2018分析教室灯光风扇节能型控制器的设计

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　　【摘 要】本设计采用了单片机应用于教室灯光和风扇的控制，同时运用了单片机控制技术、无级调速技术、温度传感技术等多种技术，真正实现了智能控制。智能电风扇的控制核心为单片机，它既可以提高电风扇的性能，也更容易操控。通过单片机系统采集温度，实现电风扇的自动调速，控制方便、组态简单、灵活性大，能大幅提高被控温度的技术系数，增强对电风扇的智能化控制，有效减少教室照明电能的浪费。
　　【关键词】智能控制;电风扇;电灯;节能
　　学校教室开放式的管理模式很造成电灯常开，风扇长转等种种浪费现象。学校教室内的电灯电扇数量巨大且使用时间长，因此它们在整个学校的用电量中占据很大比例。教室内的节能控制只靠人工完成，效果很不理想。白动节能控制也有很多问题：如通过建设专用的控制网络，那么管理的建设和管理成本高;如用人体感应集成电路设计节能控制器，对运动少，静止多的学生检测准确度低，它原本是应用于运动之中的。针对以上问题，本文结合教室电灯风扇的特点，设计了智能电灯电风扇控制系统。采用单片机对电风扇机型定时控制，能白由控制风扇的工作时间。用单片机系统采集温度，可实现自动调速，并且产生了新的开灯操作步骤，可延时控制信号检测时间，控制方便、简单灵活、功能强大，而且不需改变原有的墙内线路，节约安装成本，减少人工劳动，对电灯和风扇真正实现智能化节能控制。
　　一、系统的总体结构
　　此电风扇智能控制器由MCU，键盘输入和LCD显示，电灯驱动，电机控制与驱动，蜂鸣器报警，环境温度检测及自动调速等部分组成：
　　1.MCU，它是整个控制系统的核心，使用的是ARM公司的32位内核单片机。
　　2.键盘输入和LCD显示的功能主要是实现人机信息交互的接口部分。
　　3.通过检测环境温度来调节风速大小，实现环境温度检测及风速的自动调控，智能化控制电风扇。
　　4.扇的功能输出由电灯、电机控制与驱风完成，电灯和风扇的开关、定时由单片机控制。
　　二、主要模块电路
　　(一)温度检测电路
　　温度传感器使用的是DS18820数字温度传感器，DS18820数字温度传感器芯片反映器件的温度值是通过9位数字量的形式来实现的。它通过一个单线接口发送信息或接受信息，因此一条连接线(加上地线)即可连接中央微处理器和该数字温度传感器，线路连接十分方便。数据线本身可以满足用语读写和温度转换所需要的电源，外部电源完全是多余的。它可以直接将模拟温度信号转化为数字信号，让电路更加简单易控，有效提高了电路的运行质量。
　　(二)调速方式
　　单片机采用PWM脉冲调制方式控制小型直流电机来控制速度。PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM的应用范围很广，由它控制的调整系统接通和断开电源都有固定频率，时间的长短可随意控制。电动机的转速有一定的规律，改变直流电机电枢上电压的占空比可改变平均压的大小。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加;反之，速度减少。设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=tl/T，则电机的平均速度为：Vd=Vmax*D。Vd是电机的平均速度;Vmax--电机全通电时的最大速度;D=tl/T--占空比。
　　从公式可看出，改变占空比直接影响着电机平均速度，但实际上两者并不是严格的线性关系，只是近似而己。
　　显示电路采用LCD12832液晶屏，单片机控制LCD12832中文液晶显示器以及多参数键盘输入编程方法，有很多优点，低价实用、简单灵活、功能强大、修改方便，在冬眠模式下还可以省电。
