教室节能系统设计毕业设计说明书

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）题目：教室节能系统设计
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教室节能系统设计
摘要
本设计主要是针对目前高校教学楼教室的电能资源浪费严重，教室资源利用不合理，用电设备控制和教学管理不足的现状，设计了基于单片机的智能教室控制系统，以达到高校教室用电设备的合理使用，节约电能以及改善教学管理的目的。

设计应用先进的电子技术、网络技术、自动控制技术以及实用的软件平台，成功地设计了一套功能完善的智能教室自动监测与控制系统。

由传感探测单元、通讯网络RS-232、控制单元构成了整个系统。

智能教室控制系统核心采用AT89S51采集数据，并由控制系统实现对教室光照度、自习学生人数、教室使用状态等的监控与显示，并对教室内部用电设备进行合理控制和管理，达到高校教学楼教室控制的智能化和节约化的目标。

本设计将单片机控制系统与网络技术结合起来，本系统各组成部分包括硬件和软件设计的结构、功能与实现方法。

最后通过RS-232方式实现与上位机通信实现数据的远程传输及上位机对教室照明状态的控制，完成一个智能教室监控系统。

关键词：智能控制；热释电效应；光照检测；AT89S51
Energy-efficient system design classroom
Abstract
The design is mainly targeted at the classroom floor, higher education and serious waste of energy resources, classroom unreasonable use of resources, the realization of electrical equipment control and inadequate management of the status of teaching, design of intelligent single-chip microcomputer-based control system for the classroom in order to achieve the realization of Colleges and Universities classroom equipment, the rational use of electricity, saving energy and improving teaching and learning management purposes.
In this paper, the application of advanced electronic technology, network technology, automatic control technology, and practical software platform, has successfully designed a fully functional smart classrooms automatic monitoring and control system. Detection sensor unit, communication network RS-232, the control unit "constitutes a whole system. Intelligent control system using AT89S51 classroom data collection and control system for the classroom classroom light, the number of students self-study, classroom use, such as the monitoring and display and electrical equipment within the classroom to carry out control and management to the classroom floor, college teaching of intelligent and economical control of the target.
The single-chip control system design and network technology combined with specific on the various components of the system including hardware and software design of the structure, function and implementation of methods. Finally, the way through the RS-232 communication with PC for data transmission and the remote host computer to control classroom lighting state, the completion of an intelligent classroom monitoring system.
Key words: Intelligent Control；Thermoelectric effect ；Light Detection；AT89S51
目录
摘要 (II)
Abstract (III)
第一章引言 (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 设计主要目的 (2)
1.3 设计研究内容 (2)
第二章系统总体方案 (4)
2.1 控制系统总体构成 (4)
2.2 系统实现功能 (5)
第三章教室控制单元的设计与通信 (7)
3.1 教室控制单元的核心器件选择 (8)
3.2 A/D转换器芯片—ADC0809 (10)
3.3 现场人机交互模块 (12)
3.4 RS-232串口通信 (14)
第四章教室检测单元数据采集与处理 (17)
4.1 光照信号采集与处理 (17)
4.1.1 光电检测器件选择 (17)
4.1.2 光敏电阻的工作原理 (18)
4.1.3 光敏电阻的基本特性 (19)
4.1.4 光照检测接口电路 (20)
4.2 红外数据采集与处理 (21)
4.2.1 热释电传感器检测原理 (21)
4.2.2 人体红外传感器电路 (23)
4.3 开关控制电路设计 (24)
4.3.1 继电器原理简介 (24)
4.3.2 继电器模块 (24)
4.3.3 电灯开关控制电路 (25)
第五章教室节能系统软件设计 (27)
5.1 光照度采样及模数转换子程序 (27)
5.2 显示子程序 (28)
5.3 串行通讯程序设计 (30)
5.4 主程序设计 (32)
第六章总结 (34)
参考文献 (34)
附录 (36)
附录A 程序 (36)
附录B 设计仿真电路图 (45)
附录C设计原理电路图 (46)
致谢 (47)
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第一章引言
1.1 课题背景
随着能源的日益紧张，以及燃烧煤炭等资源带来的社会和环境问题的日渐突出，党和国家对节能工作的重视程度不断提高，已经将其列入“十一五”工作重点，提出了“建设节约型社会”的号召。

