 間教室進(jìn)行計(jì)算，如果采用相關(guān)先進(jìn)控制技術(shù)手段將其照明系統(tǒng)的節(jié)電能力提高30%，則全年大約可以節(jié)約電能資源2.28105kw h，如果按照單位電能0.5 元進(jìn)行計(jì)算，則全年可以節(jié)約電費(fèi)額為12 萬(wàn)元左右，而且上述估算分析中還沒有考慮教室照明系統(tǒng)的線損、燈具使用壽命等因素，因此，對(duì)教室照明系統(tǒng)等進(jìn)行節(jié)能技術(shù)升級(jí)改造，其所獲得的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，是學(xué)校教室建筑節(jié)能降耗研究的一個(gè)重要內(nèi)容。四、 系統(tǒng)功能概述系統(tǒng)有三種工作模式：夜間防盜、自習(xí)模式和上課模式。1、防盜模式：每天23:00次日7:00自動(dòng)啟動(dòng)。在此模式下系

6、統(tǒng)分支模塊自動(dòng)啟動(dòng)熱釋電紅外傳感模塊和紅外報(bào)警裝置，達(dá)到對(duì)整個(gè)教室的安全狀況的監(jiān)控。別的模塊相應(yīng)自動(dòng)關(guān)閉，不但減少了能耗，也延長(zhǎng)了設(shè)備的試用壽命。熱釋電紅外傳感器一旦檢測(cè)到有人進(jìn)入教室，警報(bào)器會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警，保證教室財(cái)產(chǎn)安全。 2、上課模式：上課模式的啟動(dòng)由導(dǎo)入的教室課程表決定。課程表有課的時(shí)候，啟動(dòng)上課模式，上課模式啟動(dòng)時(shí)，只有光照度檢測(cè)模塊啟動(dòng)，當(dāng)光強(qiáng)低于設(shè)定值后，啟動(dòng)電燈。 3、自習(xí)模式：其他時(shí)間段啟動(dòng)。在此模式下人體檢測(cè)模塊、光照度感器、溫度傳感器工作，此時(shí)我們將對(duì)教室中是否有人以及光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)電燈實(shí)施控制，起到節(jié)能的作用。五、 系統(tǒng)組成整個(gè)系統(tǒng)以AT89S52 為控

7、制中心，加上溫度、光強(qiáng)檢測(cè)模塊、紅外傳感模塊、報(bào)警模塊、控制模塊等組成。具體如圖1 所示。 單片機(jī)時(shí)鐘電路光照檢測(cè)電路熱釋電傳感器信號(hào)處理電路報(bào)警輸出裝置控制電路溫度檢測(cè)、補(bǔ)償電路 220V 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1、主控芯片采用atmel 公司的AT89S52，其功能特性為：8k 字節(jié)Flash，256 字節(jié)RAM，32位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器，一個(gè)6 向量2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路?？蛇x擇節(jié)電模式和掉電模式。另外，支持ISP 功能，這給調(diào)試系統(tǒng)帶來(lái)極大的便利。溫度傳感器可采用美國(guó)DALLAS 公司的數(shù)字溫度傳感器DS18B

8、20。它采用的獨(dú)特的1-wire 結(jié)構(gòu)，它與單片機(jī)之間采用串行數(shù)據(jù)傳送，對(duì)DS18B20 進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序。 2、光照度檢測(cè)電路利用光照度傳感器，將光強(qiáng)大小轉(zhuǎn)換為電壓大小，經(jīng)過一電壓比較器交給單片機(jī)I/O 口，經(jīng)過計(jì)算，輸出相應(yīng)的結(jié)果。教室里平行于窗口的方向有幾列電燈就設(shè)置幾個(gè)光照傳感器，每個(gè)控制一整列，由于靠近窗口的光線好，遠(yuǎn)離窗口的光線暗，這樣就能使得遠(yuǎn)離窗口的燈在合適的時(shí)候點(diǎn)亮，而靠近窗口地方如果光線夠強(qiáng)，就不會(huì)打開，達(dá)到節(jié)約能源目的。光照度模塊電路 3、熱釋電紅外探測(cè)器眾所周知,人體都有恒定的體溫,一般在37 左右會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)為10m 左右的紅外線,而被動(dòng)式紅外

