摘 要

本文主要针对在放假和上课两种不同教室使用情况下，通过环境感知、人体检测等手段对教室内照明系统、空调和电扇、投影仪、电脑等电器的节能策略上的和系统进行设计、仿真。在放假情况下，学校工作人员可以利用手动开关，开启或关闭教室内的所有电器和检测系统。在上课情况下，节能系统先通过AT89C51和热释电红外传感器判断是否有人，有人时，将允许开启投影仪和电脑，并进入光强和温度的判断控制进程。无人时，则所有电器不开启。这样可以根据教室的使用情况达到节能的目的。在光强判断进程中，根据教室的照明系统和调温电器的分布情况，教室将被划分为几个子区域。通过单片机和温度传感器、光强传感器结合，采集子区域的温度数据、光强数据，根据温度和光强是否在合适的范围内，判断是否开启调温电器和照明系统以及开启的功率大小。环境监测通过单片机和传感器实现，电器的控制部分通过继电器和单片机结合完成。

关键词：功能教室；节能；环境感知；人体检测

Abstract

This paper mainly focuses on the holiday and class two different classroom use, through the perception of the environment and human body measurement means for classroom lighting system, air conditioning and fan, projectors, computers and other electrical appliances energy-saving strategy and system design, simulation. In the case of a holiday, the school staff can use the manual switch, open or close the classroom of all electrical appliances and testing system. In class, the energy saving system first through the AT89C51 and pyroelectric infrared sensors to determine whether someone, someone, will allow to turn on the projector and the computer, and enter the light intensity and temperature control process to determine the control process. When no one, then all the electrical appliances do not open. This can be based on the use of the classroom to achieve the purpose of energy conservation. In the light of judgment in the process, according to the distribution of classroom lighting system and the temperature control electric appliance, the class will be divided into several sub regions. Through the microcontroller and temperature sensor, a light intensity sensor combined mining album regional temperature data, light intensity data, according to temperature and light intensity, whether within the scope of the right to determine whether to open the thermostat appliances and lighting systems and open the power size. Environmental monitoring through the MCU and sensor, the control part of the electrical equipment through the relay and complete.

Key Words：function classroom; energy saving; environment perception; human body detection.

目录

第一章 绪论 1

1.1公共教室节能策略及其系统设计的背景、意义 1

1.2国内外研究现状 1

第二章 方案论述 4

第三章 硬件设计 7

3.1光强传感器信号采集模块设计 10

3.11光强传感器模块GY-30介绍 10

3.12传感器信号采集模块设计 10

3.2光强传感器执行模块设计 11

3.3温度传感器信号采集模块设计 12

3.31温度传感器DS18B20介绍 12

3.32传感器信号采集模块设计 13

3.4温度传感器执行模块设计 13

3.5热释电传感器信号采集模块设计 15

3.51热释电红外传感器模块HC-SR501介绍 15

3.52传感器信号采集模块设计 15

3.6热释电红外传感器执行模块设计 16

3.7单片机信号处理模块设计 17

3.71 AT89C51单片机介绍 17

3.72单片机最小系统设计 17

3.8上位机和下位机通信模块设计 18

3.81 RS232通信介绍 18

3.82 RS232通信电路图 18

第四章 软件设计 20

4.1光强传感器单片机程序模块设计 20

4.2温度传感器单片机程序模块设计 22

4.3热释电传感器单片机程序模块设计 23

第五章 样机的初步搭建和仿真 25

5.1实物图片 25

5.2实验结果 26

5.3主要元器件清单 32

第六章结论 33

参考资料 34

致谢 35

附录

A.光强传感器单片机程序

B.温度传感器单片机程序

C.热释电红外传感器单片机程序

第一章 绪论

1.1公共教室节能策略及其系统设计的背景、意义

高校教室作为高校教学的重要场所，存在着长明灯、无人开灯、人少全开灯以及无人开空调，适宜温度下开空调、风扇等浪费现象。而且教室内电器较多，使用时间长，空调功率大，在整个学校用电量中浪费电量比重较大。长时间使用还会造成线损和电器老化。所以，教室节能具有重大的意义。

公共教室的照明灯和空调、风扇及投影仪是公共教室耗能较大的几种设备。教室内存在着许多能源浪费问题：学生放假期间，投影仪等各种电器仍然处于待机状态；不同时间，不同教室内的区域，光强不同，而照明系统仍然不分亮暗的开着；不同温度下，教室内的电扇和空调仍然开着，而且功率在较冷和较热时，都是相同的转速或功率等能源浪费的情况。所以，针对以上问题，应当设计一个能够针对以上问题的节能策略和系统，达到节约能源的目的。

大学教室的智能节能系统，不仅满足室内的照明要求和温度要求，还能在节能的前提下延长灯具和空调寿命、降低运行费用、简化配电控制设备、减少布线工作量。

1.2国内外研究现状

当前，国内公共学校教室的电器控制大多采用手动开关，不可避免地出现忘记关灯、关空调和投影仪等电器的情况，造成了大量的能源浪费。现今的自动控制系统已经发展到了智能化、网络化阶段,智能控制是控制理论发展中的高级阶段，可以用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。

目前，国内外有很多自动控制装置，在一定程度上达到了节能的目的。

在实际应用中，英国希斯罗国际机场T5候机楼是一个较为成功的案例。航站楼的住候机楼、两个卫星楼、公共通道、电梯前室等照明，都采用西门子instabus KNX/EIB系统实现孔明控制。该系统采用DALL数字调光急速，可实现照明强度的柔和调节。灯光照明可以根据白天、晚上分时控制，也可以分逻辑、场景和事件等控制。

