一種智能教室用電管控系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型設(shè)及一種用電管控系統(tǒng)，特別設(shè)及一種智能教室用電管控系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，多媒體技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，其不但節(jié)約了教師上課書寫板 書的時間，還能夠展示更豐富更形象的教學(xué)資源?？萍紡膩矶际前央p刃劍，在帶來便利的同 時，多媒體教室使用過程中大都存在W下兩個方面問題。
[0003] 首先，在進行多媒體教學(xué)時，為了增加投影效果，教室一般會盡可能的減弱環(huán)境光 線。但是運樣做會使學(xué)生容易困乏，反而影響教學(xué)效果。其實目前投影的亮度已經(jīng)大有改 進，正確的做法應(yīng)該是分區(qū)域?qū)⒐饩€調(diào)整到合適的程度，但是教師在授課過程中手動的進 行環(huán)境光線調(diào)整，一方面會或多或少的打亂教學(xué)秩序，另一方面，將光線調(diào)整合適也是較難 實現(xiàn)的。
[0004] 其次，容易造成電力資源浪費。教室的用電設(shè)備中，燈具是最容易造成電力資源浪 費的部分，燈具一般在教室中主要起照明（無自然光時）和補光（自然光線不足時）兩個作 用，目前教室或多媒體教室使用的燈具大多為巧光燈，并且是均勻分布的，而自然光在教室 中是非均勻分布的，從經(jīng)驗上來說，目前學(xué)校在教室使用安排上很難做到學(xué)生人數(shù)與教室 大小的嚴格匹配，加之在教學(xué)過程中經(jīng)常會有一些互動，產(chǎn)生人員的流動，因此，通常在上 課過程中，教室內(nèi)的人員也是非均勻分布的，由此目前的照明方式必然會產(chǎn)生部分過度照 明，同時也時常會出現(xiàn)在使用完投影后忘記拉開窗簾而使用燈具照明，W及教室使用結(jié)束 時忘記關(guān)閉其用電設(shè)備的情況。
[0005] 教育質(zhì)量直接影響到國家未來的發(fā)展，節(jié)能減排則關(guān)乎不僅僅是國家而是整個人 類的未來。因此通過微控制器技術(shù)結(jié)合適當(dāng)?shù)膫鞲衅髟O(shè)計一款能夠根據(jù)投影使用情況W及 人員分布情況智能調(diào)整教室光線的系統(tǒng)是十分必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題與不足，本實用新型的目的在于提供一種智能教 室用電管控系統(tǒng)，該用電管控系統(tǒng)WLED燈作為光源，方便PWM控制，進一步降低了能量損 耗;通過控制窗簾的開閉，充分使用了自然光源，并且能夠利用人體感應(yīng)傳感器檢測教室人 數(shù)的多少，自動調(diào)節(jié)不同區(qū)域燈光的亮度，實現(xiàn)了多媒體教室光線的自動調(diào)整，減少對教學(xué) 過程的干擾，提高了教學(xué)效率;測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活、性能可 靠，具有一定的應(yīng)用價值。
[0007] 實現(xiàn)上述實用新型目的的技術(shù)方案是一種智能教室用電管控系統(tǒng)，由電源模塊、 教室總電源、L邸控制模塊、顯示模塊、電機驅(qū)動模塊、多媒體控制模塊、光強捕獲模塊、按鍵 模塊、人體感應(yīng)模塊和控制器組成，所述的電源模塊、教室總電源、L邸控制模塊、顯示模塊、 電機驅(qū)動模塊、多媒體控制模塊、光強捕獲模塊、按鍵模塊、人體感應(yīng)模塊均與控制器連接。