　　(三)电灯控制
　　电灯控制的基本流程：
　　1.开灯：开灯操作方式发生了变化，必须在3秒内按两次开关才能点亮灯具。假如断电时忘记关灯也不会浪费电能。
　　2.关灯提示：在关灯前有一分钟的提示音，频率为3千赫兹，音量有足够的强度。
　　3.延时信号检测：在提示音的间隙中检测延时信号，如果有人在教室学习，则自动延时2小时;如果没有，则执行关灯命令，关灯后不再检测音频信号。
　　(四)继电器控制电路
　　微控制器Pin0和Pinl口引脚的控制信号送入Ql和Q2的基极，经Q1.Q2驱动后控制继电器工作。当控制器完成初始化后，Pin0和Pinl输出为低电平，此时Ql和Q2截止，继电器断开，灯不亮;当第二次开关合上时，微控制器被送入中断信号，启动中断程序而开灯，Pin0和Pinl输出高电平，01和Q2饱和导通，两组继电器吸合，灯亮。
　　三、系统软件设计
　　(一)软件子模块设计
　　本部分功能主要有以下几个方而：
　　1键盘操作模块：键盘设计为4X4小键盘，按键功能分配。
　　(1)按键功能介绍
　　当电风扇工作在温控模式下时，只能使用定时功能按键，其他按键功能均失效;
　　当电风扇工作在非温控模式时，全开被按下，则电风扇均打开，且风速为5级;全开未被按下，1开或2开被按下时，相应的风扇打开，且风速为5级;当电风扇工作在初始状态时，级风速为5级，若想设定风速等级，按一次加按键，预设级加1，按一次减按键，预设等级减1，按下输入OK键则电风扇按预设等级工作，若未按下输入OK键，则输入无效。风速等级大小为1-10级。
　　当定时开关被按下时，电风扇以定时模式开始工作，定时时间为30分钟，此时每多按下一次键，定时时间增加30分钟，最大定时时间为6小时。
　　当响起关灯提示音时，按下电灯延时按钮，可延时2小时关灯。
　　(2)键盘程序的一般编写方法
　　键盘上的按键按照一定规律组合排列而成。按键过程中会产生抖动，这必须消除。键盘是由若干按键构成的，如何判断使用者的按键呢?这就要通过判键得到键值。MCU知道了是哪一个按键按下了之后是不是就该退出呢?如果这时退出，而按键还没有松开，则MCU又知道了有按键按下，又去消除抖动，再判断是哪个按键按下，如果还没有松开，则又被认为有按键按下，本来按了一次按键，而系统则认为你按了很多次按键。所以得到键值之后，还有一件事情就是等待按下按键的松开(注意一点：如果系统中使用了看门狗，则在这里请不断地清空看门狗，因为如果使用者一直很长时间按着键，则看门狗超时、系统复位)。综上，一般的键盘程序有二个步骤：
　　A消除按键抖动(如果使用硬件，则可略);
　　B判断是哪个按键按下，识别键码;
　　C等待按键松开。
　　(二)电机调速模块
　　电机的转速由PWM调制方式控制。单片机的定时器能产生不同频率的PWM波，操作时只需设置定时器的寄存器就可以了。具体设置如下：
　　1.时钟源作为定时器A的时钟，不分频;
　　2.使能GPIO口，使能PWM外设;
　　3.选择增计数工作模式;
　　4.输出模式选择;
　　5.设置CCRx。在PWM复位/置位模式工作方式下，TAR值等于CCRx时输出复位，TAR值等于CCRO时置位。定时器模式为增计数模式，CCRO的值决定了PWM的输出周期，CCRx与CCRO的比值决定PWM的占空比。
　　四、总结
　　本文设计了以单片机为主控核心的智能化节能控制器，主要目的是应对高校教室电灯以及风扇造成的电资源浪费现象。电风扇可以通过检测室温产生对应PWM波来改变转速，也可以通过移相脉冲改变相角和导通角以及输出电路的电压，来控制电扇的电机转动;电灯的开灯操作步骤发生变化以及增加了定时关灯功能，更有利于对电灯节能的控制，也有利于改变目前学校教室严重的电能浪费现象，对建设绿色校园，建设节约型社会具有重要意义。