一种智能教室用电管控系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种用电管控系统，特别设及一种智能教室用电管控系统。
【背景技术】
[0002] 目前，多媒体技术在教学中的应用已经十分广泛，其不但节约了教师上课书写板 书的时间，还能够展示更丰富更形象的教学资源。科技从来都是把双刃剑，在带来便利的同 时，多媒体教室使用过程中大都存在W下两个方面问题。
[0003] 首先，在进行多媒体教学时，为了增加投影效果，教室一般会尽可能的减弱环境光 线。但是运样做会使学生容易困乏，反而影响教学效果。其实目前投影的亮度已经大有改 进，正确的做法应该是分区域将光线调整到合适的程度，但是教师在授课过程中手动的进 行环境光线调整，一方面会或多或少的打乱教学秩序，另一方面，将光线调整合适也是较难 实现的。
[0004] 其次，容易造成电力资源浪费。教室的用电设备中，灯具是最容易造成电力资源浪 费的部分，灯具一般在教室中主要起照明（无自然光时）和补光（自然光线不足时）两个作 用，目前教室或多媒体教室使用的灯具大多为巧光灯，并且是均匀分布的，而自然光在教室 中是非均匀分布的，从经验上来说，目前学校在教室使用安排上很难做到学生人数与教室 大小的严格匹配，加之在教学过程中经常会有一些互动，产生人员的流动，因此，通常在上 课过程中，教室内的人员也是非均匀分布的，由此目前的照明方式必然会产生部分过度照 明，同时也时常会出现在使用完投影后忘记拉开窗帘而使用灯具照明，W及教室使用结束 时忘记关闭其用电设备的情况。
[0005] 教育质量直接影响到国家未来的发展，节能减排则关乎不仅仅是国家而是整个人 类的未来。因此通过微控制器技术结合适当的传感器设计一款能够根据投影使用情况W及 人员分布情况智能调整教室光线的系统是十分必要的。
【发明内容】
[0006] 针对上述现有技术中存在的问题与不足，本实用新型的目的在于提供一种智能教 室用电管控系统，该用电管控系统WLED灯作为光源，方便PWM控制，进一步降低了能量损 耗;通过控制窗帘的开闭，充分使用了自然光源，并且能够利用人体感应传感器检测教室人 数的多少，自动调节不同区域灯光的亮度，实现了多媒体教室光线的自动调整，减少对教学 过程的干扰，提高了教学效率;测试结果表明，该系统的控制结构简单、控制灵活、性能可 靠，具有一定的应用价值。
[0007] 实现上述实用新型目的的技术方案是一种智能教室用电管控系统，由电源模块、 教室总电源、L邸控制模块、显示模块、电机驱动模块、多媒体控制模块、光强捕获模块、按键 模块、人体感应模块和控制器组成，所述的电源模块、教室总电源、L邸控制模块、显示模块、 电机驱动模块、多媒体控制模块、光强捕获模块、按键模块、人体感应模块均与控制器连接。
[0008] 本实用新型智能教室用电管控系统的工作原理:该系统定时循环的采集每个区域 的光照强度传感器W及人体感应传感器信息，当检测到教室内没有人时则断开教室总电源 达到节电的目的，因此该系统的主控W及各传感器部分需要通过教室外部独立供电；当检 测到教室内有人时，会打开教室总电源并根据投影仪使用情况结合各传感器信息采用不同 的控制策略。若投影关闭，系统会W最大获取自然光线优先，将窗帘开至最大，若此时室内 光线仍达不到要求时则根据人员分布情况通过PWM信号调整对应位置的Lm)灯亮度进行补 光；当检测到投影打开，系统会W使室内各区域光线达到投影下的合适范围为优先，将窗帘 关闭并结合教室内人员分布情况W及各区域所需光强，分区域对L邸灯亮度进行调整。
[0009] 本实用新型智能教室用电管控系统使用STC15W4K32S4单片机作为控制核屯、，智能 的根据投影仪的使用情况、教室内人员存在W及分布情况W及教室内不同区域的光线强 度，控制教室总电源通断、电动窗帘开合各区域调整L邸灯亮度。在教室中实际测试表明，该 系统能够达到所需的效果，能够提升多媒体教学便利性和效果W及节约能源，具有一定的 使用价值。
[0010] 测试结果表明，该系统的控制结构简单、控制灵活、性能可靠，便于推广应用。
【附图说明】
[0011] 图1为智能教室用电管控系统的方框图；