[0008] 本實用新型智能教室用電管控系統(tǒng)的工作原理:該系統(tǒng)定時循環(huán)的采集每個區(qū)域 的光照強度傳感器W及人體感應(yīng)傳感器信息，當(dāng)檢測到教室內(nèi)沒有人時則斷開教室總電源 達到節(jié)電的目的，因此該系統(tǒng)的主控W及各傳感器部分需要通過教室外部獨立供電；當(dāng)檢 測到教室內(nèi)有人時，會打開教室總電源并根據(jù)投影儀使用情況結(jié)合各傳感器信息采用不同 的控制策略。若投影關(guān)閉，系統(tǒng)會W最大獲取自然光線優(yōu)先，將窗簾開至最大，若此時室內(nèi) 光線仍達不到要求時則根據(jù)人員分布情況通過PWM信號調(diào)整對應(yīng)位置的Lm)燈亮度進行補 光；當(dāng)檢測到投影打開，系統(tǒng)會W使室內(nèi)各區(qū)域光線達到投影下的合適范圍為優(yōu)先，將窗簾 關(guān)閉并結(jié)合教室內(nèi)人員分布情況W及各區(qū)域所需光強，分區(qū)域?qū)邸燈亮度進行調(diào)整。
[0009] 本實用新型智能教室用電管控系統(tǒng)使用STC15W4K32S4單片機作為控制核屯、，智能 的根據(jù)投影儀的使用情況、教室內(nèi)人員存在W及分布情況W及教室內(nèi)不同區(qū)域的光線強 度，控制教室總電源通斷、電動窗簾開合各區(qū)域調(diào)整L邸燈亮度。在教室中實際測試表明，該 系統(tǒng)能夠達到所需的效果，能夠提升多媒體教學(xué)便利性和效果W及節(jié)約能源，具有一定的 使用價值。
[0010] 測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活、性能可靠，便于推廣應(yīng)用。
【附圖說明】

[0011] 圖1為智能教室用電管控系統(tǒng)的方框圖；
[0012] 圖2為書教室中設(shè)備布局境況圖；
[0013] 圖3為智能教室用電管控系統(tǒng)的控制器主電路圖；
[0014] 圖4為智能教室用電管控系統(tǒng)的L邸燈控制模塊電路圖；
[0015] 圖5為智能教室用電管控系統(tǒng)的定時器0中斷服務(wù)程序流程圖；
[0016] 圖6為智能教室用電管控系統(tǒng)的L邸燈光調(diào)整子程序流程圖。
【具體實施方式】
[0017] W下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的具體實施例對本實用新型的做進一步的詳細說明。
[0018] 圖1為智能教室用電管控系統(tǒng)的方框圖，由電源模塊、教室總電源、L抓控制模塊、 顯示模塊、電機驅(qū)動模塊、多媒體控制模塊、光強捕獲模塊、按鍵模塊、人體感應(yīng)模塊和控制 器組成，所述的電源模塊、教室總電源、Lm)控制模塊、顯示模塊、電機驅(qū)動模塊、多媒體控制 模塊、光強捕獲模塊、按鍵模塊、人體感應(yīng)模塊均與控制器連接。
[0019] 1系統(tǒng)整體設(shè)計
[0020] 系統(tǒng)主要適用于大部分WL邸燈作為照明燈具，有多媒體設(shè)備，并且安裝了電動窗 簾的教室或?qū)嵱?xùn)室，其采用STC15W4K32S4忍片作為控制器核屯、，主要完成教室內(nèi)部環(huán)境光 線強度檢測、教室內(nèi)人員分布情況的判定、窗簾控制、L邸燈控制、教室電源總開關(guān)控制等工 作。
[0021] 系統(tǒng)中設(shè)及到的傳感器W及Lm)光源布局情況如圖2所示，該布局中將整個教室劃 分為6個區(qū)域，每個區(qū)域均由L邸光源、光強捕獲傳感器W及人體感應(yīng)傳感器=部分組成。如 此劃分一方面取決于人體感應(yīng)傳感器的感應(yīng)范圍（配上透鏡后一般感應(yīng)距離在可W達到 7m，感應(yīng)角度最多100度），另一方面是STC15W4K32S4忍片增設(shè)了 6通道且相互獨立的高精度 PWM模塊，利用其可避免W往采用定時器實現(xiàn)PWM信號時需要頻繁進入中斷的情況。由于每 個區(qū)域的控制方都相同，因此該系統(tǒng)可W通過插拔接線的方式直接應(yīng)用于6個W內(nèi)區(qū)域的 所有情況，對于大于6個區(qū)域的情況由于要使用到定時器或者PCA模塊來產(chǎn)生PWM信號，因此 不能直接使用，需要對程序進行調(diào)整，并且該主控忍片的A/D轉(zhuǎn)換器只有8個輸入通道，而光 強捕獲需要進行A/D轉(zhuǎn)換，因此該系統(tǒng)不適用于所需區(qū)域超過8個的超大型教室。