华大基因楼中心采用POE照明技术^[9]，能够根据实际情况实现智能化控制照明系统。该方案的节能核心是LED灯，并利用智能化技术，通过对光线和人体的检测，进而控制照明系统，达到节能的目的。该方案将POE网管、LED灯具、路由器、网关及相关应用软件进行有机结合，从而形成了较为完善的系统。POE照明技术还能实现精确定位，减少人工工作量，还能使室内办公安全性大大提高。但是该技术需要用到网关、路由器和交换机等技术设备而且技术要求高，购买设备的费用贵，适用于在大型公司内使用，并不适用于公教教室这种人流量变化大，光照变化大的小环境。所以应针对公共教室的特点对照明系统控制进行设计，采用价格较为低廉实用的设备。而且必须考虑到学生放假教室内没有人这种情况。

现有的照明控制系统多数针对普通建筑，如居民楼和办公楼等，多采用定时控制、场景控制或简单的传感器控制，很难满足大学教师李人员多、流通性强的特点。程春的《大学教室只能照明控制器及其系统的研究与开发》^[11]中在节能策略上，关注自然光作为辅助光源和根据人数有效开启灯具数量，这样保证照明质量的同时有效避免能源浪费。并且针对学生上课和自习学习的特点，提出网络化的教室照明控制方案，兼顾个体和教室全局的控制方案。系统由照明控制器和上位机以及RS-485总线构成。照明控制器使用MSP430F149单片机为中央处理器，上位机为PC机，可以接收教室现场信息，综合处理判断后，下发控制命令。数据采集模块主要使用红外探测器，执行模块使用继电器控制电器。但是该方案存在的不足之处在于，仅仅使用红外探测模块，探测人数，并没有考虑到不同区域、不同时间段内现场光强是否已经满足使用条件，而避免开启照明灯。

在王昊辰的高校教学楼智能灯光控制系统设计》^[13]中，他根据系统的工作模式分为手动模式、自动模式和自习模式。在动模式下，工作人员通过按键可以独立控制所有教室，也可以控制单间教室。白天光照下，采用自动模式，此时灯光关闭，当光照不足时，灯光会自动打开；自习模式下优先打开一间教室，达到一定人数后，下一间教室才会被允许打开。以此，提高灯光的使用效率，降低电能的浪费。此并且据教室内实际照明灯的摆放情况，将教室划分为几块区域。分块检测是否有人以及光强是否满足使用条件。极大限度的节约能源，避免浪费。

在周瑶的《高校教室灯光节能控制系统的设计》^[12]中，不仅通过分区的方法检测光强，还是实现了系统的多模式控制，实现了个模式之间的自动转换，在安全性上，采用了软硬件的“看门狗”技术等抗干扰措施，增强了系统的安全性。并且加入了人数阈值，避免人员分布造成的打开较多灯的问题；加入光强阈值，避免在光强不足的时候，因为系统无法辨别光强充足是由于灯光造成还是环境造成，而误关灯的现象发生。同时，在数据测量上，不再单纯以强弱定义光强的大小，而是利用光频转换器直接计算出了光照度。让整个系统在可靠性和安全性上得到了极大地改善。

对于空调等电器的节能方面，在彭治平、徐洪译著的《空调房间的节能策略及其系统研究》^[14]中提出通过改变窗墙比来改变室内的气流流动，减缓热交换的方式。以及林俊森的《建筑空调节能技术探讨》^[15]中也提出了通过改变建筑的隔热保温性能来减少能源浪费。但是，这种通过改变建筑的方式显然不适合于公共教室这种大型的公共建筑场合。在王远的《高校图书馆节能技术探析》^[16]中提到，对图书馆内的多个房间采用分区运行的策略。类比到，公共教室的系统中，我们同样可以采取分区域运行的策略。先将教室分区，然后通过检测区域下是否有人以及温度是否能合适来判断是否开启空调，包括开启空调的功率等。这样可以有效的达到节能的目的。

第二章 方案论述

当前，多数高校公共教室内主要被使用电器及分布情况如下：

空调：采用中央空调，以前以后两个。

电扇：十几个，均匀分布在教室内。

投影仪及电脑：1个，放置在讲台。

照明灯：十几个，均价分布在教室内。

教室内的环境及使用存在以下特点：

1. 学生放假期间，教室不被使用，但是电脑等处于待机状态。学生上课期间，有的教室不被使用。有的教室被使用，但未被坐满，许多区域没有人座。
2. 教室空间大，每个时间段、每个区域内的光强、温度可能不一样，有的区域么有人座不需要开灯等电器。
3. 室内的温度和光强距离适宜的温度和光强偏差不大，不需要大功率的开启。

针对以上的电器的使用和分布情况、教室内的环境及使用特点，现将系统分为分为两种模式：自动模式和手动模式，在学生放假期间，可进入手动模式，由工作人员关闭整个系统和电器。在学生上课期间，可进入自动模式，自动模式下将由系统自行控制电器的开关及转速等。自动模式又可分为以下两种状态：

有人状态：允许教室内电脑和投影仪的电路接通被使用。由温度传感器和光强传感器检测当前温度和光强，当温度或光强适宜时，空调、电扇或照明灯不被开启；反之，当温度或光强不能满足学生正常教学条件时，则空调、电扇或照明灯允许被开启，并且根据环境参量和阈值的差值，由DA输出控制用电功率。