9、探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的10m 左右的紅外線而進(jìn)行工作的。主要原理是:人體發(fā)射的10m 左右的紅外線通過菲涅爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上,感應(yīng)元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡,向外釋放電荷,經(jīng)后續(xù)電路檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生探測(cè)信號(hào)。在熱釋電紅外探測(cè)器中有兩個(gè)關(guān)鍵性的元件:一個(gè)是熱釋電紅外傳感器( PIR) , 它能將波長(zhǎng)為812m 之間的紅外信號(hào)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),并對(duì)自然界中的白光等干擾信號(hào)具有抑制作用;另一個(gè)是菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡有兩個(gè)作用:一是聚焦作用,即將熱釋紅外信號(hào)折射在PIR 上;二是將探測(cè)區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū),使進(jìn)入探測(cè)區(qū)的移動(dòng)物體(人) 能以溫度變化的

10、形式在PIR 上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號(hào)。紅外探測(cè)模塊電路這里我們用的是一種可探測(cè)靜止人體的紅外熱釋感應(yīng)器，由透鏡，感光元件，感光電路，機(jī)械部分和機(jī)械控制部分組成。通過機(jī)械控制部分，帶動(dòng)紅外感應(yīng)部分做微小的左右或圓周運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)位置，使感應(yīng)器和人體之間能形成相對(duì)的移動(dòng)。所以無(wú)論人體是移動(dòng)還是靜止，感光元件都可產(chǎn)生極化壓差，感光電路發(fā)出有人的識(shí)別信號(hào)，達(dá)到探測(cè)靜止人體的目的。此紅外熱釋感應(yīng)器可應(yīng)用于人體感應(yīng)控制方面，并實(shí)現(xiàn)紅外防盜和紅外控制一體化，擴(kuò)大了人體紅外熱釋感應(yīng)器的應(yīng)用范圍。 菲涅爾透鏡熱釋電紅外傳感器信號(hào)處理電路檢測(cè)對(duì)象象 熱釋電檢測(cè)電路組成框圖 菲涅爾透鏡原理4、報(bào)警電路可采用一般的語(yǔ)音

11、芯片，如美國(guó)ISD 公司出品的ISD1420。該芯片支持語(yǔ)音的錄放，結(jié)合簡(jiǎn)單的控制引腳既可實(shí)現(xiàn)報(bào)警輸出。5、溫度檢測(cè)模塊，主要是起輔助作用，夏天時(shí)，如果室溫達(dá)到跟人體溫度相近，可能會(huì)引起熱紅外探測(cè)器的誤判，加入溫度反饋模塊可以降低誤判率。DS18B20的測(cè)溫原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)6、日光燈驅(qū)動(dòng)可用一般繼電器，單片機(jī)I/O控制繼電器通斷，進(jìn)而控制日光燈的開關(guān)。六、 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，本系統(tǒng)可在keil 環(huán)境下采用c 語(yǔ)言模塊化設(shè)計(jì)，易于維護(hù)和功能擴(kuò)充。主程序流程如圖。 圖2 系統(tǒng)主程序流程圖七、 功能展望本系統(tǒng)還未充分發(fā)揮主控芯片的全部性能，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要做進(jìn)一步的擴(kuò)充。如加上無(wú)線

12、通信模塊實(shí)現(xiàn)用上位機(jī)控制多個(gè)教室的信息采集，從而實(shí)現(xiàn)一幢教學(xué)樓的控制；再如可加上學(xué)生身份信息識(shí)別系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生上課，上自習(xí)的考勤；可加上視頻監(jiān)控，組成一個(gè)更大更完善的系統(tǒng)等。本文只對(duì)教室節(jié)能控制系統(tǒng)做了介紹，而實(shí)際上，智能系統(tǒng)有很廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。如溫室智能控制系統(tǒng)，智能家居系統(tǒng)，汽車智能輔助駕駛系統(tǒng)等?？萍及l(fā)展日新月異，智能系統(tǒng)將因其高效節(jié)能、方便易用，將逐步走進(jìn)我們的生活。八、結(jié)束語(yǔ)該控制系統(tǒng)在保證了教室照度要求的前提下,利用人體信息與光照信息實(shí)現(xiàn)了對(duì)教室照明燈具的自動(dòng)控制,減少了電能的浪費(fèi),提高了資源利用率。采用計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控,系統(tǒng)性能穩(wěn)定,大大降低了管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,達(dá)到了節(jié)

13、能的目的。九、個(gè)人體會(huì)通過課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多。課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，單片機(jī)已經(jīng)成為當(dāng)今計(jì)算機(jī)應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域， 在生活中可以說得是無(wú)處不在。因此作為二十一世紀(jì)的大學(xué)來(lái)說掌握單片機(jī)的開發(fā)技術(shù)是十分重要的?；厥状舜握n程設(shè)計(jì)，我感慨頗多，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，在這些日子里，有苦有樂，但是學(xué)到了很多很多的的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，難免會(huì)遇到過各種各樣的問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過