教育部也积极响应，提出了“建设节约型高校”的口号，高校节能工作也在全国各地蓬勃开展起来。

高校作为培养高素质人才的摇篮，提倡节约的意义也就显得更加重大而深远。

教室作为高校教学的重要场所，一般采用开放式管理模式为主，学生学习基本上无固定的班级教室，无固定的座位；而楼层管理人员仅负责卫生或保卫工作。

因此，造成了白天长明灯，晚上无人也开灯，人少灯全开以及在夏天电风扇的无效运行的浪费现象在高校司空见惯。

从早晨开放到晚上清场，教室照明灯具一直处于开启的现象在不少高校中是普遍存在的。

虽然教室的用电设备负荷在整个学校用电负荷中所占的比重不算太大，但是由于它们的数量众多，使用时间最长，使得它们在整个学校用电量中所占的比重一直居高不下，从而带来电力资源的极大浪费。

然而，有相当一部分学校的有关部门，对此教室节能意义认识还是不到位，总认为教室就那么几盏40瓦的日光灯和风扇，不会造成多大浪费，节不节能无所谓。

他们可能会为水龙头没有拧紧，滴答水而心疼，会主动地去关闭。

但对用电设备浪费却熟视无睹，或者是视而不见。

这主要是电能不像流水一样能看得见，是一种无形的、无法用肉眼感知的东西，浪费了也觉察不出来。

但从整个学校来看的话，却是一个不小的数字，我们可以估算一下，以某校教学楼照明灯的使用为例:由于每个教学楼的教室大小不一，我们取中等教室为主，该教室总共有六盏日光灯，每个日光灯为40瓦，每层楼有30个教室，共有六层，则整个教学楼教室内照明灯具负荷共计约为60KW，再加上走廊照明，整个大学教学楼照明灯具负荷约为200KW，每天如果按长明灯2小时计算(这是保守的估计)，1天就浪费电能400千瓦时，以该地区电费0.55元/千瓦时计算，折合电费220元。

再以学生一年在校270天计算，一年将浪费电能10万多度，折合电费六万元左右。

以上估算还未包括线损和照明灯具长时间开启而损坏的部分。

从以上计算可以看
出，教室照明节能绝不是微不足道的，即使单从经济效益来看，完全也是大有可为的。

部分学校也意识到了教室照明中存在的巨大浪费，采取了各种各样的管理方式，企图来杜绝这种浪费。

如:费用包干制、任课教师负责制、组织勤工俭学学生或聘用专职人员进行专门管理，拉闸限电等等。

许多学校都采取过这些方法，但始终没能长久坚持下去，也就没有取得理想效果。

我们分析有如下原因：一、是从生理上来看，当外界光照强度超过灯具光照度时，人眼就很难察觉有灯存在；
二、是从心理上来看，教师和学生精力集中于教学和学习上，不可能分心来观察教室光照度的变化，也就不可能主动去关灯；三、教室管理人员很难了解各个楼层，各个朝向教室的实际情况，加上个人认知差异的影响，很难做出科学和准确的判断，由他们来负责开启和关闭灯具，不是关灯太早或开灯太晚造成学生看不清楚，就是关灯太晚或开灯太早而造成浪费。

其次，学生对教学楼教室的利用状况的未知往往造成有些教室人满为患，有些教室无人问津的状况。

从而由于管理不当而影响教学资源分配等种种问题。

1.2 设计主要目的
针对目前高校教学楼用电设备控制和教学管理不足的现状，以提高教室用电设备控制的自动化和教学管理的效率为目的，开发了一套功能较完善的基于总线的智能教室控制系统。

本系统应用先进的电子技术、网络技术、自动控制技术以及实用的软件平台。

整个系统采用三层硬件两级网络构成，即“教室检测控制单元、RS-232串行通讯线、楼层显示控制单元”。

智能教室控制系统采用的单片机实现对教室光照、自习学生人数等的数据采集，并由RS-232和上位机的通讯，实现教室使用状态监控与显示，并对教室内部用电设备进行合理控制和管理，达到高校教学楼教室控制的智能化和节约化的目标。

1.3 设计研究内容
本课题主要是针对目前高校教学楼教室的电能资源浪费严重，教室资源利用不合理，实现用电设备控制和教学管理不足的现状，开发了一套功能较完善的智能教室控制系统。