[0022] 該系統(tǒng)定時循環(huán)的采集每個區(qū)域的光照強度傳感器W及人體感應(yīng)傳感器信息，當(dāng) 檢測到教室內(nèi)沒有人時則斷開教室總電源達到節(jié)電的目的，因此該系統(tǒng)的主控W及各傳感 器部分需要通過教室外部獨立供電；當(dāng)檢測到教室內(nèi)有人時，會打開教室總電源并根據(jù)投 影儀使用情況結(jié)合各傳感器信息采用不同的控制策略。若投影關(guān)閉，系統(tǒng)會W最大獲取自 然光線優(yōu)先，將窗簾開至最大，若此時室內(nèi)光線仍達不到要求時則根據(jù)人員分布情況通過 PWM信號調(diào)整對應(yīng)位置的LED燈亮度進行補光；當(dāng)檢測到投影打開，系統(tǒng)會W使室內(nèi)各區(qū)域 光線達到投影下的合適范圍為優(yōu)先，將窗簾關(guān)閉并結(jié)合教室內(nèi)人員分布情況W及各區(qū)域所 需光強，分區(qū)域?qū)邸燈亮度進行調(diào)整。
[0023] 2系統(tǒng)硬件設(shè)計
[0024] 2.1控制器主電路
[00巧]控制器主電路如圖3所示，主要包括主控忍片STC15W4K32S4最小系統(tǒng)、按鍵輸入模 塊W及教室總電源控制模塊組成。
[00%] STCl抓4K32S4是宏晶科技最新推出的基于增強型51內(nèi)核的新一代單片機，相對傳 統(tǒng)單片機來說，其采用單時鐘/機器周期技術(shù)，總體運行速度同頻下提高了8倍W上；內(nèi)部自 帶高精度R/C，可W省去外部晶振部分電路;具有更加豐富的外設(shè)。在其新增的外設(shè)中，8通 道10位精度的A/D轉(zhuǎn)換器W及6通道并且相互獨立的PWM模塊非常適用與本系統(tǒng)，分別用來 采集光線強度信息W及控制LED燈的亮度。該型號單片機A/D的8個輸入通道默認在Pl 口， PWM模塊的6個輸出通道的IO 口可W有兩組選擇，默認情況下在P3.1、P2.1-P2.3、P1.6-P1.7，其中P1.6與P1.7與A/D通道重合，并且系統(tǒng)運行過程中P歷信號需要持續(xù)輸出，不能采 用分時復(fù)用的方式，為了方便日后擴展模擬型傳感器，所W在本設(shè)計中選擇使用第二組，也 就是口2.7、口4.2、口4.4、口4.5、口0.6、口0.7，設(shè)計時，^上端口不能被占用，直接用排針引出，方 便連接光強捕獲模塊W及L邸燈控制模塊。
[0027]人體感應(yīng)傳感器輸出的是開關(guān)信號，在本設(shè)計中使用PO 口剩余的6個引腳讀取該 信號，為了提高信號穩(wěn)定，在該部分腳上加上拉電阻。多媒體控制總開關(guān)信號通過外部中斷 〇(P3.2)引腳獲取。教室中用電設(shè)備較多，總線上的電流會比較大，若直接用5V控制的繼電 器進行總電源開關(guān)控制很難達到實際要求，因此本系統(tǒng)中使用歐姆龍固態(tài)繼電器G3MB-202P將5V控制信號轉(zhuǎn)換為220V控制信號，W控制中間大功率繼電器來達到此目的。光強捕 捉模塊及窗簾控制模塊另文描述，此處不再說明。
[002引 2.2L邸燈控制模塊
[0029] L抓燈控制模塊電路的核屯、部分為PT4115忍片，該忍片只需要很少的外圍電路元 件，具有8~30V的寬電壓輸入，同時能夠提供最大1.2A的輸出電流，電流精度高，具有97% 的效率，最值得一提的是有?？诘囊_(DIM)用于輸入PWM信號，可W很方便的實現(xiàn)亮度調(diào) 整，電路如圖4所示。
[0030] 一個3W的白光L抓燈珠的工作電壓為3.4~3.8V，工作電流最大750mA，而PT4115為 降壓型忍片，根據(jù)其最高30V的輸入電壓，該電路單路最多可W驅(qū)動7個3W的L抓串聯(lián)，由此 最多可驅(qū)動功率數(shù)共計2IW的LED燈。根據(jù)能效關(guān)系，IW的LED相當(dāng)于15W的白識燈，也就是 說，該電路最多可W實現(xiàn)315W白識燈的照明能力，運對于教室來說已經(jīng)完全足夠了。在本系 統(tǒng)中將教室分成6個區(qū)域，每個燈只負責(zé)一個區(qū)域，因此每個驅(qū)動模塊只需驅(qū)動一路6個3W 的LED串聯(lián)即可(優(yōu)于40W巧光燈照明能力），此時PT4115的輸入電壓應(yīng)在25~30V范圍內(nèi)，因 此圖5中的變壓器選擇功率30W、輸出電壓20V的環(huán)形變壓器比較適合。需要注意，電路中的 Rl由公式(1)計算得出，應(yīng)根據(jù)實際路數(shù)調(diào)整該電阻值。