[0012] 图2为书教室中设备布局境况图；
[0013] 图3为智能教室用电管控系统的控制器主电路图；
[0014] 图4为智能教室用电管控系统的L邸灯控制模块电路图；
[0015] 图5为智能教室用电管控系统的定时器0中断服务程序流程图；
[0016] 图6为智能教室用电管控系统的L邸灯光调整子程序流程图。
【具体实施方式】
[0017] W下结合附图和发明人给出的具体实施例对本实用新型的做进一步的详细说明。
[0018] 图1为智能教室用电管控系统的方框图，由电源模块、教室总电源、L抓控制模块、 显示模块、电机驱动模块、多媒体控制模块、光强捕获模块、按键模块、人体感应模块和控制 器组成，所述的电源模块、教室总电源、Lm)控制模块、显示模块、电机驱动模块、多媒体控制 模块、光强捕获模块、按键模块、人体感应模块均与控制器连接。
[0019] 1系统整体设计
[0020] 系统主要适用于大部分WL邸灯作为照明灯具，有多媒体设备，并且安装了电动窗 帘的教室或实训室，其采用STC15W4K32S4忍片作为控制器核屯、，主要完成教室内部环境光 线强度检测、教室内人员分布情况的判定、窗帘控制、L邸灯控制、教室电源总开关控制等工 作。
[0021] 系统中设及到的传感器W及Lm)光源布局情况如图2所示，该布局中将整个教室划 分为6个区域，每个区域均由L邸光源、光强捕获传感器W及人体感应传感器=部分组成。如 此划分一方面取决于人体感应传感器的感应范围（配上透镜后一般感应距离在可W达到 7m，感应角度最多100度），另一方面是STC15W4K32S4忍片增设了 6通道且相互独立的高精度 PWM模块，利用其可避免W往采用定时器实现PWM信号时需要频繁进入中断的情况。由于每 个区域的控制方都相同，因此该系统可W通过插拔接线的方式直接应用于6个W内区域的 所有情况，对于大于6个区域的情况由于要使用到定时器或者PCA模块来产生PWM信号，因此 不能直接使用，需要对程序进行调整，并且该主控忍片的A/D转换器只有8个输入通道，而光 强捕获需要进行A/D转换，因此该系统不适用于所需区域超过8个的超大型教室。
[0022] 该系统定时循环的采集每个区域的光照强度传感器W及人体感应传感器信息，当 检测到教室内没有人时则断开教室总电源达到节电的目的，因此该系统的主控W及各传感 器部分需要通过教室外部独立供电；当检测到教室内有人时，会打开教室总电源并根据投 影仪使用情况结合各传感器信息采用不同的控制策略。若投影关闭，系统会W最大获取自 然光线优先，将窗帘开至最大，若此时室内光线仍达不到要求时则根据人员分布情况通过 PWM信号调整对应位置的LED灯亮度进行补光；当检测到投影打开，系统会W使室内各区域 光线达到投影下的合适范围为优先，将窗帘关闭并结合教室内人员分布情况W及各区域所 需光强，分区域对L邸灯亮度进行调整。
[0023] 2系统硬件设计
[0024] 2.1控制器主电路
[00巧]控制器主电路如图3所示，主要包括主控忍片STC15W4K32S4最小系统、按键输入模 块W及教室总电源控制模块组成。
[00%] STCl抓4K32S4是宏晶科技最新推出的基于增强型51内核的新一代单片机，相对传 统单片机来说，其采用单时钟/机器周期技术，总体运行速度同频下提高了8倍W上；内部自 带高精度R/C，可W省去外部晶振部分电路;具有更加丰富的外设。在其新增的外设中，8通 道10位精度的A/D转换器W及6通道并且相互独立的PWM模块非常适用与本系统，分别用来 采集光线强度信息W及控制LED灯的亮度。该型号单片机A/D的8个输入通道默认在Pl 口， PWM模块的6个输出通道的IO 口可W有两组选择，默认情况下在P3.1、P2.1-P2.3、P1.6-P1.7，其中P1.6与P1.7与A/D通道重合，并且系统运行过程中P歷信号需要持续输出，不能采 用分时复用的方式，为了方便日后扩展模拟型传感器，所W在本设计中选择使用第二组，也 就是口2.7、口4.2、口4.4、口4.5、口0.6、口0.7，设计时，^上端口不能被占用，直接用排针引出，方 便连接光强捕获模块W及L邸灯控制模块。