本次设计主要完成如下工作：
1. 构建一个由教室检测控制单元的布局和控制器的数据传输；控制器与上位机的通信。

形成计算机对单片机控制节点的集中管理和远程控制，有利于提高高校教学楼教室教学和管理的智能化、自动化和网络化。

2. 进行教室检测控制单元的软硬件设计工作，实现长距离通信。

即教室检测控制单元和上位机的传输，通过RS-232方式实现。

3. 完成教室检测控制单元数据采集模块电路的设计，包括光照、热释电的选择、配置及其在教室现场的最佳布置和与单片机接口电路的设计。

4. 完成教室检测控制单元外围电路的设计，人机交互模块包括：显示模块和按键模块。

本课题从提高高校教学楼管理和合理使用电能出发，应用先进的电子技术、通信技术、网络技术、自动控制技术以及实用的软件平台设计一套功能齐全的智能教室自动监测与控制系统。

要求该系统具有性能稳定，运行可靠，并且各项实验结果均要达到基本设计要求。

第二章系统总体方案
2.1 控制系统总体构成
教室节能系统采用单片机和上位机组成的系统对学校教室照明设备进行控制和管理，教室亮度的检测、教室学生人数的统计、教室室使用状态的监控。

整个系统由教室检测单元、控制单元、显示单元、通信单元组成。

单片机可以实现对教室内的教室检测控制元所采集到的信息的接收、处理，并且由LCD显示教室状态，从而可以很轻松的对教室用电设备开关状况、照强度、自习学生人数，教室使用状态等进行实时监控和统计。

对于通讯网络部分，教室信号通过RS-232串行方式与上位机通信。

检测控制单元：照强度采集是采用AD0809与单片机构建的数据采集网络，教室人数是用热释电传感器通过检测电路与单片机相连进行数据采集。

硬件电路是智能控制器的核心内容之一，它主要分为三部分内容：一是传感探测部分,二是微控制器部分，三是通讯网络部分。

下面具体阐述系统各级组成单元。

1.传感探测单元
热释电红外探测传感器组件，该组件由三个部分组成：热释电传感器，匹配低噪放大器，菲涅尔光学系统。

该组件本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小、隐蔽性好、价格低廉。

热释传感器包括：（1）截止波长为7至10μm 的滤光晶片，与人体辐射红外中心线波长9至10μm 相对应，起带通滤波器的作用，从而把人体和其它物体区分开。

（2）热释电陶瓷材料，将透过滤光晶片的红外辐射能量的变化转换成电信号，即热电转换。

（3）场效应管匹配器，起阻抗变换作用，使得输入阻抗高而输出阻抗低。

可见光探测组件，可见光探测组件由一些常用光敏器件和晶体管组成。

特别说明：这个组件必须置于本照明控制器控制照明的范围之外，用于探测自然光的有无及强弱（可根据需要进行调整），为控制器提供控制灯具亮、灭的依据。

2.微控制器单元
控制器单元主要对该教室检测控制单元进行集中操作管理、状态显示、通讯控制和维护该每间教室的用电对象，并协调各检测控制单元之间的数据传送，提高整个智能教室控制系统的可靠性。

3.通讯网络
通讯网络是保证整个智能教室控制系统远程控制正常运转的关键，所有的教室检测的数据和教室使用状态都连接在通讯网络的平台上，最终与计算机单元相连，实现远程的监控与显示。

本系统利用计算机的串行口和单片机的串行通讯的功能，采用RS-232向上位机完成信息传输实现教室控制单元显示和集中管理。

上位机通过RS-232串行通讯线来读取教室中的基本信息，同时每个教室控制单元中所采集的相关数据信息，并对所采集到的信息做基本显示的功能，例如显示教室状态(照明灯全开或全关)，以及控制电设备的开关状态。

2.2 系统实现功能
智能教室控制系统的设计的目的就是为了实现教室用电设备的合理使用，节约能源以及改善教学管理，提高教室使用效率。

在设计过程中，作者将整个系统分为了上述的三个部分，系统可以实现的功能则可以概括为以下几个方面：1．教室检测控制单元数据采集
系统的底层设备教室检测控制单元具有自动采集和命令采集两种模式。

自动定时采集就是教室检测控制单元可以根据内部时钟设置对教室进行循环采集数据，由控制器通过RS-232通讯信道将根据需要采集相应的数据信息传送到上位机，上位机再经RS-232通讯信道传送把命令传输到教室检测与控制单元。