[0031]
[0032] (1)。
[0033] 該忍片DIM端輸入的PWM信號周期會直接影響Lm)的發(fā)光效果，周期過低會出現(xiàn)閃 爍，周期過高將無法調(diào)整到最低亮度，結(jié)合數(shù)據(jù)手冊通過實際測試發(fā)現(xiàn)，周期在20US左右時 比較合適，該周期如果用定時器模擬實現(xiàn)的話，硬件開銷太大，因此主控必須選擇具有獨立 并且位數(shù)在14位W上的PWM模塊的單片機型號。
[0034] 3系統(tǒng)軟件設(shè)計
[0035] 在系統(tǒng)軟件部分可分為系統(tǒng)主程序、定時器0中斷服務(wù)子程序、外部中斷0服務(wù)子 程序、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置子程序、按鍵掃描子程序、液晶顯示子程序W及Lm)燈光調(diào)整子程序等 部分。其中主程序部分在完成初始化工作后只進行按鍵掃描W及更新液晶顯示；系統(tǒng)參數(shù) 設(shè)置子程序在主程序檢測到設(shè)置鍵按下時被調(diào)用，其通過按鍵修改投影打開標志變量 口1'〇^'6(：1:〇1'_〇]1^及所需光強值范圍數(shù)組1;[曲1:_啡_0]1[6]、1;[曲1:_(10￥]1_〇]1[6](分別對應(yīng)投 影開時6個區(qū)域所需光強上下限，投影下不同區(qū)域要求光線強度不同）W及11曲*_(1〇*11_〇'' (投影關(guān)閉時所需的最小光強值，非投影下只需要統(tǒng)一的下限）；液晶顯示子程序負責(zé)在 LCD12864將系統(tǒng)信息實時顯示出來;外部中斷0服務(wù)子程序?qū)rojector_on變量進行翻轉(zhuǎn)。 下面主要介紹定時器0中斷服務(wù)子程序W及L邸燈光調(diào)整子程序。
[0036] 3.1定時器0中斷服務(wù)子程序
[0037] 該子程序通過定時器產(chǎn)生一個固定節(jié)拍的中斷，在中斷服務(wù)程序中完成W上操 作，當(dāng)進入到系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置子程序時會先關(guān)閉該中斷，待退出時再打開中斷，所有傳感器取 值、區(qū)域環(huán)境情況判定、窗簾控制、L抓燈光調(diào)整等操作均通過該子程序定時完成，也就是。 該節(jié)拍時長主要通過所需處理內(nèi)容的復(fù)雜程度來確定。在系統(tǒng)時鐘配置為12MHz時若將定 時器0其設(shè)置為12T方式計數(shù)，16位自動重裝模式(在STC15系列單片機中通過新加 RL_TLxW 及RL_T化兩個隱藏寄存器使其定時器的工作方式0變?yōu)?6位自動重載模式），則節(jié)拍時長可 在0~65ms之間選擇，在本系統(tǒng)中選擇50ms作為節(jié)拍時長。運里要注意該中斷應(yīng)允許被外部 中斷打斷，所W要進行中斷優(yōu)先級分組設(shè)置，流程如圖5所示。
[0038] 針對定時器0的初始化代碼如下：
[00391
[0<
[0041 ] 3.2L邸燈光調(diào)整子程序
[0042] 該子程序中的上限n和下限n分別對應(yīng)投影儀使用時所需光線強度上下限值數(shù)組 light_up_on[n] W及1;[曲1:_(10￥]1_〇]1[]1]，設(shè)定上下限的目的是為了提供一個范圍，光強度 值一般是少范圍變化的，如果使用一個標定的界限值，則程序會在運個值上下來回調(diào)整，從 而造成L邸燈頻繁閃爍，使用數(shù)組是為了實現(xiàn)不同區(qū)域可W采用不同的光線強度，比如靠近 投影的區(qū)域需要暗一些，而后排則可W亮一些;其中的下限對應(yīng)關(guān)閉投影時所需光線強度 的下限11曲*_(1〇*11_0''，在不使用投影時整個教室使用同一光線強度即可，其中的差值判 斷同樣是為了防止程序在調(diào)整燈光時因光強達不到某個設(shè)定值而引起的頻繁閃爍，具體流 程如圖6所示。
[0043] 4測試與應(yīng)用