[0027]人体感应传感器输出的是开关信号，在本设计中使用PO 口剩余的6个引脚读取该 信号，为了提高信号稳定，在该部分脚上加上拉电阻。多媒体控制总开关信号通过外部中断 〇(P3.2)引脚获取。教室中用电设备较多，总线上的电流会比较大，若直接用5V控制的继电 器进行总电源开关控制很难达到实际要求，因此本系统中使用欧姆龙固态继电器G3MB-202P将5V控制信号转换为220V控制信号，W控制中间大功率继电器来达到此目的。光强捕 捉模块及窗帘控制模块另文描述，此处不再说明。
[002引 2.2L邸灯控制模块
[0029] L抓灯控制模块电路的核屯、部分为PT4115忍片，该忍片只需要很少的外围电路元 件，具有8~30V的宽电压输入，同时能够提供最大1.2A的输出电流，电流精度高，具有97% 的效率，最值得一提的是有专口的引脚(DIM)用于输入PWM信号，可W很方便的实现亮度调 整，电路如图4所示。
[0030] 一个3W的白光L抓灯珠的工作电压为3.4~3.8V，工作电流最大750mA，而PT4115为 降压型忍片，根据其最高30V的输入电压，该电路单路最多可W驱动7个3W的L抓串联，由此 最多可驱动功率数共计2IW的LED灯。根据能效关系，IW的LED相当于15W的白识灯，也就是 说，该电路最多可W实现315W白识灯的照明能力，运对于教室来说已经完全足够了。在本系 统中将教室分成6个区域，每个灯只负责一个区域，因此每个驱动模块只需驱动一路6个3W 的LED串联即可(优于40W巧光灯照明能力），此时PT4115的输入电压应在25~30V范围内，因 此图5中的变压器选择功率30W、输出电压20V的环形变压器比较适合。需要注意，电路中的 Rl由公式(1)计算得出，应根据实际路数调整该电阻值。
[0031]
[0032] (1)。
[0033] 该忍片DIM端输入的PWM信号周期会直接影响Lm)的发光效果，周期过低会出现闪 烁，周期过高将无法调整到最低亮度，结合数据手册通过实际测试发现，周期在20US左右时 比较合适，该周期如果用定时器模拟实现的话，硬件开销太大，因此主控必须选择具有独立 并且位数在14位W上的PWM模块的单片机型号。
[0034] 3系统软件设计
[0035] 在系统软件部分可分为系统主程序、定时器0中断服务子程序、外部中断0服务子 程序、系统参数设置子程序、按键扫描子程序、液晶显示子程序W及Lm)灯光调整子程序等 部分。其中主程序部分在完成初始化工作后只进行按键扫描W及更新液晶显示；系统参数 设置子程序在主程序检测到设置键按下时被调用，其通过按键修改投影打开标志变量 口1'〇^'6(：1:〇1'_〇]1^及所需光强值范围数组1;[曲1:_啡_0]1[6]、1;[曲1:_(10￥]1_〇]1[6](分别对应投 影开时6个区域所需光强上下限，投影下不同区域要求光线强度不同）W及11曲*_(1〇*11_〇'' (投影关闭时所需的最小光强值，非投影下只需要统一的下限）；液晶显示子程序负责在 LCD12864将系统信息实时显示出来;外部中断0服务子程序对projector_on变量进行翻转。 下面主要介绍定时器0中断服务子程序W及L邸灯光调整子程序。
[0036] 3.1定时器0中断服务子程序
[0037] 该子程序通过定时器产生一个固定节拍的中断，在中断服务程序中完成W上操 作，当进入到系统参数设置子程序时会先关闭该中断，待退出时再打开中断，所有传感器取 值、区域环境情况判定、窗帘控制、L抓灯光调整等操作均通过该子程序定时完成，也就是。 该节拍时长主要通过所需处理内容的复杂程度来确定。在系统时钟配置为12MHz时若将定 时器0其设置为12T方式计数，16位自动重装模式(在STC15系列单片机中通过新加 RL_TLxW 及RL_T化两个隐藏寄存器使其定时器的工作方式0变为16位自动重载模式），则节拍时长可 在0~65ms之间选择，在本系统中选择50ms作为节拍时长。运里要注意该中断应允许被外部 中断打断，所W要进行中断优先级分组设置，流程如图5所示。
[0038] 针对定时器0的初始化代码如下：
[00391
[0<
[0041 ] 3.2L邸灯光调整子程序