2. 教室远程端控制功能
在远程控制中，往往都要使用远程控制软件。

而这样的软件一般分为两部分，一部分在本地主机上安装，使上位机成为控制端，另一部分在现场控制器上安装，使现场控制器为服务端，也就是被控制端。

通过网络，在计算机与控制器之间建立起一条数据交换的通道，从而使得控制端可以向服务端发送指令，操纵服务端完成特定的工作。

在此时，现场控制器负责发送指令和显示远程计算机执行程序的结果，而运行程序所需的系统资源均由上位机机负责。

系统采用了原有的教室内部用电设备控制系统，在此基础上的教室远程监控系统可以根据采集到的数据对教室实施相应的命令，使得教室的用电设备能够及时地开或关，实现节能目的。

3．数据与教室状态的显示
采用LCD显示与LED相比它有功耗低，抗干扰能力强，体积小，重量轻、超薄、显示信息量大和接口方便等优点。

另外LCD在大小和形状上更加灵活，接口简单，现在已被广泛应用于计算机和数字式仪表等领域，成为测量结果显示和人机对话的重要工具。

液晶显示器按其功能可分为三类：笔段式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。

前两种可显示数字、字符和符号等，而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形，达到图文并茂的效果，其应用越来越广泛。

这里使用LCD1602完成显示任务。

在这里显示任务包括整个智能教室控制系统各采样点数据：光照度、人数、照明灯的状态。

由于教室控制系统的设计了自动-手动按键，有特殊情况管理人员可不必去现场只需单击此按键即可从上位机界面直接进行调整，并随时能获知各个教室实际的总体情况。

第三章教室控制单元的设计与通信
教室检测控制单元是智能教室控制系统中重要的部分之一，一方面，教室检测控制单元具有对教室内数据的采集、处理、存储等功能，并响应楼层显示控制单元通讯查询的命令，另一方面，教室检测控制单元根据楼层显示控制单元和中央计算机单元的具体要求控制照明灯和风扇等用电设备。

教室检测控制单元硬件接口电路如图3.1所示，教室检测控制单元采用模块化设计，其主要部分为数据采集模块、继电器开关模块、现场人机交互模块、串口通讯模块、现场设备控制模块、电源模块等。

系统的电源采用专用芯片将220V交流电转换成+5V，从而给控制节点中的ADC0809及单片机和继电器供电。

教室检测控制单元组成框如图3.1所示。

图3.1智能教室控制系统整体组成框图
本系统中教室检测控制单元具体主要功能有：
(1) 教室检测控制单元实现对教室内光照强度、进入教室的学生人数的数据采集，通过数据的转换和处理，可送入到楼层显示控制单元和计算机单元。

(2) 教室检测控制单元中光照传感器将采集到的电压值和设定电压相比较从
而自动完成对教室内是否开启/关闭照明灯组的操作，实现系统中节约电能的目的。

(3) 通过手动控制教室检测控制单元中的按键可对教室内照明灯的现场开启/关闭操作。

(4) 教室检测控制单元中LCD显示教室内用电设备的开关状态。

(5) 通过RS-232总线完成单片机与上位机控制单元的通讯。

(6) 可接收计算机的命令并实现相应的控制信号的传输。

3.1 教室控制单元的核心器件选择
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(I n-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

它具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

1．主要特性：
• 8031 CPU与MCS-51 兼容
• 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)
• 全静态工作：0Hz--24KHz
• 三级程序存储器保密锁定
• 128*8位内部RAM
• 32条可编程I/O线
• 两个16位定时器/计数器
• 6个中断源
• 可编程串行通道
• 低功耗的闲置和掉电模式
• 片内振荡器和时钟电路
其管脚分布如图3.2所示。

图3.2 AT89S51引脚图
复位电路及复位引脚RST的连接
RST引脚对地电阻为40-220千欧姆，因此在RST引脚和电源VCC之间接一容量为10-22微法的电容后，即可构成最简单的RC复位电路。

如图3.3复位
电路所示。

图3.3复位电路
3.2 A/D转换器芯片—ADC0809
A/D0809是8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右。

ADC0809引脚图如图3.4所示。

图3.4ADC0809引脚图
ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

ADC0809的内部逻辑结构图如图3.5所示。

图3.5内部逻辑结构图
图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。

地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。

如表3.1通道选择表所示：
表 3.1通道选择表
A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。

数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。

为此可采用下述三种方式。

（1）定时传送方式
对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。

例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。

可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。

（2）查询方式
A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。

因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确定转换是否完成，并接着进行数据传送。

（3）中断方式
把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。

不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。

首先送出口地址，RD信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接收。

ADC0809应用说明：
（1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。

（2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。

（3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。

（4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。

（5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。

（6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单。