[0044] 系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計完成后，進行電路制作、程序調(diào)試，最終完成樣機，然后進行測 試使用。本次測試受條件限制，在將教室分為4個區(qū)域的情況下進行測試，并且為了能夠測 試系統(tǒng)補光功能，?？谶x擇在陰天進行測試。在進行測試時，對主控板部分通過筆記本電腦 的USB接口單獨供電，將繼電器在配電箱里串接到教室總回路當(dāng)中，并且將投影開關(guān)輸出線 分接于單片機P3.2引腳，并進行共地連接，接著將教室劃分為4個區(qū)域，安裝相應(yīng)的L邸燈W 及其他外圍設(shè)備。
[0045] 第一步測試未使用投影時系統(tǒng)工作的情況。首先將人體感應(yīng)傳感器收集在一起， 方便模擬教室有人，W及教室空無一人的情況。當(dāng)測試人員遠離傳感器時，教室窗簾打開， 總電源關(guān)閉，所有L抓燈焰滅，LCD顯示相應(yīng)提示（其中Al~A4表示教室中從前至后、從左至 右對應(yīng)的區(qū)域，X%表示L邸燈的亮度，其后的字母顯示"N"表示該區(qū)域無人、顯示"Y"表示該 區(qū)域有人）；當(dāng)測試人員接近傳感器時，靠近窗戶區(qū)域的Lm)燈亮度明顯低于遠離窗戶區(qū)域 的LED燈，證明該系統(tǒng)可根據(jù)各區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有的光強自動調(diào)整負責(zé)該區(qū)域的Lm)燈亮度，W達 到光線均勻分布，避免過度照明的目的。其次將3個人體感應(yīng)傳感器收集在一起，每次均獨 立出一個放置，方便模擬教室中某個區(qū)域無人的情況。當(dāng)測試人員靠近3個傳感器并遠離獨 立的傳感器時，A3區(qū)域的Lm)燈焰滅，證明該系統(tǒng)能夠根據(jù)各區(qū)域內(nèi)的人員分布情況控制 L邸燈的亮滅，W達到避免無效照明的目的。
[0046] 第二步測試使用投影時系統(tǒng)的工作情況，此步驟首先在模擬教室有人的情況下進 行，因此測試過程與第一步稍有不同。在按下投影開關(guān)時，系統(tǒng)將關(guān)閉窗簾，并在LCD上顯示 相應(yīng)提示，當(dāng)系統(tǒng)檢測到投影儀打開時，會自動關(guān)閉窗簾，并且靠近投影的Al、A2區(qū)域中LED 燈亮度要比遠離投影的A3、A4區(qū)域中的Lm)亮度低，證明系統(tǒng)能夠在使用投影時自行配置各 區(qū)域亮度達到合理范圍；將人體感應(yīng)傳感器中的3個集中在一起，另一個單獨放置，當(dāng)測試 人員靠近3個傳感器并遠離獨立的傳感器時；測試人員原理所有人體感應(yīng)傳感器，即模擬教 室無人時，系統(tǒng)將關(guān)閉投影、打開窗簾并切斷總電源。
[0047] 通過W上測試，結(jié)果表明，該智能教室用電管控系統(tǒng)達到了設(shè)計要求，性能可靠、 控制簡單、穩(wěn)定性好，可適用于一般的多媒體教室。
【主權(quán)項】
1. 一種智能教室用電管控系統(tǒng)，由電源模塊、教室總電源、L E D控制模塊、顯示模塊、電 機驅(qū)動模塊、多媒體控制模塊、光強捕獲模塊、按鍵模塊、人體感應(yīng)模塊和控制器組成，所述 的電源模塊、教室總電源、LED控制模塊、顯示模塊、電機驅(qū)動模塊、多媒體控制模塊、光強捕 獲模塊、按鍵模塊、人體感應(yīng)模塊均與控制器連接。
【專利摘要】本實用新型公開了一種智能教室用電管控系統(tǒng)，由電源模塊、教室總電源、LED控制模塊、顯示模塊、電機驅(qū)動模塊、多媒體控制模塊、光強捕獲模塊、按鍵模塊、人體感應(yīng)模塊和控制器組成。該系使用STC15W4K32S4單片機作為控制核心，智能的根據(jù)投影儀的使用情況、教室內(nèi)人員存在以及分布情況以及教室內(nèi)不同區(qū)域的光線強度，控制教室總電源通斷、電動窗簾開合各區(qū)域調(diào)整LED燈亮度。在教室中實際測試表明，該系統(tǒng)能夠達到所需的效果，能夠提升多媒體教學(xué)便利性和效果以及節(jié)約能源，具有一定的使用價值。
【IPC分類】G05B19/042
【公開號】CN205384479
【申請?zhí)枴緾N201620074454
【發(fā)明人】胡啟迪, 熊剛
【申請人】胡啟迪, 熊剛
【公開日】2016年7月13日
【申請日】2016年1月19日