[0042] 该子程序中的上限n和下限n分别对应投影仪使用时所需光线强度上下限值数组 light_up_on[n] W及1;[曲1:_(10￥]1_〇]1[]1]，设定上下限的目的是为了提供一个范围，光强度 值一般是少范围变化的，如果使用一个标定的界限值，则程序会在运个值上下来回调整，从 而造成L邸灯频繁闪烁，使用数组是为了实现不同区域可W采用不同的光线强度，比如靠近 投影的区域需要暗一些，而后排则可W亮一些;其中的下限对应关闭投影时所需光线强度 的下限11曲*_(1〇*11_0''，在不使用投影时整个教室使用同一光线强度即可，其中的差值判 断同样是为了防止程序在调整灯光时因光强达不到某个设定值而引起的频繁闪烁，具体流 程如图6所示。
[0043] 4测试与应用
[0044] 系统硬件、软件设计完成后，进行电路制作、程序调试，最终完成样机，然后进行测 试使用。本次测试受条件限制，在将教室分为4个区域的情况下进行测试，并且为了能够测 试系统补光功能，专口选择在阴天进行测试。在进行测试时，对主控板部分通过笔记本电脑 的USB接口单独供电，将继电器在配电箱里串接到教室总回路当中，并且将投影开关输出线 分接于单片机P3.2引脚，并进行共地连接，接着将教室划分为4个区域，安装相应的L邸灯W 及其他外围设备。
[0045] 第一步测试未使用投影时系统工作的情况。首先将人体感应传感器收集在一起， 方便模拟教室有人，W及教室空无一人的情况。当测试人员远离传感器时，教室窗帘打开， 总电源关闭，所有L抓灯焰灭，LCD显示相应提示（其中Al~A4表示教室中从前至后、从左至 右对应的区域，X%表示L邸灯的亮度，其后的字母显示"N"表示该区域无人、显示"Y"表示该 区域有人）；当测试人员接近传感器时，靠近窗户区域的Lm)灯亮度明显低于远离窗户区域 的LED灯，证明该系统可根据各区域内现有的光强自动调整负责该区域的Lm)灯亮度，W达 到光线均匀分布，避免过度照明的目的。其次将3个人体感应传感器收集在一起，每次均独 立出一个放置，方便模拟教室中某个区域无人的情况。当测试人员靠近3个传感器并远离独 立的传感器时，A3区域的Lm)灯焰灭，证明该系统能够根据各区域内的人员分布情况控制 L邸灯的亮灭，W达到避免无效照明的目的。
[0046] 第二步测试使用投影时系统的工作情况，此步骤首先在模拟教室有人的情况下进 行，因此测试过程与第一步稍有不同。在按下投影开关时，系统将关闭窗帘，并在LCD上显示 相应提示，当系统检测到投影仪打开时，会自动关闭窗帘，并且靠近投影的Al、A2区域中LED 灯亮度要比远离投影的A3、A4区域中的Lm)亮度低，证明系统能够在使用投影时自行配置各 区域亮度达到合理范围；将人体感应传感器中的3个集中在一起，另一个单独放置，当测试 人员靠近3个传感器并远离独立的传感器时；测试人员原理所有人体感应传感器，即模拟教 室无人时，系统将关闭投影、打开窗帘并切断总电源。
[0047] 通过W上测试，结果表明，该智能教室用电管控系统达到了设计要求，性能可靠、 控制简单、稳定性好，可适用于一般的多媒体教室。
【主权项】
1. 一种智能教室用电管控系统，由电源模块、教室总电源、L E D控制模块、显示模块、电 机驱动模块、多媒体控制模块、光强捕获模块、按键模块、人体感应模块和控制器组成，所述 的电源模块、教室总电源、LED控制模块、显示模块、电机驱动模块、多媒体控制模块、光强捕 获模块、按键模块、人体感应模块均与控制器连接。
【专利摘要】本实用新型公开了一种智能教室用电管控系统，由电源模块、教室总电源、LED控制模块、显示模块、电机驱动模块、多媒体控制模块、光强捕获模块、按键模块、人体感应模块和控制器组成。该系使用STC15W4K32S4单片机作为控制核心，智能的根据投影仪的使用情况、教室内人员存在以及分布情况以及教室内不同区域的光线强度，控制教室总电源通断、电动窗帘开合各区域调整LED灯亮度。在教室中实际测试表明，该系统能够达到所需的效果，能够提升多媒体教学便利性和效果以及节约能源，具有一定的使用价值。
【IPC分类】G05B19/042
【公开号】CN205384479
【申请号】CN201620074454
【发明人】胡启迪, 熊刚
【申请人】胡启迪, 熊刚
【公开日】2016年7月13日
【申请日】2016年1月19日